西门子6ES7223-1BL22-0XA8技术介绍

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；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：

　　本文介绍的污水处理厂位于重庆某县城边缘，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；下位机采用西门子400系列和300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2004年12月全面完成调试，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，有效的节约能源）。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。


　　2、 tisheng泵的自动控制

　　控制描述如（图三）：

　　（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。

（图三）

　　（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（图四）。

（图四）

　　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（图五）

　　通过前面的描述，部分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：选用了西门子400和300系列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

（图五）

　　整个厂区共有2个PLC站及一个远程I/O站，硬件采用西门子400和300系列模块，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PLC1站，CPU、电源模块及以太网模块采用400系列，就地I/O站ET200及I/O模块采用300系列模块构成；在PLC2站，同样CPU、电源模块及以太网模块采用400系列，就地I/O站、远程I/O站ET200及I/O模块采用300系列模块构成，两个站分别装有现场触摸屏终端。下位机编程软件采用Siemens的STEP7 V5.12来完成，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。PLC1站处于配电房，有自己的就地I/O站和现场触摸屏控制终端；PLC2站处于回流泵井，有自己的就地I/O站和现场触摸屏控制终端，PLC2站的远程站处于进水tisheng泵房。


　　PLC系统模块主要配置如下表：

　　上位机有两套操作终端，共同反映现场情况，操作互不干扰，一套故障，另一套依然可以完成全部监控操作功能。监控软件采用华富Control2000来开发监控画面，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；


　　上位机部分监控画面如下图：

（ 图六：厂区工艺流程图）

（图七：设备控制盘）

（图八：开发调试阶段报表查询数据示例）

　　下位机采用西门子400和300单元 PLC，上位机用北京华富的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。


　　六、应用总结

　　该城市污水处理系统建成后，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，该系统的建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控制的污水处理厂。该污水处理厂高程度的自动化系统的应用将是一个很好的榜样。

　　1 引言

　　水源热泵空调系统是一种利用自然水源作为冷热源的空调系统，其核心技术是水源热泵技术。所谓水源热泵技术，是利用地球表面浅层水源所吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。河水、湖水、地下水等地球表面浅层水源吸收了太阳辐射的能量，水源的温度十分稳定。在夏季，水源热泵空调系统将建筑物中的热量转移到水源中，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量。在冬季，水源热泵空调系统从水源中提取能量，根据热泵原理，通过空气或水作为载冷剂tisheng温度后送到建筑物中。通常，水源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。由于水源热泵空调系统具有高效、节能和环保等优点，近年来得到了越来越多的应用[1][2]。

　　空调系统的控制主要分为继电器控制系统、直接数字式控制器（DDC）系统和可编程序控制器（PLC）系统等级几种。由于故障率高、系统复杂、功耗高等明显的缺点，继电器控制系统已逐渐被淘汰。DDC控制系统虽然在智能化方面有了很大的发展，但由于其本身抗干扰能力差、不易联网、信息集成度不高和分级分步式结构的局限性，从而限制了其应用。相反，PLC控制系统以其运行可靠、使用维护方便、抗干扰能力强、适合新型高速网络结构等显著的优点，在智能建筑中得到了广泛的应用。为了tigao空调系统的经济性、可靠性和可维护性，目前空调系统都倾向于采用先进、实用、可靠的PLC来进行控制[3]。

　　本文介绍和利时公司HOLLiAS-LEC G3小型一体化PLC在水源热泵空调控制系统中的成功应用，说明了HOLLiAS-LEC G3小型一体化PLC可以很好地实现中央空调智能化控制，达到减少无效能耗、tigao能源利用效率和保护空调设备的目的。



　　2 空调系统介绍

　　北京市某单位的办公楼采用水源热泵中央空调系统，总建筑面积8550m2，建筑高度20.5m，其中空调面积约6840m2。地下1层为各种设备房和操作间，地上1层为职工食堂、大厅和会议室，地上2～6层为商业办公用房。



　　室内温度和相对湿度等技术参数的设计要求如表1所示。水源热泵中央空调系统的设计制冷量为860kW，制热量为950kW。空调的主机系统由四台压缩机组成，水源水系统由取水井、渗水井和水处理设备组成。

表1 室内技术参数的设计要求

　　3 控制系统硬件设计

　　该水源热泵中央空调系统主要是根据蒸发器和冷凝器进出水温度的变化来控制4台压缩机的启停，使水温稳定在设定的范围内。4台压缩机分成A和B两组，每组各有2台压缩机。系统的I/O点分配如表2所示，其中开关量输入点6个，模拟量输入点4个，开关量输出点5个，模拟量输出点1个。

表2 系统的I/O点分配表

　　根据输入和输出的要求，该水源热泵中央空调系统的控制器选用和利时公司具有自主知识产权的HOLLiAS-LEC G3小型一体化PLC。考虑到此系统需要一定的备用I/O点，CPU模块选择带有24点开关量的LM3107，其中开关量输入14点，开关量输出10点。模拟量输入模块选用四通道热电阻输入模块LM3312，模拟量输出模块选用两通道模拟量输出模块LM3320。PLC的人机界面选用EView触摸屏。PLC控制系统及相关设备的组成如图1所示，这些配置完全能够满足系统的要求[4][5]。

图1 PLC控制系统的组成

　　4 控制系统软件设计

　　控制系统的主要功能是对热泵进行自动启停，显示温度、压力、liuliang等运行参数，显示压缩机的工作状态，记录设备的运行时间和故障原因，实现对水源热泵中央空调系统的智能控制。从控制系统的主要功能出发，为了增加程序可读性和减少程序代码，PLC程序采用了主程序调用功能块、功能块调用函数的程序结构。PLC程序由1个主程序、11个功能块子程序和1个函数组成，其调用关系如图2所示。程序编译码占用空间为30K。

　　程序设计的思路是，当PLC上电后，一直进行温度、压力、liuliang等运行参数的检测，这些检测主要在检测程序、故障程序和A/B组故障停机程序中完成。如果相关参数均无异常，则开机功能块子程序运行，启动压缩机。在开机过程中，同时进行温度判断。如果温度达到了设定值，则进入调节功能块子程序，停止开机功能块子程序，完成开机。根据温度的变化，调节功能块子程序控制压缩机的启停。变频器的控制则是通过调用加载程序和降载程序来实现。

　　在这些程序中，为了满足压缩机的使用要求，调节功能块子程序是繁琐的，例如压缩机的启动时间要小于30秒、压缩机每小时的启动次数不要超过5次等。为了平衡压缩机的运行时间，增加空调的使用寿命，传统的程序设计采用先启先停、先停先启、开机过程中启动次序轮换等控制方法，来协调压缩机的运行时间。但是，如果本系统采用这种方法，则仍然存在某一台压缩机运行时间过长的问题。因此决定对传统方法进行改进，采用随机启停的控制方法代替先启先停、先停先启的控制方法，解决了压缩机的运行时间不平衡的问题。

图2 程序调用关系图

　　人机界面选用EView触摸屏，首页如图3所示。输入密码后，点击功能菜单，在弹出的快捷窗口中，可以选择参数查询、运行时间、故障查询、运行状态、参数设定、调节显示、操作界面等子菜单，进行相关的操作和显示。

图3 人机界面首页

　　5 结论

　　采用传统的继电器控制系统来实现热泵的控制，由于机械接触点很多，接线复杂，参数调整不方便，而且机械接触点的工作频率低，容易损坏，可靠性差。采用直接数字式控制器（DDC）虽然可以减少接线，可靠性有所tigao，但由于DDC其本身的抗干扰能力差、不易联网、信息集成度不高和分级分步式结构的局限性，因此，越来越不能满足复杂多变的智能控制要求。

　　采用PLC来控制热泵系统，不仅可以通过编程实现复杂的逻辑控制，而且可以在很大程度上简化硬件接线，tigao控制系统可靠性，用户操作界面友好，信息集程度高，便于实现智能控制。因此，在热泵空调领域，PLC控制系统取代DDC控制系统是必然趋势