基于S7-300PLC的污水处理控制系统设计

戴羽，杨云飞，任振华，张楹，高敏

（1.常熟理工学院电气与自动化工程学院，江苏常熟 215500；2.常熟污水处理厂，江苏常熟 215500）

基于S7-300PLC的污水处理控制系统设计

戴羽1，杨云飞1，任振华2，张楹2，高敏2

（1.常熟理工学院电气与自动化工程学院，江苏常熟 215500；2.常熟污水处理厂，江苏常熟 215500）

针对污水处理控制系统变量多、系统复杂的特点，运用西门子S7-300 PLC，结合相应的I/O模块，设计了污水处理控制系统.运用结构化程序设计方法编写控制程序，并采用PID控制算法对污水流量进行实时控制，起到了节能降耗的作用.上位机人机界面操作方便，能够形象生动地反映系统工艺流程和设备运行状态.

污水处理；S7-300 PLC；PID；人机界面

1 污水处理工艺概述

本文以某市污水处理厂为工程实际背景，污水处理工艺流程如图1所示.污水经输送管道首先进入粗格栅间，拦截污水中较大的悬浮物及杂质.污水在粗格栅处理后流入提升泵房，提升泵房内的水泵将污水提升至细格栅间，进一步拦截污水中较小的悬浮物质.之后污水流向平流沉砂池，通过重力作用和对污水流速的控制，使污水中比重大的无机颗粒下沉，而有机悬浮颗粒随水流带走，以免其磨损设备，影响污水处理质量.经过沉砂池处理后的污水流向SBR池，采用SBR工艺对污水进行处理.

SBR（即序批式活性污泥法）系统分为以下五个阶段：进水、曝气、沉淀、滗水、闲置.一个SBR运行周期为8小时：进水1小时、曝气4.5小时、沉淀1小时、滗水1小时、闲置0.5小时.曝气是污水处理工艺最重要的一道工序，当SBR池内污水达到预定高度时，开启搅拌器和鼓风机，进行曝气.曝气结束后，污水静置沉淀，1小时后开启滗水器电机，将沉淀后的上层清液排出池外.

图1 污水处理工艺流程图

2 控制系统总体结构设计

污水处理控制系统主要由上位机、下位机和现场仪表三部分组成，控制系统结构如图2所示.下位机选用西门子S7-300 PLC为主控制器，上位机以国产组态软件组态王为人机界面开发平台.根据污水处理工艺流程及控制要求，设计上位机监控界面和下位机PLC控制程序.操作人员通过上位机运行界面可以直观地了解现场污水处理工艺参数和设备运行情况，也可以根据实际生产需要发出相应的控制指令，由PLC根据控制程序对处理过程进行控制.为方便调试和检修，设有手动控制和自动控制两种方式.

图2 控制系统结构图

3 控制系统硬件设计

该污水处理控制系统选用西门子公司生产的S7-300 PLC作下位机.基于模块化设计的S7-300 PLC采用DIN标准导轨安装，安装简单，维护容易，各模块间能够进行各种组合和扩展.PLC选用CPU313C-2DP，它适合安装在分布式结构中，集成的数字量I/O可直接与过程连接.内置MPI接口可以最多同时建立8个与S7-300PLC或与PG、PC和OP的连接.通过集成的与过程相关的功能还可以实现其它应用如计数、频率测量和PID控制.

根据污水处理工艺控制要求，系统需要用到的数字量输入/输出点数为12/31，模拟量输入/输出点数为3/ 1.CPU313C-2DP集成的16 DI/DO并不能满足设计要求，需要在机架的相应槽位扩展I/O模块.选用SM322（DO16）和SM334（AI4/AO2）作为扩展I/O模块，各模块在机架上的配置如图3所示，图中数字1-5为机架槽号.

图3 模块配置示意图

4 控制程序设计

4.1 PID控制程序设计

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制.PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一.

根据工艺要求，需要对污水进水进行流量控制.PLC经AI采集流量计检测到的当前污水流量并进行PID运算，经PID控制运算后的控制量由PLC的AO输出到变频器的控制端，通过控制变频器的输出频率和水泵转速使流量控制在设定值（如图4所示）.

PID控制程序在组织块OB35中进行编写.程序中，除了调用PID功能模块FB41外，还需要创建三个功能即FC5、FC6和FC7，调用结构如图5所示.FC5用于实现模拟量输入数据转换，将原始值转换为工程量.FC5的输入值数据为WORD类型，输出值数据为REAL型；FC6用于实现模拟量输出数据转换，FC6输入值数据为REAL型，输出数据为WORD型；FC7用于实现手动控制时输入数据类型转换.

在FB 41内部，PID控制器的给定值、反馈值和输出值都是用0.0-100.0之间的浮点数表示，流量计检测到的流量数据经AI模块送入PLC并转换成0-27648的数字量.在PID运算前，必须将0-27648的数字量转换为0.0-100.0之间的浮点数（如图6所示）.同理，经PID运算后的输出数据需要进行上述数据转换的逆转换，然后经AO输出到变频器控制端，控制变频器输出频率.

图4 流量闭环控制系统结构框图

图5 OB35程序结构

图6 模拟量输入输出转换结构框图

4.2 污水处理控制程序设计

按照污水处理工艺流程，污水处理是按一定顺序逐步进行的，各个阶段处理工艺和控制要求都不同.根据各阶段的控制要求，在功能块FB和功能FC中进行编程，由组织块OB1调用功能块FB和功能FC.功能FC1、FC2、FC3和FC4分别编程实现粗格栅间、提升泵房、细格栅间和沉砂池的控制要求.

需要处理的污水是不断地流入污水处理厂的，一个SBR池的工作周期是8小时，并不能对所有污水进行实时处理，根据污水处理工艺过程，生产中建立了多个SBR池对污水进行处理，因每个SBR池控制要求相同，为了减少背景数据块的数量，采用多重背景功能块进行程序设计.使用多重背景时只需要建立一个背景数据块DB2，在FB2的变量声明表中声明静态局域数据（STAT）FB1，FB1编程实现SBR池的控制要求.功能块FB2用于调用作为“局域背景”的FB1，FB1的数据存储在DB2中，不需要单独给FB1分配背景数据块.

图7 多重背景程序结构

5 上位机监控系统设计

上位机以国产组态软件组态王为人机开发平台.打开组态王后，首先在工程管理器中新建工程，指定工程所在路径.双击进入工程浏览器，选择工程浏览器左侧大纲项“设备COM1”，在工程浏览器右侧双击“新建”，运行“设备配置向导”，选择“PLC西门子S7-300系列MPI（电缆）”.

整个监控系统共设有主画面、提升泵房、沉砂池、SBR池、历史曲线、报表和故障报警等个功能画面，各画面之间能够流畅自然地切换.污水处理主监控画面如图8所示，能实时动态地显示整个污水处理工艺过程及各阶段相关设备运行情况.提升泵房、沉砂池和SBR池能够生动形象地显示设备运行状态及现场仪表测量值.历史趋势曲线和报表画面用于显示和记录生产工艺中的一些重要参数，且报表能够根据需要打印数据.当系统中某个设备发生状况或水位过高时，会在故障报警窗口产生报警提示信息.

图8 污水处理监控系统主画面

6 结语

本文所设计污水处理控制系统以S7-300 PLC为主控制器，采用模块化结构编程，程序可读性强，维护方便，系统运行稳定.上位机人机界面美观、便于操作，生动形象地反映了污水处理工艺流程和设备运行情况.对于中小型污水处理厂而言，基于PLC的污水处理控制系统具有很好的应用前景.

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The Design of Sewage Treatment Control System Based on S7-300PLC

DAI Yu1,YANG Yun-fei1,REN Zhen-hua2,ZHANG Ying2,GAO Min2
(1.School of Electrical and Automation Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China; 2.Changshu Sewage Treatment Plant,Changshu 215500,China)

In order to solve the problems that sewage treatment control system has many variables and complexi⁃ties,this paper introduces a sewage treatment control system which uses Siemens S7-300 PLC and combines the corresponding I/O modules.In this system,structured-programming method is adopted to write the control program and the PID control algorithm is used to control the real-time sewage flow,which can reduce the energy consum⁃ing.The human-machine interface of the upper computer is easy to operate.Additionally,it can reflect the system process and the current statement of equipment’s operation.

sewage treatment;S7-300 PLC;PID;HMI

TP273

B

1008-2794（2012）04-0091-04

2012-03-29

戴羽（1989—），男，江苏泰州人，常熟理工学院电气与自动化工程学院测控专业学生.