西门子S7-400H系统在污水处理系统中的应用

一、工程简介 　　本工程为神华阳光发电有限公司扩建(2×135MW CFB)煤矸石发电项目的工业污水处理系统。系统总装机容量340KW，其中9台潜水泵，单台功率为22KW。2台回流水泵，功率为15KW。实际运行功率228KW，备用功率58KW，不常用功率54KW。 　　本工程主要处理发电厂产生的混合污水(其中主要为电厂的工业污水和经过生物二级处理后的生活污水)，通过管道输送到调节水池。 　　控制水平：满足工艺要求的热备系统。系统可以实现全自动控制，要求通过可编程控制器和上位计算机实现。 系统范围：整个系统所有的设备、仪表、电机、阀门等控制对象。 二、污水处理系统总要求 1．处理水量：Q≥400m³/h（其中工业污水：310 m³/h，生活污水：75 m³/h） 　2．含油 ： ≤300ppm 　3．供水方式：连续供水 　4．控制方式：全自动控制 三、工艺流程 1． 污水处理工艺流程： 混凝剂 污水来水格栅调节池污水提升泵气浮池中间水池1污水提升泵 混凝剂 澄清池中间水池2 污水提升泵无阀滤池清水池 2．污泥处理工艺流程： 脱水剂 气浮池、澄清池来污泥污泥池污泥提升泵污泥浓缩器污泥螺杆泵带式压滤机泥饼外运 四、控制系统概述 1．自动控制系统 本污水处理工程的控制系统采用开放式的射线式结构，主要由MCC柜、西门子PLC及台湾研华工控机组成，控制系统图如下： MCC柜安装在废水车间里，上位机、PLC柜放在中央控制室内。MCC柜将动力回路连接到设备，在MCC柜上可以实现对所有控制对象的现场手动控制。PLC柜里安装了控制系统的核心部分---PLC（可编程控制器），能实现整个系统的全自动控制。上位机是工业级计算机，通过以太网交换机与PLC交换数据，实施系统的远程监视和控制功能。系统中的水箱液位，水泵压力 ，阀门位置，水泵运行、故障等信号，都通过控制电缆一一对应至PLC的输入端。其中电动阀门开、关到位，水泵运行、故障信号等为数字量，水箱液位、流量计等连续变量为4-20mA模拟量。全系统共设有298个数字输入点、44个模拟输入点、146个数字输出点、4个模拟输出点。 2．PLC控制系统 该系统的最重要部分是PLC控制系统，它的好坏将关系到整个系统的成败，因此本系统的PLC主要选用的是西门子S7-400H系列模块，它是西门子提供的最新冗余PLC，由于它是SIMATIC S7家族的一员，这意味着S7-400H拥有所有SIMATIC S7具有的先进性。（需要补充） 根据工艺和业主的要求，PLC控制系统采用的是主、从站结构，由一个主站、三个从站和一个PC站（上位机）组成。用S7-400H系列模块做主站，S7-300系列模块作从站，主站通过PROFIBUS总线电缆和接口模块与从站通讯，这样的构架既保证了PLC系统的先进性又为用户节省了成本。主站是由一个支持冗余的底板和两套S7-400H系列电源模块、CPU模块、以太网模块组成，模块支持热插拔。从站是ET200M站，ET200M是在工业现场经常使用的PROFIBUS DP分布式从站，ET200M从站由一个有源总线模板的导轨、2个IM153接口模块、若干块S7-300系列的模块（PS电源模块、I/O模块、CP通讯模块、FM功能模块）组成，从站的模块也支持热插拔。（需要补充） 2．1系统要求： 系统可利用率不低于 99.9%。 系统精度：输入信号为±0.1%(高电平), ±0.2%(低电平)；输出信号为±0.2%。 抗干扰能力：共模电压为250V；共模抑制比90dB；差模电压为60V；差摸抑制比为60dB。 数据库刷新周期≤1s。 CRT画面刷新周期≤1s(复杂画面≤2s)。 CRT画面及数据对键盘指令响时间≤1s。 从键盘发出操作指令到通道板输出或返回信号从通道板输入至CRT上显示的总时间为2.5s。 控制器工作周期，模拟量控制≤0.25s；开关量控制≤0.1s。 最忙时，控制器CPU负荷率≤60% ，操作员站CPU负荷率≤40%。 内部存储器占用容量≤50%，外部存储器占用容量≤40%。 I/O点裕量为15%。I/O卡槽裕量为15%。 PLC内部通讯总线的负荷率≤30%。 电气模拟量输入采样周期≤50ms, 非电气模拟量输入采样周期≤200ms，开关量采样周期≤100ms。 2．2硬件配置： （1）配备有一个主机架，主机架上有电源模块 PS 407 10A 2块、CPU模块 CPU 414-4H 2块、以太网模块 CP 443-1 2块。CPU模块具有大型的程序存储容量，考虑了40%的备用量，存贮器采用闪存（FLASH RAM）技术；模块上有PROFIBUS-DP主/从接口，可以配置成分布的自动化结构，易于今后的系统扩展。过程控制、监视和用所需的故障诊断等，所有功能设置于可编程控制器内。这些功能包括下列内容: 实时钟和日历、继电器和锁存继电器、过渡触点、计时器、计数器、算术运算、逻辑功能、移位寄存器等。智能化的诊断功能连续监控系统工作是否正常，并记录错误和特殊系统事件。 （2）接口模块采用IM153-2,共6块，用于多机架配置中主机架和扩展机架之间的连接，可扩展多个机架，各机架之间的最大距离为10米。 （3）配备有三个机扩展机架，扩展机架上有电源模块、接口模块和信号模块，其中数字量输入模块11块、输出模块5块，模拟量输入模块7块、输出模块1块。数字量输入/输出模块能自动诊断无编码器电源、无内外部辅助电压、模块参数错误、看门狗错误、EPROM故障、过程报警信息丢失等；模拟量输入模块能自动诊断无外部电压、组态参数错误、共模故障、短线、测量范围溢出等故障；模拟量输出模块能自动诊断无外部电压、组态参数错误、对地短路等故障。 2．3软件配置： （1）PLC编程软件是西门子公司最新推出的SETP7 V5.3，组态软件选用的是北京三维力控科技有限公司最新开发的PCAuto 3.62 SP2。由于是在标准的Windows操作系统下运行，又有在线帮助功能，学习掌握方便。 （2）口令保护，多机口令保护可以使用户高度、有效的保护其技术秘密，防止未经允许的复制和修改。 PLC控制系统组态图： 3．PC工控机 PC工控机在系统中是PC站，它即可作为工程师站对PLC和组态软件进行编程，编程完毕后，又可作为操作员站监控系统的运行。PC工控机选用的是台湾研华产品，配置为P4/1.7G/40G/256M，三星21”彩显（CRT），PC机上装有（Windows2000、CAD2002、WORD、EXCEL等基本软件，还装有编程软件SETP7 V5.3、通讯软件SIMATIC NET 6.2和组态软件北京三维力控PCAuto 3.62。工控机系统由1000VA UPS供电，它的232串口通过MPI适配器连接S7-400PLC的编程口。打印机使用是惠普公司的LaserJet 3500 型彩色打印机。 4．网络结构 工厂采用的是联网集中控制,本工程是工厂整个系统控制网络的一个子系统，工业污水处理站控制系统作为整个系统控制网络的一个子站，因此留有满足上层网络要求的软、硬件通讯接口（如以太网和PROFIBUS DP接口）,并提供了联网所需的软件（如通讯软件SIMATIC NET 6.2）和硬件（如以太网交换机）。控制系统网络结构图 工控机和PLC之间采用的是小型工业以太网络，西门子PLC与上位机之间采用的是TCP/IP协议，使用以太网交换机连接PC机和PLC，既可编制程序，还可通讯、监控,并带有OPC接口。系统完成调试投入正常运行后，工控机挂接的以太网，可与任一台装有组态软件，并带有OPC功能的计算机相连接，PLC控制程序的组态和修改也可在业主方水处理系统集中控制网络的工程师站上进行，并通过通讯网络在线下载到工业污水处理控制系统的PLC中，实现整个系统的联网集中控制。 5．PCAuto 3.62软件的主要功能及特性 PCAuto 3.62是北京三维力控科技有限公司的最新版组态软件。它的最大特点是能以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式来进行系统集成，提供了良好的用户开发界面和简洁的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，缩短了自动化工程师的系统集成的时间，大大的提高了集成效率。它能同时和国内外各种工业控制厂家的设备进行网络通讯，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，便可以达到集中管理和监控的目的，同时还可以方便的向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，实现与“第三方”的软、硬件系统的集成。（需要补充） 5．1与国内外同类产品相比，PCAuto 3.62组态软件具有以下特点： 　（1）全中文、可视化、面向窗口组态开发界面，符合中国人的使用习惯和要求。真正的32位程序，支持多任务、多线程、可运行于Microsoft Windows95/98/Me/NT/2000/XP等多种操作系统； （2）庞大的标准图形库、完备的绘图工具集以及丰富的多媒体支持，使您能够快速地开发出集图像、声音、动画等于一体的漂亮、生动的工程画面； （3）全新的ActiveX动画构件。包括存盘数据处理、条件曲线、计划曲线、相对曲线、多行文本、通用棒图等、使您能够更方便、更灵活地处理、显示生产数据。 （4）支持目前绝大多数硬件设备，同时可以方便地定制各种设备驱动；此外独特的组态环境调试与灵活的设备操作命令相结合，使硬件设备与软件系统间的配合天衣无缝。 （5）简单易学的类Basic脚本语言与丰富的策略构件，使您能够轻而易举的开发出复杂的流程控制系统。 （6）强大的数据处理功能。能够对工业现场产生的数据以各种方式进行统计处理，使您能够在第一时间获得有关现场情况的第一手数据。 （7）方便的报警设置、