基于西門子S7-1500冗余PLC的污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了一種基于西門子S7-1500冗余PLC的污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)，包括該項(xiàng)目的軟硬件設(shè)計(jì)、上位機(jī)WINCC的應(yīng)用以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

（一）項(xiàng)目概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程越來越快再加上人們生活水品的提高，工業(yè)以及生活污水的排放日益增多，如何才能保護(hù)水資源讓其循環(huán)利用達(dá)到節(jié)能減排，是目前急需解決的，正是污水處理項(xiàng)目對(duì)水資源的改善以及人民生活水平的提高有著重大的意義。而冗余的控制系統(tǒng)可以減少故障停機(jī)時(shí)間提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，將大大提高污水處理的效率。

此項(xiàng)目是四川省樂山市井研縣第二污水處理廠，工程范圍為污水處理自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、供貨、安裝、編程調(diào)試，包含廠區(qū)主站控制系統(tǒng)，中控室上位機(jī)，將廠區(qū)第三方設(shè)備預(yù)留的硬接線以及通訊接入總控室，組成污水處理系統(tǒng)（包含深床反硝化、精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)等），主要采用了西門子1515R冗余PLC，每日可以穩(wěn)定處理22000t污水。

（二）工藝流程

此污水處理采用了多級(jí)的生化反應(yīng)處理、高效沉淀、深床反硝化以及接觸消毒，污泥采用了濃縮、脫水以及壓濾等進(jìn)行處理。該廠工藝流程如下圖所示：

（三）選型方案

根據(jù)污水處理廠現(xiàn)場(chǎng)情況，主要有以下需求：

（1）需采用冗余系統(tǒng)、包括控制器冗余、電源冗余以及不間斷電源，保障在部分硬件出現(xiàn)故障能夠及時(shí)切換到備用模塊，在工廠出現(xiàn)斷電異常保障系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠且連續(xù)的運(yùn)行。

（2）IO點(diǎn)數(shù)有大于15%裕量。

（3）兩臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制柜可操作。

（4）中控室遠(yuǎn)程監(jiān)控以及操作，包含兩個(gè)操作員站以及一臺(tái)工程師站。

PLC系統(tǒng)主要材料選型表如下圖：

（四）硬件配置及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該自控系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)采用包括：

（1）1515R冗余CPU，為了實(shí)現(xiàn)更高的可用性。在冗余操作的系統(tǒng)中，即使有個(gè)別自動(dòng)化組件出現(xiàn)故障也不會(huì)妨礙污水的連續(xù)處理。兩個(gè)CPU將并行處理相同的項(xiàng)目數(shù)據(jù)和相同的用戶程序。兩個(gè)CPU通過冗余連接進(jìn)行同步，如果一個(gè)CPU出現(xiàn)故障，另一個(gè)CPU就會(huì)接替它對(duì)整個(gè)自控系統(tǒng)進(jìn)行控制；

（2）ET200MP分布式遠(yuǎn)程IO控制站，PLC1柜主要控制污水收集至生化處理段工藝，PLC2柜主要控制沉淀工藝、添加劑處理以及污泥處理工藝段?，F(xiàn)場(chǎng)層的兩套分布式IO通過IM155-5 PN HF高性能接口模塊將IO模塊（具有 IP20 防護(hù)等級(jí)，采用和 S7-1500 相同的I/O 模塊，具有很好的通用性集成到各自的遠(yuǎn)程站）。分布式設(shè)備通過PROFINET和上層的可編程控制器1515R冗余CPU實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)交換，開放的PROFINET通訊標(biāo)準(zhǔn)，給自動(dòng)化系統(tǒng)帶來靈活的連接方式。統(tǒng)一的工程開發(fā)，透明的診斷，完美實(shí)現(xiàn)與PLC和HMI在博途中的集成；

（3）現(xiàn)場(chǎng)觸摸操作屏采用西門子TP1200精智12寸面板 ，與S7-1500控制器完美協(xié)同，將各個(gè)遠(yuǎn)程站的數(shù)據(jù)（包括流量、水質(zhì)、溶解氧、液位等）顯示在觸摸屏上面，可滿足實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并且遠(yuǎn)程點(diǎn)控設(shè)備，方便現(xiàn)場(chǎng)人員整體操控；

（4）中控室包括一臺(tái)工程師站和兩臺(tái)操作員站，采用編程組態(tài)軟件有：WinCC 7.4、博途V16.0。其中WinCC集成圖形系統(tǒng)、報(bào)警消息系統(tǒng)、歸檔系統(tǒng)、報(bào)表系統(tǒng)、用戶管理系統(tǒng)以及腳本系統(tǒng)。完美解決污水處理廠的流程顯示、組顯示、報(bào)表顯示、趨勢(shì)顯示、報(bào)警記錄等。在各個(gè)操作站試圖中可以自動(dòng)控制、點(diǎn)動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備并監(jiān)控其運(yùn)行狀態(tài)，參數(shù)設(shè)置等。其中博途V16.0完美兼容1500冗余CPU，包括在線下載程序無需停機(jī)、CPU高版本固件更新、在冗余環(huán)外組態(tài)S1設(shè)備等，提高本次調(diào)試效率也方便后期污水處理廠電氣工程師的維護(hù)工作；

（5）網(wǎng)絡(luò)部分包括：1515R冗余環(huán)網(wǎng)中有支持冗余的2臺(tái)光纖交換機(jī)，WINCC監(jiān)控系統(tǒng)包括兩臺(tái)支持環(huán)網(wǎng)冗余的光纖交換機(jī)以及2臺(tái)光電轉(zhuǎn)換器用作與第三方CPU通訊；

（6）第三房設(shè)備包括：

由200smartCPU控制的鼓風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)、污泥脫水系統(tǒng)、PAC加藥、加氯和乙酸鈉投加系統(tǒng)；

由S7-300CPU控制的反硝化深床濾池和反沖洗風(fēng)機(jī)房自動(dòng)控制系統(tǒng)；

由K37環(huán)保數(shù)采儀采集的進(jìn)出水水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備。

（7）該自動(dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖所示：

（五）軟件開發(fā)

本次調(diào)試內(nèi)容主要為：主站控制系統(tǒng)手自動(dòng)程序編寫、觸摸屏運(yùn)行畫面組態(tài)；中控室WINCC畫面組態(tài)與第三方設(shè)備通訊；PLC與第三方設(shè)備通訊。

（1）組態(tài)設(shè)備：

通過博途軟件對(duì)主站1515R冗余控制系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)，需要注意的有：

對(duì)于1515R冗余CPU組環(huán)網(wǎng)必須用X1，同時(shí)X1 PR2口需要互相連接用作冗余CPU的同步，而且在這之間不能連接其他的設(shè)備；

在MRP環(huán)網(wǎng)中的設(shè)備必須支持MRP環(huán)網(wǎng)功能，尤其是環(huán)中的交換機(jī)需要支持MRP環(huán)網(wǎng)以及轉(zhuǎn)發(fā)功能，同時(shí)需要對(duì)交換機(jī)的冗余端口、IP地址進(jìn)行設(shè)置，如此才能方便與環(huán)外設(shè)備通訊；

在本項(xiàng)目中采用了雙網(wǎng)段，X2所在網(wǎng)段用作與上位機(jī)通訊，需要啟用系統(tǒng)IP，以便上位機(jī)與冗余系統(tǒng)通訊；

對(duì)組態(tài)的設(shè)備需要分配對(duì)應(yīng)的IP地址和介質(zhì)冗余角色。

組態(tài)硬件設(shè)備如下圖所示：

（2）控制方式：

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的主要控制方式為：

通過采集到的本地遠(yuǎn)程信號(hào)來決定設(shè)備是由現(xiàn)場(chǎng)操作箱控制還是由PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)控制；

通過采集到的運(yùn)行和故障信號(hào)來反饋現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；

通過采集到的現(xiàn)場(chǎng)模擬量信號(hào)包括：液位、水質(zhì)、溶解氧等的變化來自動(dòng)控制相關(guān)設(shè)備的啟停；

通過采集到的模擬量信號(hào)來反映污水處理的情況是否達(dá)標(biāo)以及生產(chǎn)量；

通過自控系統(tǒng)給定模擬量信號(hào)來控制相關(guān)閥門開度、電機(jī)轉(zhuǎn)速等。

（3）程序編寫：

此項(xiàng)目主要采用了梯形圖的編程方式，程序主要包括：程序調(diào)用快、模擬量塊、電機(jī)塊、自動(dòng)邏輯塊、自定義公共塊。由于此項(xiàng)目包含大量電機(jī)和閥門，而且各自運(yùn)行的方式大致一樣，所以此項(xiàng)目編寫了公共的電機(jī)FB塊和閥門FB塊，同時(shí)較多的儀表我們采用了公共的模擬量處理FC塊來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。對(duì)于1515R冗余CPU的程序下載，需要注意的有：

通過博途V16將CPU固件升級(jí)至V2.8版本，才可在設(shè)備運(yùn)行時(shí)備份，而無需中斷運(yùn)行過程。設(shè)備不間斷運(yùn)行可有效地降低設(shè)備停機(jī)時(shí)間，保證每日的污水處理量。

冗余PLC第一次下載時(shí)，在下載窗口不顯示主備關(guān)系，只顯示MAC地址，此時(shí)要根據(jù)冗余PLC上的顯示面板查看主備關(guān)系，找到主PLC對(duì)應(yīng)的MAC地址，下載時(shí)再根據(jù)MAC地址選擇正確的主PLC執(zhí)行下載，如果選擇備PLC下載操作將無法執(zhí)行。

（4）HMI控制：

此污水處理廠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制有兩個(gè)PLC柜，每處都有一臺(tái)精智面板，通過博途平臺(tái)與1515RCPU完美協(xié)同，集成在一個(gè)項(xiàng)目中編程調(diào)用變量，對(duì)于1515R冗余CPU與HMI連接，需要注意的有：

在新建連接時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)視圖中點(diǎn)擊連接，連接HMI與CPU時(shí)會(huì)彈出黃色選擇框，連接伙伴需要選擇S7-1500R/H systerm；

需在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)中將網(wǎng)段設(shè)定與PLC第二網(wǎng)段一致；

注意像此類環(huán)網(wǎng)設(shè)備的介質(zhì)冗余角色我們統(tǒng)一設(shè)定為環(huán)網(wǎng)中無設(shè)備。

上位機(jī)部分操作畫面如下圖所示：

（六）中央控制室

中央控制室使用分散控制站顯示實(shí)際的過程界面和控制功能，主要是集中檢測(cè)和控制流程，同時(shí)可以報(bào)告運(yùn)行狀態(tài)。畫面主要包括：

（1）總工藝流程圖，提供了整個(gè)污水處理廠的視圖，以及電機(jī)、閥門、儀表顯示；

（2）組顯示，分別顯示各個(gè)處理系統(tǒng)，如：生化處理系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)、污泥脫水系統(tǒng)等。而且能夠直接操作其中的設(shè)備和顯示儀表參數(shù)；

（3）趨勢(shì)顯示，可以顯示污水處理廠所有的儀表參數(shù)，實(shí)時(shí)更新，通過曲線圖來顯示時(shí)間軸也可移動(dòng)和放大；

（4）報(bào)警&事件顯示，包括液位限制警告、添加劑警告、電機(jī)故障、溫度報(bào)警、通訊故障等。

主要工藝的WINCC畫面如下圖所示：

（七）第三方設(shè)備通訊

需要注意的是1515R V2.8版本是不支持PUT/GET指令的。該污水處理廠第三方設(shè)備僅要求在中控起到監(jiān)視的作用即可，對(duì)于西門子200smart和S7-300CPU我們直接將其跟WINCC通訊。其中200Smart采用OPC服務(wù)器與WINCC建立通訊，315CPU與WINCC通過TCP/IP建立通訊。與第三方數(shù)據(jù)采集儀的通訊時(shí)通過NT50網(wǎng)關(guān)將MODBUS轉(zhuǎn)換為PN IO設(shè)備，將其GSD文件在博途中安裝，與其他S1設(shè)備一樣組態(tài)，再與1515R通訊（MRP環(huán)外）。

（八）小結(jié)

1515R冗余控制器，適合類似于該污水處理廠的中型項(xiàng)目。1515R采用了透明化的編程方式，使用博途V16編程，將程序下載至冗余系統(tǒng)。通過系統(tǒng)IP與精智面板和上位機(jī)WINCC連接簡(jiǎn)單快捷，無需額外工作。此外該系統(tǒng)采用了PROFINET系統(tǒng)冗余，支持S2冗余功能的設(shè)備連接到CPU組成了冗余通訊，即使網(wǎng)絡(luò)發(fā)生中斷也能保障設(shè)備的正常運(yùn)行。由于1515R不支持PUT/GET指令，就不太方便與西門子PLC做S7通訊。好在該項(xiàng)目中200smart和S7-300CPU只需與WINCC建立。最終經(jīng)過調(diào)試，該冗余系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，為井研第二污水處理廠的可靠運(yùn)行提供了有力保障。正好借此機(jī)會(huì)給大家分享一下，有不足之處請(qǐng)多指教。

審核編輯：湯梓紅