1系統描述
我國是一個水資源比較貧乏的國家，在全球人均淡水資源位居110位，為世界平均值的四分之一。在面臨水資源短缺的情況下，加強水資源保護的同時實現有限水資源的循環利用，是保障和支持城市可持續發展，實現國家可持續發展戰略的重要舉措。礦區生活污水處理可以有效減輕礦區周邊水體環境污染，處理回用水可循環使用，如為礦區工業廣場沖洗，綠化和煤場防塵使用，從而減少地下水資源開采，讓每一噸水都成為企業生產和生活的可用資源，走循環經濟，創節約型企業。目前礦區的生活污水處理普遍重視程度不夠，一般就采用化糞池處理后直排。部分小區建成的生活污水處理系統自動化程度不高。生活污水處理控制系統自動化程度高低，對整個系統運行維護的難易有著重要影響。先進的污水處理自動控制系統的設計，對于降低污水處理成本，改善我國的生態環境，促進經濟高速發展具有極大的經濟效益和社會意義。
2控制要求
“分散控制，集中管理，數據共享”是污水自動控制系統的設計原則，選型要求系統性能穩定、運行可靠、操作簡單、維護方便，并且要求整個系統具有擴展性好、運行成本經濟、性能價格價比高[1]。自控系統應實現生產全過程自動控制、自動保護、自動調節和自動報警，并且重要設備、重要參數實時監控。污水處理工程自動控制系統的基本設計要求如下：（1）系統采用分布式結構，采用工業以太網通信方式。主控室上位機通過工業以太網可直接控制各分站設備，當網絡故障時，不會影響各PLC分站的正常工作，此時PLC分站可獨立工作或通過就地控制箱對設備進行手動控制。上位機系統負責整個系統的監控和管理，PLC各分站按照工藝要求實現本站內各設備的自動控制[2]。（2）控制過程采用閉環控制方式，對工藝參數采集并反饋到系統中，可極大提高系統的抗沖擊性并具有良好的適應性。（3）對主要工藝參數如水質、溫度、流量、液位、pH值和各種機電設備的工作狀態，工藝參數臨界值進行監控，系統的實時數據保存在數據庫中，可通過OPC服務器或者OPC客戶端方式在線訪問。（4）控制系統具備自動控制與手動控制兩種運行方式。一般情況下采用自動控制模式，當系統不具備自動控制模式時改為手動控制模式，手動控制模式又細分為主控室控制與現場控制兩種工作方式。（5）組態監控畫面的設計要符合系統工藝，符合現場操作人員使用習慣，同時設定不同的級別權限或等級，確保系統運行安全。
3硬件設計
3.1控制系統的網絡結構
當前的工業以太網技術是一種生產現場最受歡迎的通信網絡之一，具有多方面的優點，比如價格低、性能穩定可靠、數據傳輸速率高、軟硬件產品線豐富、技術成熟等，目前已經接近現場總線網絡的市場占有率。本次設計的礦區生活污水處理控制系統采用工業以太網構成系統網絡。為了提高網絡在發生故障時的可恢復性能，主干網絡使用多模光纖百兆環形網絡拓樸結構。見圖1。網絡采用的是單環結構，即在環網中的每一個分站布置一臺工業以太網交換機。本網絡架構可抵御一定故障，如網絡中某一通道發生故障，網絡會很快生成新的網絡結構，邏輯上構成的是一個總線型網絡結構，能持續保持系統網絡的通信暢通。
3.2PLC硬件設計
�。�1）PLC選型。針對污水處理系統占地面積較大，控制設備多且分散，環境潮濕、臟、臭等特殊因素。本設計選用西門子公司生產的S7-300系列PLC，S7-300PLC為中型PLC，采用模塊化結構，控制點數多，性能高，配置靈活，擴展方便。S7-300PLC各模塊安裝在一個或多個導軌上，通過背板總線相連。（2）控制系統硬件組成。本設計控制系統包括一個主站和兩個分站。主站位于主控室，包括上位機和顯示器，打印機等。分站各包含一套西門子S7-300PLC。主站用于監控，配有打印機，用于輸出故障報警信息和各種生產報表。工控機同時作為OPC服務器和OPC客戶機，用來發布和上傳報表。工控機主站顯示器上可以看到生產過程動態畫面，儀表測量值、生產設備狀態，鍵盤和鼠標可進行畫面選擇和生產設備的控制。在兩個分站各設置一套S7-300PLC，組成為一個電源模塊PS307,一個CPU模塊CPU315-2DP，若干塊擴展模塊（DI/DO/AI/AO）和一塊以太網通信模塊343-1。PLC分站模塊構成見圖2。兩個PLC分站中PLC1負責格柵池，水解池，A/O池和二沉池所有設備的控制。PLC2負責活性炭過濾池、多介質過濾池、清水池及中間水池全部設備的控制。PLC分站的控制點數量如表1所示。
4軟件設計
PLC編程語言既可以采用梯形圖語言LAD，又可以采用語句表STL編程語言和功能塊圖FBD，本設計以梯形圖為主。
4.1污水處理控制程序流程圖
根據污水處理工藝及控制要求，應首先設計系統的流程圖及全部程序流程圖。并以此指導PLC程序的編寫。由于篇幅所限只列出系統總流程圖。系統總流程圖如圖3所示。
4.2PLC程序的組成及功能
系統的程序包括主程序OB1及8個功能塊模塊FC1～FC8。主程序為組織塊OB1。主要作用為循環調用各功能子程序。功能塊FC1～FC4是各執行機構的運行子程序，其中功能塊FC1是格柵池控制程序，功能塊FC2是調節池控制程序，功能塊FC3是立式回用水泵運行控制程序，功能塊FC4是立式回流水泵運行控制程序。其它功能塊分別是功能塊FC5～功能塊FC8。其中功能塊FC5為報警程序（包括故障報警、水位超限報警等）。功能塊FC6是工程量轉換程序（用于模擬量輸入值轉換為工程量）。功能7（FC7）是液位轉換程序。功能8（FC8）是DB數據塊數據處理程序。
5污水處理監控組態畫面設計
上位機監控組態畫面采用西門子WinCC實現。組態實現主要包括建立變量，建立畫面，實時和歷史數據記錄及報警等。
5.1創建污水處理監控系統設計項目
[3]（1）建立項目。打開WinCC，新建項目并設定系統屬性，“系統屬性”中計算機名稱一定要與計算機操作系統設定的計算機名稱相同。設置刷新周期。系統刷新周期為WinCC數據管理器訪問過程數據（過程變量標簽）的時間，也是腳本或動態功能的觸發訪問時基。標準時間范圍250ms～1h。（2）創建WinCC變量。在"變量管理"中建立組態連接，并設置組態連接屬性，根據硬件連接建立WinCC與PLC接口所需的邏輯連接參數。變量可以采用變量組的形式以方便管理，一般一個變量組存放同一屬性的變量。本設計生活污水處理控制系統的變量組分為運行信號變量、故障信號變量、模擬信號變量、手/自動轉換、報警和液位參數設定幾個變量組。（3）建立系統變量。變量分為外部變量（過程變量）與內部變量。外部變量與PLC的存儲器地址中的數據變量一一對應。內部變量與PLC無關，用于存放WinCC中的變量數據。根據系統設計要求和PLC控制程序，在相應的變量標簽組里建立WinCC變量標簽。
5.2創建生活污水處理系統過程畫面
通過WinCC“圖形設計編輯器”創建系統過程畫面。在生活污水處理系統監控項目中創建以下畫面：通用模版畫面、生產工藝畫面、設備狀態監控畫面、液位棒狀圖畫面、操作記錄畫面、活性炭過濾器狀態畫面、多介質過濾器狀態畫面和趨勢頁面等。
6結束語
現代化的污水處理控制系統需要實現管理與控制一體化�？刂葡到y即要保證與現場控制設備有良好的接口，而且還應具備與上層的企業信息管理系統提供標準接口，也就是具有數據可擴展性。本設計針對礦區生活污水處理的設計要求，對要求所提出的工藝流程進行了詳細分析，選用先進的控制設備和優秀的監控組態軟件，進行了細致的設計。本系統實現了污水處理系統的穩定和高效運行，極大減輕了現場操作人員勞動強度，改善了工人的工作環境，極大提高了礦區生活污水處理的現代化管理水平。
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