西门子6ES7212-1BB23-0XB8选型说明
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；三峡库区水环境保护事关三峡工程长期安全运行和长江中下游地区经济社会的可持续发展，因此受到国内外广泛关注，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。
系统简介：
重庆巫山污水处理厂位于巫山县城边缘，厂区紧邻长江流域，处于三峡库区腹地，该污水处理厂采用的是改良型Orbal氧化沟工艺，日处理污水量3万吨，厂区主体构筑物有：综合楼、配电房、进水tisheng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；下位机采用施耐德电气的Premium 系列PLC，上位机采用北京华富Control2000监控软件。该厂自动控制系统于2006年7月11日全面完成调试，目前系统运行正常。
污水处理系统详述：
一、Orbal氧化沟工艺介绍如（图一）
图一 Orbal氧化沟工艺简图
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tisheng泵将污水tigao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。
二、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，有效的节约成本）。控制过程如（图二）
图二
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。
图三 tisheng泵控制原理图
图四
2、 tisheng泵的自动控制
控制描述如（图三、四）：
(1) P1—变频器，BU1—软启动器，PT—超声波液位计，ZJ1、ZJ2—用于控制系统的MCC/PLC转换。
(2) 由图可见，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。
(3) 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。
(4) 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。
(5) 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。
(6) 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tisheng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tisheng泵的安全，系统设置了tisheng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，达到脱磷脱氮的目的。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。
曝气供氧系统是由鼓风机、电动调节阀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鼓风机的开启程度，维持溶解氧浓度值在一定的范围内变动。控制流程如（图五）。
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。
四、系统构成如（图六）
通过前面的描述，设备的控制还是比较复杂的，为达到以上的设备自动控制要求，该工程基本构成如下：
下位机：选用了施耐德 Premium PLC来做系统
上位机：选用了北京华富Control2000软件
中间协议：采用Simatic TOP Server，衔接上、下位机，进行数据交换
整个厂区共有3个PLC站，硬件采用施耐德电气Premium PLC，分别用光纤及光纤交换机，采用星型连接方式构成以太网络连接至中控室，在PLC2站，现场电力仪表采用Modbus通讯方式实现数据的采集；软件采用施耐德的PL7Pro，根据控制要求开发程序，完全可以实现前面描述的控制要求。三个站分别处于进水泵房、配电房、脱水机房，基本配置如下：
| PLC1站 | 施耐德电气Premium PLC | ||
电源模块 | TSX PSY2600M | 1 | 块 |
CPU模块 | TSX P57 2623M | 1 | 块 |
扩展存储卡 | TSX MFP128P Flash EPROM 128K | 1 | 块 |
模拟量输入模块 | TSX AEY 800 | 2 | 块 |
模拟量输出模块 | TSX ASY 410 | 1 | 块 |
开关量输入模块 | TSX DEY 32D2K | 2 | 块 |
开关量输出模块 | TSX DSY 16T2 | 2 | 块 |
PLC机架 | TSX RKY 8EX | 1 | 个 |
| PLC2站 | 施耐德电气Premium PLC | ||
电源模块 | TSX PSY2600M | 1 | 块 |
CPU模块 | TSX P57 2623M | 1 | 块 |
扩展存储卡 | TSX MFP128P Flash EPROM 128K | 1 | 块 |
模拟量输入模块 | TSX AEY 800 | 3 | 块 |
开关量输入模块 | TSX DEY 32D2K | 3 | 块 |
开关量输出模块 | TSX DSY 16T2 | 2 | 块 |
PLC机架 | TSX RKY 8EX | 1 | 个 |
| PLC3站 | 施耐德电气Premium PLC | ||
电源模块 | TSX PSY2600M | 1 | 块 |
CPU模块 | TSX P57 2623M | 1 | 块 |
扩展存储卡 | TSX MFP128P Flash EPROM 128K | 1 | 块 |
模拟量输入模块 | TSX AEY 800 | 1 | 块 |
模拟量输出模块 | TSX ASY 410 | 1 | 块 |
开关量输入模块 | TSX DEY 32D2K | 2 | 块 |
开关量输出模块 | TSX DSY 16T2 | 1 | 块 |
PLC机架 | TSX RKY 8EX | 1 | 个 |
上位机采用华富Control2000来开发监控画面进行监控：根据工艺绘制流程图，显示所有相关测控仪表的实时值；建立全厂的中心监控系统平台，使操作员能随时监视全厂运行状态，并对设备操作发出控制指令；建立历史数据查询系统和重要数据保存系统，并能对日报表、月报表、年报表进行打印；建立全厂设备的安全报警系统；
图七：厂区工艺流程图
图八：设备控制盘
图九：开发调试阶段报表查询数据示例
下位机采用施耐德电气Premium PLC，上位机用北京华富德Control2000，二者之间的标签连接及数据通讯必须有一个统一的协议驱动，本工程采用的是SIMATICA TOP SERVER来实现的，报表查询系统采用VB6.0来开发外挂程序实现报表的实时查询。
五、该工程自控系统的特点
1、技术先进：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：选用的自动化产品绝大部分来自国外品牌，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采用施耐德的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，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。
六、应用总结
该城市污水处理系统建成后，施耐德电气Premium 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，该系统的形成投运无疑给长江流域、三峡库区的环保事业作出了贡献，希望在长江流域沿线有更多的采用自动化程度高的污水处理厂。巫山污水处理厂的施耐德电气Premium PLC系统的应用将是一个很好的榜样
1 引言
ABB公司在收购了贝利（Bailey）公司后，将它旗下的多款控制系统整合到了以工业IT为基础，针对目标技术的先进800XA系列控制系统中。在继续为国内的电力，冶金，石化，造纸等行业提供整体的解决方案以外，已将它旗下的一款已有十几年发展历史的中小型控制系统AC31作为产品引入中国。目前在此基础上推出更为先进的AC500系列，可为国内的系统集成和OEM等通用的应用提供更多的选择。本文将介绍此系统及其在污水处理中的应用。
2 AC500控制系统介绍
AC500系统由CPU主模块、通讯模块、CPU底板、I/O模块和端子板、FBP远程I/O接口模块和端子板，CPU等组成。如图1所示。
2.1 CPU主模块
CPU有PM571、PM581 和PM591三个不同的等级。均带有：LCD显示、操作按键、一个SD卡的扩展口和两个集成的串行通讯口。CPU可直接插在CPU底板上，底板可选择集成以太网或者ARCNET网络接口。此外，保留的CS31的通讯接口是考虑到了和AC31等ABB公司其他系列PLC的兼容性。
2.2 通讯模块
除了CPU上集成的通讯接口外，每一个CPU上还可多扩展4个通讯接口。这4个通讯接口可扩展为任意的标准总线协议。CPU上集成的两个Modbus通讯接口和可选集成的以太网或ARCNET局域网络接口外，通过通讯扩展接口还能扩展 ProfibusDP-V1、DeviceNet、CANopen和以太网等总线接口。
2.3 I/O 模块
输入/输出模块有模拟量和开关量两大种类。每个输入/输出模块均可直接插到端子板上，CPU本地和通过FBP分布式扩展的子站，可大扩展到7个输入/输出模块。
2.4 FBP 远程I/O接口模块
这种模块集成了一定数量的开关量输入/输出，并且通过它实现和CPU 的通讯和分布I/O。这个分布模块后面又可大扩展7个输入/输出模块。
2.5 AC500 Control Builder 编程
AC500 Control Builder 编程是一套可对所有系列AC500 CPU进行编程的工程工具，这套编程软件符合IEC61131-3的，可支持五种不同的编程语言：
（1）功能块（FBD）
（2）语句表（IL）
（3）梯形图（LD）
（4）结构文本（ST）
（5）顺控图（SFC）
这套软件可完成AC500系统的全部设置，包括所有的总线接口，而且还有全面的自诊断功能、报警处理、可视化调试工具和开放的数据接口。此外还可以提供离线仿真,变量跟踪功能,配方管理和监视列表,可视化的调试工具,通讯接口的设置,开放的数据接口,工程接口。
3 SBR污水处理工艺介绍
序批式活性污泥法简称SBR (Sequence Batch Reactor)法，是早期充排式反应器的一种改进。随着自动控制水平的tigao，SBR法引起人们的重新重视，并对他进行了更加深入的研究与改进，自1985年我国座SBR处理设备在的投产，目前已经广泛的应用在工业污水和城市污水的处理中。
SBR工艺的基本操作流程由进水，反应，沉淀，出水和闲置等五个基本过程组成，从污水流入到闲置结束构成一个周期，在每个周期里上述过程都是在一个设有曝气或搅拌装置的反应器内依次进行的。
SBR工艺系统组成简单（如图2），不设二沉池，曝气池兼具二沉池的功能，无污泥回流设备。SBR具有效率高，脱氢除磷效果好，防止污泥膨胀性能强，耐冲击负荷和处理能力强等优点。
4 基于AC500的SBR自动化系统
污水处理厂的自动控制系统由三级分布式集散控制系统组成（如图3）。
级—监控管理，由中央控制室的操作站实现;第二级—过程控制，由现场的各分系统或成套设备的控制系统实现; 第三级—单机就地控制，由现场电气控制系统实现。级采用工控计算机作为上位机,以TCP/ IP工业以太网与PLC 系统通讯,实行集中控制。通过工控软件实时监视全厂工艺参数变化、设备运行、故障发生等情况，同时负责日常报表打印、事故打印和数据记录等。
第二级以AC500 PLC系统作为现场控制核心,从系统扩容及维护考虑,按场区配置分站PLC ,通过AC31网与所属I/O子站通讯对liuliang、液位、pH 值、电机等参数进行采集、控制。
第三级采用ABB公司的AC31系统产品组成I/O子站,采集现场参数,执行上一级PLC主站的控制命令。系统可靠性高、通用性强、网络联接简单方便,能够较好地实现对污水处理工艺过程的控制,达到工程应用的要求。
4.1上位计算机与PLC的主站通信
由于污水处理控制对象多且分散,生产工艺流程复杂,如果采用集中控制方式,则必须采用多套系统,相互之间没有联系,无法对整个工厂进行整体监控,并且投资大,所以本系统采用分布式集散控制系统,将管理与控制分离。上位计算机选用HP工业PC机,预装北京昆仑通态公司的MCGS 5.5通用版。可任意调入各工艺图、运行表、设定表和控制表，工艺图以图形的方式显示各个工段的工艺流程和数据。同时，具有工艺流程画面实时显示、报表打印、历史数据与趋势数据等功能,并能根据控制的需要直接设定现场的相应参数。例如，泵站的变频器的恒定水位，报警水位，停泵水位的设定，排泥时间的设定等。下位控制系统由1台AC500系列PLC及其相应外围设备组成,它们置于中央控制室。PLC主站把从I/O子站接收到的数据通过Ethernet LAN上传到上位工控计算机。本系统的Ethernet LAN是以ABB PLC提供的标准工业以太网TCP/IP通讯模块(TB521-ETH)来实现的,传输速率为10Mbit/s ,介质为屏蔽双绞线,网络无任何特殊要求,上位机只需一块普通网卡即可实现通讯。
4.2 PLC主站与远程I/O子站的通信
1#～8# I/O子站分别选用AC31系统的远程扩展模块（ICMK14 N1-24DC）, I/ O子站置于污水控制现场, 就近控制所属设备,形成分散控制的能力,并采集现场设备的运行状况和故障信息,通过CS31总线联接到PLC主站 ,CS31总线是一种点对多点的RS485串行通讯。每个通讯系统由一个主站和大31个从站组成。通讯距离不加中继为500米，加中继大可达到2000米。通讯介质为屏蔽双绞线。以PLC主站与I/O子站为例的通讯网络框图如图4。
PLC主站通过CPU(PM581)上保留的CS31通讯接口、CS31通讯总线与I/O子站（AC31远程扩展模块）构成高速对等通讯网络,随时采集现场设备的运行状况和故障信息,并上传上位工控机 ,形成集散控制。
5 结束语
以本文的研究结果为基础设计的技术方案,在浙江某生活污水处理厂具体实施。实际的运行结果表明,其设计结构合理,安全可靠,控制精度等技术性能指标满足了生产的实际需要，性价比很高。
