PLC 和變頻調速技術在污水處理中的應用
導讀：應用PLC 技術、變頻技術和網絡技術，通過SIEMENS 公司的CP340模塊將分散的工業設備組合成強大的工業網絡，實現了工業過程精確控制、智能診斷、實時監控和生產的高效管理。本文以污水站為例，介紹了控制系統硬件、軟件設計。
關鍵詞：PLC變頻調速，精確控制
1. 引言
火力發電廠工業廢水水量大，污水種類較多，水質差別較大，為了最大程度實現廢水的重復利用和節約廢水處理成本，火力發電廠工業廢水處理系統一般實行清污分流處理。采用PLC將分散的工業設備組合起來形成智能工業網絡，實現了污水處理的精確控制、智能診斷和實時監控。
2. 現代化污水處理系統的基本要求
2.1 遠程采集與集中監控
工業污水處理設備分布于不同的車間或區域，使得控制系統I/O點特別分散。為減輕工人勞動強度和實現無人值守自動化監控，就需要控制系統能夠實現數據的遠程采集和設備的集中監控。控制核心設備對現場設備進行本地或遠程的自動控制，并對工藝流程進行全面、
實時的監控顯示，為生產、調度和管理提供必要的數據。
2.2 控制核心高度集成化、模塊化
控制系統高度集成化、模塊化，系統能夠滿足數據采集與傳輸、邏輯運算，數據處理的要求。污水處理大部分是對輸水泵和配水泵的邏輯控制，閉環控制只用在出水壓力控制上，而邏輯控制是可編程序控制器PLC的傳統應用領域。PLC不僅能夠采集開關量信號、完成邏輯控制，其強大的模塊化設計還可以擴展模擬量采集模塊、通信模塊完成不同數據的采集和保證數據的及時傳輸，另外PLC兼容性高、抗干擾能力強、功能擴展簡單，因此使PLC成為目前工業控制系統的首選控制器。
2.3 自我診斷、報表生成、自我恢復等智能化功能通過對控制系統數據采集進行分析處理，判斷系統運行情況，記錄系統實時數據。當系
統根據采集數據分析判斷設備故障時，控制器自動運行保護程序，發出聲光報警信號并生成報表。當技術人員排除現場設備故障后，控制器根據操作人員操作信號，自動恢復系統運行。目前先進的控制系統可以根據系統故障級別和分類，將故障信息分類發送到各個部門。
2.4 可靠、高速的傳輸介質
分布式智能控制系統的基本條件是具有可靠、高速的傳輸介質。傳輸介質目前有屏蔽雙絞線、光纖、無線電臺、工業以太網等形式。隨著各種儀表的智能化，大多數智能儀表都帶有通信接口和控制器連接，采用通信的方式，通過傳輸介質一次性采集多組數據成為智能儀
表的發展方向。
3. 控制系統硬件設計
污水處理站環境惡劣，操作和維護人員應在中控室完成對整個污水站監控，并根據現場狀態及時維護。污水站控制系統由PLC、變頻器、壓力傳感器及上位機組成。本系統的控制核心為SIEMENS S7-300，硬件主要由電源、CPU、數字量輸入輸出、模擬量輸入、通信單元等模塊組成。控制系統主要完成數字、模擬信號采集，邏輯分析和控制，數字、模擬信號輸出，數據通信控制等功能。變頻器根據管網壓力結合自帶PID功能對電機進行調速，保持管網壓力恒定。控制系統及污水處理狀態采集到PLC中，通過WINCC在工業計算機實時顯示。
4. 控制系統軟件設計
程序的編制采用模塊化結構，針對污水處理的特點，把程序設計為電機控制子程序、參數采集程序、系統報警子程序和安全保護程序等。主程序設計結構如圖1所示，控制系統核心為電機控制程序。由于本系統設備比較集中，主控制采用SIEMENS公司S7-300控制器，因此系統采用SIEMENS通信模塊CP340將污水處理各個單獨的設備組成工業網絡。CP340通信處理是Siemens公司提供的串行通信的低成本解決方案，它可以在SimaticS7-300和ET200M機架中使用，是Siemens公司PLC與其他智能終端進行數據交換的橋梁。系統通信子程序是軟件中的重要部分，對變頻器和反應池的檢測和控制、故障代碼采集都采用通信的方式，一根通信電纜一次性采集、傳輸多組數據，減少電氣連線和信號干擾，已成為智能儀表的發展方向。該通信模塊提供了三種不同形式的傳輸接口：①、RS232C，②、20mA(TTY),③、RS422/RS48但每個CP340只提供一種接口形式。該模塊可以實現三種通信協議ASC II碼，3964(R)和打印機驅動，通過集成在STEP 7中的參數化工具可進行簡單的參數化，其設置主要包括通信方式(波特率、數據位數、停止位數和奇偶校驗)、接收幀結束方式、接口方式等，編程人員要關注的是根據智能儀表的通信協議編寫程序。CP340使用自由口模式與這些設備進行信息互換。自由口通信是通過用戶程序控制通信口的操作模式。利用自由口模式，可以實現通信連接多種智能設備。STEP 7中的功能塊FB2(P_RCV)和FB3(P_SEND)是系統自帶的專為CP340提供的通信功能塊，利用STEP7自帶的功能塊可以減少編程時間降低編程難度。采用CP340主從站、半雙工的通信方式時，通信子程序應考慮：①、采用半雙工的通信方式，在每個時刻總線上只能有一個站處于接收或發送狀態。由于主、從站的工作方式為主站主動、從站完全被動，所以在程序中當主站成功發送完控制命令后，應該給予從站足夠的時間反應主站命令。②、對每次接收的數據都應該進行校驗，保證接收的數據的正確性從而避免系統發生誤動作。③、當診斷系統出現錯誤立即置位標識位，給出相應的報警信息，并且根據報警信息自動對該報警信息給予分類，對重故障作停車檢修。設備故障時，對此設備停車并且屏蔽此設備，程序將不再訪問該設備，這樣可以大大節省由于多次重復對故障設備通信所帶來的程序執行時間過長。④、每次發送新信息前，確保接收緩沖器中的內容取走，并且應對接收緩沖區和接收緩沖區清零。CP340與各智能設備通信程序流程如圖2所示。電動機控制程序依據管網實際壓力值，自動切換電機(即變頻器頻率出現工頻或者最低PI調節頻率時)。因此采集的管網壓力值的可靠性尤為重要，壓力取自管網的壓力傳感器，其傳輸線較長，并且經過干擾較大的變頻器等設備，所以在使用雙絞屏蔽線的基礎上必須經過軟件濾波等處理。精確判斷管網壓力，大大減少了切換泵的次數，且采用了變頻器不僅提高了系統的安全性也克服了電機起動時的大電流沖擊。系統報警子程序是對系統所有的告警信號處理程序，例如電源故障、蓄水池水位超限、電動機溫度超溫、變頻器故障和PLC模塊故障等。由于選用了具有中斷能力的數字量和模擬量輸入模塊，所以當硬件檢測到現場故障信號時，便自動執行硬件中斷處理程序塊(OB40)，對故障進行判別并按故障級別作相應處理。
5. 污水站系統特點
(1)可靠的控制策略。遠程自動控制、遠程手動控制、就地控制三種控制方式保證系統安全啟停。變頻器、電機等設備都具有獨立的控制且能夠相互備用，即可以在自動方式下實現任意組合的連鎖控制，又能在手動方式下獨立控制。
(2)形象的監控見面，強大的報表功能。工業控制計算機顯示污水處理工藝流程圖、設備運行情況、運行趨勢圖、故障報警畫面等。操作人員通過這些畫面可以全面的了解污水處理運行情況，方便對設備進行操作。大大降低操作人員工作強度。
6. 結束語
基于PLC、變頻器等設備組成的污水處理工業網絡，很好的滿足了現代化污水處理需求。采用Siemens公司的S7-300系列控制器網絡功能實現了數據遠程采集與集中監控功能，大大降低了污水處理成本，目前該系統運行效果良好。
參考文獻
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