PLC 和变频调速技术在污水处理中的应用
导读：应用PLC 技术、变频技术和网络技术，通过SIEMENS 公司的CP340模块将分散的工业设备组合成强大的工业网络，实现了工业过程精确控制、智能诊断、实时监控和生产的高效管理。本文以污水站为例，介绍了控制系统硬件、软件设计。
关键词：PLC变频调速，精确控制
1. 引言
火力发电厂工业废水水量大，污水种类较多，水质差别较大，为了最大程度实现废水的重复利用和节约废水处理成本，火力发电厂工业废水处理系统一般实行清污分流处理。采用PLC将分散的工业设备组合起来形成智能工业网络，实现了污水处理的精确控制、智能诊断和实时监控。
2. 现代化污水处理系统的基本要求
2.1 远程采集与集中监控
工业污水处理设备分布于不同的车间或区域，使得控制系统I/O点特别分散。为减轻工人劳动强度和实现无人值守自动化监控，就需要控制系统能够实现数据的远程采集和设备的集中监控。控制核心设备对现场设备进行本地或远程的自动控制，并对工艺流程进行全面、
实时的监控显示，为生产、调度和管理提供必要的数据。
2.2 控制核心高度集成化、模块化
控制系统高度集成化、模块化，系统能够满足数据采集与传输、逻辑运算，数据处理的要求。污水处理大部分是对输水泵和配水泵的逻辑控制，闭环控制只用在出水压力控制上，而逻辑控制是可编程序控制器PLC的传统应用领域。PLC不仅能够采集开关量信号、完成逻辑控制，其强大的模块化设计还可以扩展模拟量采集模块、通信模块完成不同数据的采集和保证数据的及时传输，另外PLC兼容性高、抗干扰能力强、功能扩展简单，因此使PLC成为目前工业控制系统的首选控制器。
2.3 自我诊断、报表生成、自我恢复等智能化功能通过对控制系统数据采集进行分析处理，判断系统运行情况，记录系统实时数据。当系
统根据采集数据分析判断设备故障时，控制器自动运行保护程序，发出声光报警信号并生成报表。当技术人员排除现场设备故障后，控制器根据操作人员操作信号，自动恢复系统运行。目前先进的控制系统可以根据系统故障级别和分类，将故障信息分类发送到各个部门。
2.4 可靠、高速的传输介质
分布式智能控制系统的基本条件是具有可靠、高速的传输介质。传输介质目前有屏蔽双绞线、光纤、无线电台、工业以太网等形式。随着各种仪表的智能化，大多数智能仪表都带有通信接口和控制器连接，采用通信的方式，通过传输介质一次性采集多组数据成为智能仪
表的发展方向。
3. 控制系统硬件设计
污水处理站环境恶劣，操作和维护人员应在中控室完成对整个污水站监控，并根据现场状态及时维护。污水站控制系统由PLC、变频器、压力传感器及上位机组成。本系统的控制核心为SIEMENS S7-300，硬件主要由电源、CPU、数字量输入输出、模拟量输入、通信单元等模块组成。控制系统主要完成数字、模拟信号采集，逻辑分析和控制，数字、模拟信号输出，数据通信控制等功能。变频器根据管网压力结合自带PID功能对电机进行调速，保持管网压力恒定。控制系统及污水处理状态采集到PLC中，通过WINCC在工业计算机实时显示。
4. 控制系统软件设计
程序的编制采用模块化结构，针对污水处理的特点，把程序设计为电机控制子程序、参数采集程序、系统报警子程序和安全保护程序等。主程序设计结构如图1所示，控制系统核心为电机控制程序。由于本系统设备比较集中，主控制采用SIEMENS公司S7-300控制器，因此系统采用SIEMENS通信模块CP340将污水处理各个单独的设备组成工业网络。CP340通信处理是Siemens公司提供的串行通信的低成本解决方案，它可以在SimaticS7-300和ET200M机架中使用，是Siemens公司PLC与其他智能终端进行数据交换的桥梁。系统通信子程序是软件中的重要部分，对变频器和反应池的检测和控制、故障代码采集都采用通信的方式，一根通信电缆一次性采集、传输多组数据，减少电气连线和信号干扰，已成为智能仪表的发展方向。该通信模块提供了三种不同形式的传输接口：①、RS232C，②、20mA(TTY),③、RS422/RS48但每个CP340只提供一种接口形式。该模块可以实现三种通信协议ASC II码，3964(R)和打印机驱动，通过集成在STEP 7中的参数化工具可进行简单的参数化，其设置主要包括通信方式(波特率、数据位数、停止位数和奇偶校验)、接收帧结束方式、接口方式等，编程人员要关注的是根据智能仪表的通信协议编写程序。CP340使用自由口模式与这些设备进行信息互换。自由口通信是通过用户程序控制通信口的操作模式。利用自由口模式，可以实现通信连接多种智能设备。STEP 7中的功能块FB2(P_RCV)和FB3(P_SEND)是系统自带的专为CP340提供的通信功能块，利用STEP7自带的功能块可以减少编程时间降低编程难度。采用CP340主从站、半双工的通信方式时，通信子程序应考虑：①、采用半双工的通信方式，在每个时刻总线上只能有一个站处于接收或发送状态。由于主、从站的工作方式为主站主动、从站完全被动，所以在程序中当主站成功发送完控制命令后，应该给予从站足够的时间反应主站命令。②、对每次接收的数据都应该进行校验，保证接收的数据的正确性从而避免系统发生误动作。③、当诊断系统出现错误立即置位标识位，给出相应的报警信息，并且根据报警信息自动对该报警信息给予分类，对重故障作停车检修。设备故障时，对此设备停车并且屏蔽此设备，程序将不再访问该设备，这样可以大大节省由于多次重复对故障设备通信所带来的程序执行时间过长。④、每次发送新信息前，确保接收缓冲器中的内容取走，并且应对接收缓冲区和接收缓冲区清零。CP340与各智能设备通信程序流程如图2所示。电动机控制程序依据管网实际压力值，自动切换电机(即变频器频率出现工频或者最低PI调节频率时)。因此采集的管网压力值的可靠性尤为重要，压力取自管网的压力传感器，其传输线较长，并且经过干扰较大的变频器等设备，所以在使用双绞屏蔽线的基础上必须经过软件滤波等处理。精确判断管网压力，大大减少了切换泵的次数，且采用了变频器不仅提高了系统的安全性也克服了电机起动时的大电流冲击。系统报警子程序是对系统所有的告警信号处理程序，例如电源故障、蓄水池水位超限、电动机温度超温、变频器故障和PLC模块故障等。由于选用了具有中断能力的数字量和模拟量输入模块，所以当硬件检测到现场故障信号时，便自动执行硬件中断处理程序块(OB40)，对故障进行判别并按故障级别作相应处理。
5. 污水站系统特点
(1)可靠的控制策略。远程自动控制、远程手动控制、就地控制三种控制方式保证系统安全启停。变频器、电机等设备都具有独立的控制且能够相互备用，即可以在自动方式下实现任意组合的连锁控制，又能在手动方式下独立控制。
(2)形象的监控见面，强大的报表功能。工业控制计算机显示污水处理工艺流程图、设备运行情况、运行趋势图、故障报警画面等。操作人员通过这些画面可以全面的了解污水处理运行情况，方便对设备进行操作。大大降低操作人员工作强度。
6. 结束语
基于PLC、变频器等设备组成的污水处理工业网络，很好的满足了现代化污水处理需求。采用Siemens公司的S7-300系列控制器网络功能实现了数据远程采集与集中监控功能，大大降低了污水处理成本，目前该系统运行效果良好。
参考文献
[1] 李守军, 陈颖. 西门子CP340 模块在天津城市供水过程中的应用[J]. 水电自动化与大坝监测,2006,30(2):75-77.
[2]孙海维. SIMATIC 可编程控制器及应用[M].北京:机械工业出版社,2005.
[3]满永奎.通用变频器及其应用[M].北京:机械工业出版社,1995.
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