魏江海WEI Jiang-hai曰李世厚LI Shi-hou曰王文成WANG Wen-cheng曰李春林LI Chun-lin
（昆明理工大学国土资源工程学院，昆明650093）
摘要院着重介绍了一款基于研华工业控制计算机、西门子PLC S7-300、自动化组态技术及网络通信等技术设计的污水处理厂监控系统。阐述了该系统的硬件组成及软件设计，实际运行效果表明该系统可靠性高、稳定性好。
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关键词 院污水处理系统；PLC；组态软件
中图分类号院TP273 文献标识码院A 文章编号院1006-4311（2015）27-0090-03
0 引言
近年来，我国工业的快速发展和城镇化的进度加快，水污染问题已经成为制约我国经济发展的主要问题。随着国家治理环境污染力度的日益加大，对污水处理系统要求也不断提高，稳定、精确的污水处理控制系统在治理污水工作发挥了重要作用。近年来，在我国新建的污水处理厂中，PLC 和工控组态技术已得到广泛应用，且已取得了良好的处理效果[1]。本文以云南某污水处理厂控制系统为例，说明该套控制系统的组成部分和实现过程，以及西门子PLC300 和组态软件KingView6.55 在其中的应用。
1 系统简介
1.1 污水处理工艺流程
综合进水水质情况, 为使处理后排放水的水质达到GB18918-2002 一级B 标准，该厂采用A2/O 为主体生化工艺处理污水，工艺流程如图1 所示。
该污水处理厂由粗格栅、提升泵房、细格栅、旋流沉砂池、鼓风机房、A2/O 生化池、二沉池、紫外消毒池、污泥池、污泥脱水机房等组成。
1.2 控制系统结构
结合实际工艺情况，设计了一套由中央控制室、各分布PLC 站、现场仪表设备组成的三级监控系统。通过这三级集散控制系统，实现全厂范围的污水处理工艺流程的监测与控制。第一级：中央控制级，中央控制级由中央控制室和厂长远程管理计算机组成。中央控制室中设有OperatorStation（操作员站）和Engineer Station（工程师站）。操作员站主要负责对整个污水处理厂的生产状态的监控、数据的显示和记录、实现生产统计报表和报警信息的打印等。工程师站既能实现操作员站的功能，同时还能对控制系统的硬件组态和软件的配置。第二级：分布式控制站，系统设有3 个分布式PLC 控制站，其中1# 和2#PLC 站各配一个触摸屏。各PLC 站根据现场采集的数据，自动控制各自站点内的电气设备。中央控制室的工程师站、操作员站通过工业以太网与现场控制站进行通讯。第三级：就地控制级，通过各电气站点的控制柜，可单独启、停或操控各执行机构。在整个三级控制系统中，现场手动控制的优先级最高，这样可以最大限度地保证污水处理装置的安全操作。控制系统结构图如图2 所示。
1.3 PLC 测控
PLC（可编程逻辑控制器）由负载电源、中央处理器（CPU）、信号模块（SM）、通信模块（CP）和接口模块等组成。本系统各PLC 站中PLC 均采用西门子S7-300，通过工业以太网将各PLC 站、中央控制室的上位机相连形成完整数据通信网络。在本控制系统中模拟量少，数字量较多，系统的控制以逻辑控制为主。整套污水处理系统中有多个监控点，主要的模拟量：液位、进出水的COD 值、生化池的MLSS 值、进出水的流量、pH 值等。开关量：提升泵的运行状态、鼓风机运行状态、消毒渠紫外灯运行状态等。现场采集的数字信号通过电缆接至PLC 的DI 模块；从PLC的DO 模块输出数字信号通过电缆接至现场设备[2]。输入输出的数字信号均为直流24V。为了保证PLC 的正常工作，PLC 所有数字量模块经过中间继电器与控制设备相连。现场仪表采集的模拟量，通过相应的变送器输出4耀20mA 的标准信号，通过电缆输送至PLC 的AI模块中。从PLC 的AO 模块输出的4-20mA 的标准信号通过D/A 转换后，电缆接至相应的执行机构。各PLC 站根据内部程序将采集的现场信号数据传送至上位机，上位机将现场监控量或参数显示出来，下位各PLC 站根据内部控制策略或者上位机的指令来控制其输出信号，实现对现场设备的启、停操作。
2 组态王6.55 在本系统中的应用
Kingview 是亚控科技公司在国内率先推出工业组态软件产品。组态王6.55 为用户提供了丰富的、易用的配置界面，大量的可供用户参考图形元素和图库；本污水处理控制系统采用组态王6.55 作为上位机监控软件。
2.1 上位机监控画面的设计
上位机中画面分为两类：淤主画面；于分画面。主画面即工艺流程画面，主画面上主要显示整个工艺各段的需监控的模拟量的实时值和设备的运行状态。分画面即各工段画面，除了显示工段内的模拟量实时值和设备运行状态外，还具有相应的控制操作界面。上位机运行系统时，首先进入工艺流程的主画面，同时系统运行时，可实现对各模拟量的数据存档、生产统计报表和历史曲线。系统运行期间，未经授权的用户不能对画面进行任何操作，包括更改控制参数和对某设备的启停控制，若想对画面进行操作，需登录相应被授权的用户。系统登陆状态下，因不同用户的操作需求的差异，不同的用户通常配置权限也会不同，用户在完成对给予授权的参数进行修改后，必须退出登录状态，防止其它无授权用户的错误操作[3]。对现场设备进行启、停控制、参数采集以及仪表数据显示均可以在中央控制室的工程师站和操作员站实现。
2.1.1 上位机主画面的设计
主画面如图3 中所示，图3 上显示污水处理厂全工艺流程以及相应工艺段的模拟量实时值、各设备运行状态（运行、停止、报警）。主画面的页脚的菜单栏分别有“粗格栅提升泵房”、“沉砂池”、“A2/O 生化池”、“二沉池”、“鼓风机房”、“污泥脱水车间”、“消毒渠”、“报表”、“历史曲线”、“登陆系统”、“退出系统”、“账户管理”等菜单选项，用户可根据实际情况选择相应的菜单进行相关操作。如查看某一天生产报表，登陆相应账户，点击“报表“按钮，即可进入报表查询系统进行生产统计量（例如：进水COD）的查询。
2.1.2 分画面的设计
按照工艺的处理过程顺序，依次设计“粗格栅提升泵房”、“沉砂池”、“A2/O 生化池”、“二沉池”、“鼓风机房”、“污泥脱水车间”、“消毒渠”等各工段画面，分画面中显示各模拟量的实时值和设备的状态。在分画面中，每个设备设置工作、停止和故障3 个状态，阀门设有开到位和关到位两个状态，控制部分分为启动和停止两个状态。通常通过显示装置的颜色来表示相应设备处于哪个状态，本系统中，绿色为运行，灰色为停止，红色为故障[3]。另外模拟量实时值超限报警时，相应位置上会以红色字体显示，例如“液位超高”。对于设备的启停控制，仅当设备处在远程控制状态，且当前用户具有操作权限时，用户才能操作启动和停止按钮。在各工段画面内设有相应的设备运行控制面板，用户可通过控制面板来控制设备的运行和停止。
2.2 趋势曲线的设计
组态王中模拟量的实时值和历史数据的显示方式除了值输出和报表形式外，还可以用曲线来表示。历史数据通过曲线的形式显示出来使用户观察生产统计量的变化更加直观、方便。本监控系统仅制作模拟量的历史曲线。在新建的“历史曲线”画面中，通过“工具箱”中添加“历史趋势曲线”控件完成，将需要统计的模拟量添加到历史趋势曲线的中，记录其值的变化，以便操作员根据模拟量的变化调整相应的工艺。
2.3 报表系统的设计
组态王中数据报表分为两种，历史数据报表和实时数据报表。根据生产实际，上位机的生产数据需要有两年的存档，即在报表系统中能够查询两年内的历史数据。同时考虑到统计的生产数据种类较多，每种工艺参数要求日报、月报、年报。因此在制作报表查询系统时，用历史数据报表来实现。在本系统中统计的生产数据分为4 类，分别为在线监测指标、生物池工艺、设备参数、设备时间。新建4 个画面分别作为4 类日报表，在每个画面中添加“报表窗口”设置相应的报表名称、控件名、报表行列数。在日报表中，第1 列为记录时间，后面各列为生产数据的名称，日报表的最后3 行分别为每个统计量的最大值、最小值、平均值，月报表和年报表以此类推。
如图5 所示报表系统的查询栏设置报表选择和报表处理两部分，在“查询”按钮中添加适当命令语言如图6 所示，选择不同查询条件，实现多种查询需求。在“打印”按钮中添加下列命令语言:
IF(\\ 本站点\p_n==1)
{
ReportPrintSetup ("zxjc");
}
其中p_n 代表报表种类，p_n=1 即为监测指标日报表，zxjc 为报表控件名。即可实现报表打印。
2.4 报警画面的设计
在定义变量之前，建好报警组，对需要报警的变量设置其报警属性。在新建的报警画面上添加一个报警窗口，设置报警窗口配置属性。添加“报警确认”按钮，然后在其动画连接的命令语言中添入函数：
Ack (全厂);
PlaySound(" c:\Sirenl. wav"，0);
ClosePicture("实时报警");
其中Ack (全厂)：全厂报警组的所有报警，PlaySound函数播放报警声音。
3 实际运行效果
该系统自投入运行以来，控制系统运行稳定，进出污水处理厂的水质情况见表1。通过表1 可以看出经该系统处理后，该厂的出水口水质完全达到国家环保标准（GB18918原2002）一级B 标准的要求。在监控系统控制下的污水处理工艺对各项污染物去除率较高，除了总氮一项指标外，其他的各项污染物的去除效果显著。
自控制系统运行以来，运行稳定、可靠性高。大大降低了操作人员的工作量，由于系统各部分采用模块化设计，为维护人员的安装、调试和检修提供了便利。能源和设备的利用率也获得极大的提高。
4 结论
采用西门子S7-300 和亚控科技组态王6.55设计的污水监控系统在该厂投入使用后，设备故障率低，使用安全，污水处理效果好。同时实现了降低能耗，为该厂带来了很好的经济效益，达到了设计要求。
