达旗污水处理厂基于DCS、WinCC的控制系统

达旗污水处理厂基于DCS、WinCC的控制系统摘要：本论文是依托达旗污水处理厂项目设计与实现展开研究讨论的。该项目的主要任务是设计一套符合污水处理工艺要求、采用DCS技术和组态软件WinCC实现监控功能的PLC控制系统。文中根据污水处理控制系统工作时间长、可靠性高、信号多的特点，以西门子公司的S7-300为基础，对污水处理控制系统的工艺流程、硬件构成、程序结构进行了设计。论文首先研究探讨了PLC控制系统及DCS的设计思想和具体实现，接着又着重探讨了WinCC组态软件在此系统中的应用。在本污水处理控制系统中，采用了全新的设计思想，把整个系统分为预处理工段、生物处理工段、污泥处理工段和消毒间处理工段四个子系统，然后再对各个子系统的功能进行分别讨论，最后通过各子系统的优化组合形成一套综合污水处理控制系统。该系统在西门子公司S7-300基础上，实现了对污水处理厂各设备运行状态的实时检测和监控，并能够对设备故障做出实时自动报警和自动保护，克服了人工控制精度低、操作运行繁琐、误操作可能性大等缺点，满足了污水处理工艺控制精度高、可靠性强的要求关键词：污水处理控制系统DCSPLCWinCCSTEP7ThecontrolsystembasedonDCS,WinCCofsewagetreatmentwangyongAbstract：ThispaperisbasedontheprojectofDaqisewagetreatmentandgivesatalkaboutthedesignoftheproject.Theproject'smaintaskistodesignasewagetreatmentprocessinlinewithdemand,usingDCStechnologyandconfigurationsoftwareWinCC.TheaimoftheprojectistoachievemonitoringthePLCcontrolsystem.Accordingtothefeaturesofthesewagetreatmentcontrolsystemislongworkhours,highreliabilityandmoresignals,theprojectisbasedonSiemensS7-300.Theprojectmainlydesignstheprocess,hardwareandsoftware’sstructureofthecontrolsystem.FirstofallthepapertalksaboutthedesignideasoftheDCSandthengiveainstructionofthePLCcontrolsystem.Intheend,thepapergivesalongtalkabouttheapplicationofthesoftwareofwinccinthesewagetreatmentcontrolsystem.Inthesewagetreatmentcontrolsystem,anewdesignideaisused.Thewholesystemisdividedintopretreatmentsection,biologicaltreatmentsection,sludgetreatmentsectionanddisinfectionsectionandgivesdifferenttalks.Finally,throughtheoptimizationofthesubsystems,thepapergiveacomprehensivesewagetreatmentcontrolsystem.ThesystembasedontheSiemensS7-300realizesthereal-timedetectionandmonitoringoftheequipmentsinthesystemandbeabletomakereal-timeautomaticalarmandautomaticprotection.Thesystemalsoovercomethelowaccuracyofmanualcontrol,theredtapeofoperation,thepossibilityofmisuseandothershortcomingsandmeetthesewagetreatmentcontrolsystem’srequirementsofhighaccuracyandreliability.Keywords：loadcalculation；reactivepowercompensation；equipmentselection正文：1.引言环境保护是我国的基本国策。随着我国社会和经济的高速发展，城市环境污染特别是水污染的问题日趋严重，城镇生活污水的排放量逐年增加。生活污水中含有较高的氮、磷等营养物质,未经处理直接排入江河湖海,是导致水域富营养化污染的主要原因。目前我国水污染控制的重点已从以工业点源为主，逐步转变为以城市污水污染为主的控制。根据预测，到2010年我国城市污水排放总量为1050亿m3，城市污水处理率要达到50%，预计需新建污水处理厂1000余座，而决定城市污水处理厂投资和运行成本的主要因素是污水处理工艺和技术的选择，因此开发适合我国国情的、高效、低耗、能满足排放要求、基建和运行费用低的污水处理新技术和新工艺，具有十分重要的现实意义。本文正是在此背景下，以达旗污水处理厂为实例，主要研究了污水处理与现代自动化技术相结合的相关内容，着重从污水处理的自动化技术方面对污水处理工艺进行了论述。2.自动化系统的硬件设计2.1结构模式与处理过程分析2.1.1结构模式中央控制室和厂区四个现场控制站之间以PROFIBUS总线连成一个有线数据通信网络。现场控制站在现场进行工艺检测参数、设备运行工况信号的采集、检测和控制，并向中央控制室进行实时传送。中央控制室主机架通过工业以太网与工程师站和操作员站相连，可监视各现场站的全部运行信息，在中央控制室可通过上位计算机控制现场设备的启动和停止。中央控制站采用西门子S7300PLC，CPU采用中档的315-2DP，具有运算速度快，资源丰富等优点。计算机监控软件采用西门子WINCC，它具有画面显示、趋势曲线、报警处理、报表处理、数据管理、网上浏览等功能。整个自控系统体现了西门子全厂一体化的先进自控理念，并且网络结构完全符合现场总线的国际标准。该模式布置如下所示：2.2.2现代污水处理的分级过程现代污水处理技术，按处理程度划分，可分为一级、二级和三级处理。一级处理，主要去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质，物理处理法大部分只能完成一级处理的要求。经过一级处理的污水，BOD（生化需氧量或生化耗氧量）一般可去除30%左右，达不到排放标准。一级处理属于二级处理的预处理。二级处理，主要去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质(BOD，COD（是在一定的条件下，采用一定的强氧化剂处理水样时，所消耗的氧化剂量)物质)，去除率可达90%以上，使有机污染物达到排放标准。三级处理，进一步处理难降解的有机物、氮和磷等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等。主要方法有生物脱氮除磷法，混凝沉淀法，砂率法，活性炭吸附法，离子交换法和电渗分析法等。整个过程为通过粗格删的原污水经过污水提升泵提升后，经过细格删或者筛率器，之后进入沉砂池，经过砂水分离的污水进入初次沉淀池，以上为一级处理(即物理处理)，初沉池的出水进入生物处理设备，有活性污泥法和生物膜法，(其中活性污泥法的反应器有曝气池，氧化沟等，生物膜法包括生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法和生物流化床)，生物处理设备的出水进入二次沉淀池，二沉池的出水经过消毒排放或者进入三级处理，一级处理结束到此为二级处理，三级处理包括生物脱氮除磷法，混凝沉淀法，砂滤法，活性炭吸附法，离子交换法和电渗析法。二沉池的污泥一部分回流至初次沉淀池或者生物处理设备，一部分进入污泥浓缩池，之后进入污泥消化池，经过脱水和干燥设备后，污泥被最后利用。2.3硬件方案2.3.1自动化系统的硬件配置在达旗污水处理厂控制系统中，参照西门子公司提供的产品技术参数，以S7-300系列中的CPU315-2DP实现控制功能，由于该系统模拟及数字输入输出量较多，采用接口模块IM153-1，连接扩展的信号模块满足系统要求，其中信号模块包括若干数字量输入模块SM321，数字量输出模块SM322，模拟量输入模块SM331，模拟量输出模块SM332，另外还有一块CP343-1用于通信。现场多台工作泵采用西门子MicroMaster430变频器，MicroMaster430变频器除了具有第四代变频器的特点以外，还具有应用于风机和泵类的硬件和软件特征，尤其适合用于风机和水泵负载的控制。使用此种型号的变频器可以节约能源消耗，降低运行噪声，对环境起到很好的保护作用。2.3.2自动化系统的硬件实现达旗污水处理控制系统的输入输出信号主要分成4个部分，分别为模拟量输入、输出，数字量输入、输出，并放在四个相连的导轨上，如下图所示：PS3075ACPU315-2DPCP343-1SM321SM321IM153-1SM321SM321SM321SM321SM322SM331SM332IM153-1SM321SM321SM321SM321SM321SM322SM322IM153-1SM331SM331SM331SM331SM332SM332SM332SM332IM153-1SM321SM321SM321SM322SM322SM331SM331SM332200VAC24VDC输入输出的硬件接口是也是系统设计的一部分，它反映的是PLC输入输出与现场设备之间的连接，只有正确连接安装才能使得PLC读取到数字量和模拟量，连接方法的不同可以有效地防止现场的干扰，保证数据的正确性。对于SM321的数字输入量模块，在15-25V直流电压以内都能检测到信号。由于现场的执行器也是发出的直流信号，因此把其直接和现场的开关设备连接来接收开关信号量。数字量输出选用晶体管输出模块SM322，晶体管输出的响应时间短、寿命长、输出口密度高，但是其只能带直流负载而且带载能力弱。同时为了使PLC的输出和现场回路之间隔离，在输出端使用了继电器，通过继电器触点控制现场负载。这样使控制器与现场达到了电气隔离的作用，大大提高了系统的安全性，同时也使输出口带载能力得到了大大的增强。在继电器旁边加二极管泄放反电势能量，起到保护输出口的作用。SM331采用4-20mA电流输入连接到传感器上，采集系统模拟量数据。3．自动化系统的软件设计3.1工艺流程概述该工程由预处理工段、生物处理工段、污泥堆埋场和消毒间工段等组成。设计要求该工程能实现从进水格栅到消毒间等工艺各级控制、设备集中监视和控制功能，即为该污水处理厂建立全厂自动化监控系统，并为该工程提供客户培训等。3.2控制对象概述达旗污水处理厂控制系统的输入输出信号主要分成4个部分，放在四个相连的导轨上：模拟量输入：提升泵间水池液位，，曝气池液位，污泥池液位，流量计等。模拟量输出：四个控制变频器（提升泵间收集水泵、回用水泵等）。数字量输入：分为各个水泵风机的运行，故障反馈信号，手/自动选择信号；各个阀门的手动开，关控制信号，故障反馈信号和手/自动选择信号。数字量输出：分别为对各个水泵、风机的开、关、复位输出控制信号；各个阀门的开，关输出控制信号；变频器的启动，复位控制信号。3.3控制模式3.3.1远程控制当控制柜上方式选择开关被切换到远程控制后，操作人员可选择自动或手动控制方式。在自动方式下，PLC按联动、联锁各种逻辑关系控制设备的启动停止。中控室操作人员可根据现场情况向下发出调度控制指令，调整设备运行状态达到工艺要求。中控室操作人员也可以选择远程手动方式，直接手动控制单个现场设备。3.3.2就地控制就地控制级别高于远程控制。当控制柜上方式选择开关被切换到就地自动控制，控制中心的调度控制指令被封锁，设备在PL