西门子PLC模块6ES7315-2FJ14-0AB0型号规格

一 、引言

随着我国的社会和经济的高速发展，环境问题日益突出，尤其是城市水环境的恶化，加剧了水资源的短缺，严重影响着人民群众的身心健康，这些情况已经成为城市可持续发展的严重制约因素；我国现阶段很多大中型城市的废水排放量大，已造成城市地表水的严重污染；但目前各城市仍然是直接排放污水或因水处理自控系统不完善没处理好就把污水排放了，很多操作和检测监控过程仍停留在人工阶段，监控时间覆盖率低，手工采集样品缺乏科学性和代表性，难以反映企业和城市污水处理及排放连续变化的情况。大范围的建立污水处理系统及在线自动控制监控体系，势在必行。

二、系统要求

本文介绍的污水处理厂位于重庆某县城边缘该污水处理厂采用的是典型Orbal氧化沟工艺，日处理污水量5万吨，厂区主体构筑物有：综合楼、配电房、进水提升泵房、粗细格栅井及旋流沉砂装置、Orbal氧化沟、终沉池、污泥回流剩余泵井、脱水机房等；整个厂区设备及阀门均采用MCC和PLC两种控制方式，正常情况下可以实现仪表、PLC的完全自动检测控制及运行状况监控。

1、Orbal氧化沟工艺介绍

Orbal氧化沟水处理工艺起源于南非，后经不断改进和推广，在全球范围得到广泛应用。城市污水由管道集中后，水流首先经过粗格栅，将粗的垃圾去除，然后由提升泵将污水提高水头（后面工艺要求有高水头），再经过细格栅及旋流沉砂池，进一步去除小的垃圾和泥砂，污水进入水处理主体结构——氧化沟，污水在“O”型的氧化沟中经过曝气机调节曝气，使得污水得到缺氧、氧化、硝化、反硝化等反应，在该过程中完成BOD（生物耗氧量）、COD（化学耗氧量）的去除及污水脱氮的功能，并为下一步水的沉淀作好准备，经过氧化沟处理的水流入终沉池，加入Fe3+、或Al3+ 使得水中的（PO4）3- 得以沉淀，充分沉淀后，清水后经二氧化氯消毒后排入长江。沉淀的污泥经脱水机滤干后焚烧处理。

2、厂区主要设备控制要求

1>、粗细格栅机及其附属输送压榨设备的控制

定时控制：根据外来污水状况和运行经验，通过设定相关定时参数，自动控制格栅机的启动时间和停止时间。

液位差控制：在格栅机的前后均设置一台超声波液位传感器，检测出格栅机的前后液位差。设定低液位差LDF2和高液位差LDF1，当检测到的液位差大于LDF1时，启动格栅机；当检测到的液位差低于LDF2时，停止格栅机（减少了运行时间，有效的节约能源）。控制过程如:

格栅附属设备的联动：

皮带输送机和压榨机作为格栅机的附属输送压榨设备，它们在定时或自动运行模式下，一般与格栅机联动。附属设备适当的提前或延时运行。

2>、 提升泵的自动控制

控制描述如：

（1）变频器连接在台水泵电机上，需要加泵时，变频器停止运行，并由变频器的输出端口RO1～RO3输出信号到PLC，由PLC控制切换过程。

（2） PLC根据泵池液位高中低信号自动调节三台泵的启停；泵池水位到预设的低水位时启动1#泵，水位上升到预设的中水位时，1#泵由变频运行转换到工频运行，这时再变频启动2#泵，依次启动到3#泵。

（3） 切换开始时，变频器停止输出（变频器设置为自由停车），利用水泵的惯性将台水泵切换到工频运行，变频器连接到第二台水泵上起动并运行，照此，将第二台水泵切换到工频运行，变频器连接到第三台水泵上起动并运行。

（4） 水位下降需要减泵时，系统将第三台水泵停止，第二台水泵切换到变频调节状态。水位继续下降，系统将第二台水泵停止，台水泵切换到变频调节状态。

（5） 另外，设置软启动器作为备用。当变频器或PLC故障时，可用软起动器现场手动轮流起动各泵运行以保证供水。作为多台提升泵的自动控制，满足先启先停的原则，以优化资源的利用率；为了提升泵的安全，系统设置了提升泵的干运转保护；同时，系统还设置了泵的频繁启停保护，群启动保护等，以延长其使用寿命。

3>、曝气系统的自动控制

生化池作为全厂污水处理的核心，具有举足轻重的作用。污水经过预处理后，在这里通过微生物吸附污水中的有机物，达到除磷脱氮的目的。对生化池的自动控制，主要是溶解氧浓度的控制。

曝气量自动控制系统作为一个恒值控制系统，系统给定一个保持不变的佳溶解氧值，通过PLC控制调节输出量（即曝气机开启台数），使被控量（实测氧化沟溶解氧浓度）不断地接近给定值。在这个系统中，要求稳定性和动态特性良好，被控量向给定值过渡的时间短，同时过程平稳，振荡幅度小。

曝气供氧系统是由曝气机和溶解氧仪共同组成的闭环系统，为反应池好氧段提供氧气，并维持好氧过程的溶解氧浓度值。依照好氧过程的溶解氧浓度值控制曝气机开启台数，维持溶解氧浓度值在一定的范围内变动。控制流程如。

三、控制模式

手动模式：手动模式又可以分为盘柜模式和就地模式。盘柜模式就是通过MCC上的按钮实现对设备的操作；就地模式就是通过现场控制箱上的按钮实现对设备的操作。

遥控模式：就是通过中心控制室上位操作站实现对设备的操作。

自动模式：设备的运行完全由各PLC根据污水厂的工况及工艺参数来完成对设备的启停控制，而不需要人工干予。

该工程自控系统的特点

1、技术**：现代化的工厂要求与时俱进，该自动化控制系统无论是从使用的profibus-DP现场总线、通讯网络、可编程控制器、组态软件，还是从自动化控制技术来讲，都具有时代性。

2、稳定可靠：选用的自动化产品来自国外品牌，建立的自动化控制平台，经过严格的测试，可以保证系统稳定可靠地运行。

3、自动化程度高，使用简单：对于全厂的控制中心——中心控制室上位界面，采用全中文的设计界面，立体三维流程图形来表达工艺，便于操作员掌握；同时下位机PLC采用西门子的PLC，系统稳定性好，自动化程度高，整个系统维护量小。

4、开放性：该系统采用的现场总线是国际通用的具有开放协议的现场总线和接口，同时各控制站均留有I/O余量，以便于以后系统的改造和扩展。

5、安全性：该系统采用全面的设备保护体系，包括潜水泵的干运转保护、自控平台的防雷保护、进水水质异常保护、报警系统等，以防止因为某些意外或操作员的疏忽而发生事故。

四：应用总结

此系统采用：四门子CPU，UniMAT扩展模块4AO（2个），4AI（4个），数字量一个，在完成此项工程后，PLC系统运行稳定，采集数据准确快捷，控制的重要设备运行安全，程序开发好后，其维护量几乎为零，同时个人感觉该PLC现场安装、与其它设备的接口等均方便好用，系统投运后，自动化程度高，工作人员维护量小，出水水质能达到国家规定的标准。

外场光电测控是一种野外环境下进行的远距离非接触式的测量，系统由于本身所含分系统数量多，通信复杂，无法实现光电测控系统的统一控制，完全发挥其自身功能。针对通信方式多样化以及对于某些外场中具有危险性的测量试验、气候条件不适合人员操作的恶劣环境，设计了基于以太网络的远程测控系统完成测量试验。

通过网络进行测量和数据采集，数据处理中心可以远程监视试验过程、获取试验数据，是测控系统网络化的发展趋势。这种方式使测控跨越了空间和时间的界限，与传统仪器和测控方式相比，是一个质的飞跃，而且还能实现测控设备和测控信息等测控资源的共享。

1 系统体系结构

由于C／S（客户端／服务器）模式交互性强，实时性和灵活性好，具有强壮的数据操纵和事务处理能力，采用的协议其专用性和封闭性使得整个C／S模式系统相对安全，所以本系统采用TCP／IP协议，基于C／S的操作模式。这种方式隐含了客户端／服务器间硬件资源的不平等以及通信时的非对称性。在实际测控中，多台光电测控设备在不同站点同时进行测量，数据处理中心对多个测量站进行协调和监控，即为一客户端对多服务器的结构（客户端为数据处理中心）。

由于系统要求保留原有的本地控制功能，而且基于以太网的远程测控因网络传输不能达到十分严格的实时控制要求，因此，本方案采用保持型与完成型结合的远程监控方式，将客户端置于反馈回路之外。远程测控原理如图1所示，客户端监控程序发送控制命令和试验参数给服务器端设备控制程序，设备控制程序通过本地总线完成设备的运动控制和测量操作，并将执行结果返回给客户端用户。客户端控制各测现场试验过程的进行并全程监控，一方面，利用UDP协议和双缓冲技术，对测量现场计算机的工作状况进行监控，另一方面，每台光电测控设备配有彩色监视摄像机，客户端用户可以通过传回的图像了解测量现场概况。必要时可以修改试验参数，对试验过程进行干涉，客户端还可以通过网络采集设备状态信息，进行远程诊断。
图2 客户端与服务器端程序交互流程图

2.1.1 多线程并发技术
在远程测控过程中，会有大量的图像及数据文件需要传输，网络通信必然会对需要同时进行的数据转换、数据处理及人机交互产生影响。多线程技术可以提高客户机与服务器的并发处理能力，更有效地解决了网络传输阻塞问题，避免部分阻塞操作对人机界面的影响并提高程序的运行效率。本系统中客户端和服务器均使用一个用户界面线程和多个辅助工作线程相结合的设计。服务器端多线程主要完成监听连接、命令处理、采集、数据转换和数据传输，客户端主线程负责窗口信息和界面的维护，工作线程负责数据接收、数据的显示及处理等功能。
2.1.2 系统通信协议
从客户端连接服务器然后开始远程实验，直到试验结束，整个过程中，客户端和服务器的数据交换是程序的重点问题。客户端要向服务器传递试验信息、控制参数、各种服务请求，服务器要向客户端传递试验结果、系统状态、查询试验结果等。程序必须保证所有的数据有条不紊地传递而且可以被对方正确地接收和存取。然而，在Winsock基础上开发的服务器与客户端之间传送的只是字节流，要进行控制就必须将这些字节流转换为有意义的控制指令信息，因此必须约定双方数据通信的协议。
通信协议的复杂程度取决于控制系统的复杂程度，分为客户端协议和服务器协议，主要交互命令控制、命令响应及图像数据等，表1列举了简单的命令控制协议和图像数据传输协议。

表1 控制协议与图象数据传输协议

2.2 系统实现

控制命令的数据量比较小，且要求传输可靠性高，实时性好，在对单台和多台服务器控制过程中使用灵活，数据文件也要求传输的高可靠性，因此本系统在传输层选择TCP协议。基于TCP协议的Winsock技术是C／S模型中的核心技术，有阻塞和非阻塞两种方式。阻塞方式使用简单，当收发函数在被调用后一直要等到传输完毕或出错才能返回，阻塞期间，除了等待网络操作的完成不能进行任何操作；非阻塞方式又称异步方式，数据收发函数调用后立即返回，当网络传输完成后，Winsock给应用程序发送一个消息，通知操作完成，可以根据发送的消息传出的参数判断操作是否正常，这种方式下，关键的问题是如何确定网络事件何时发生。Winsock提供了一种WSAEventSelect异步L／O模型，它是经由事件对象句柄通知的，允许应用程序在一个或者多个套接字上接收基于事件的网络通知，接收FD_XXX类型的网络事件。

另外，利用多线程进行程序设计时，要充分考虑到并发性、安全性等问题，才能提高程序及系统的效率。在bbbbbbs环境提供的一系列同步措施中，事件对象是比较灵活的，有受信和非受信两种状态，只有事件对象受信才能激活线程工作。

下面代码示例了服务器端利用Winsock技术以异步方式接收到控制命令，按定义的协议对命令进行解释，触发线程执行相应的采集操作。



3 结束语

本系统根据Winsock编程原理，结合多线程编程技术，针对外场光电测控设备实现的远程测控系统，通过在专用工具软件中添加相应的远程控制命令，实现了不能或不适合直接由人工完成的操作，既可以提高效率又可以减少不必要的人员伤亡，在实际应用中效果良好。这也为外场测控系统的网络化奠定基础。