西门子PLC模块6ES7515-2FM02-0AB0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 

2.1、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：

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。附属设备适当的是提前或延时运行。

2.2、 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。 

2.3、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，而不需要人工干预。

四：应用总结:

此系统采用：CPU224，UniMAT UN200系列扩展模块232（4AO，2个），231（4AI，4个），223（1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。

五、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。

针对原始简陋和低效的电机控制保护方式常见的因短路、过载、堵转、缺相等原因造成的电动机运行事故，提出基于DCS分布式控制系统融电机监测、保护、控制为一体的智能解决方案。通过实际案例介绍,可为不同设备的数据采集和通讯提供友好交换、开放透明的交互平台；具有实时采集记录功能和在线分析、判断和预测电动机设备故障的能力，实现对电动机实施主动性智能分析和诊断的监控保护，保障系统高效安全运行的目的。
关键词  节能；智能控制；DCS分布控制系统；MPE智能电机保护器

0    引言
电动机将电能转换成机械能，在现代自动化控制领域中占有难以替代的位置。目前，许多企业仍在继续沿用传统电动机保护和控制方式。早在上世纪末，国务院就已经批准明令禁止生产使用JR0-16系列热继电器，但部分企业多种原因不顾安全要求仍在继续使用。每年因短路、过载、堵转、缺相等电动机运行故障导致的事故损失屡见不鲜，给企业造成重大经济损失，成为制约企业不断优化自动化控制能力，提高生产力和市场竞争力的瓶颈。
传统的电动机控制柜多由电压互感器、电流互感器，电压表、电流表、有功功率表等指针式模拟电气仪表和测量转换开关构成测量单元；采用断路器、交流接触器和控制按钮或转换开关构成控制单元；通过热继电器、中间继电器、电气联锁和机械连锁构成保护单元。
现代工业自动化产品涵盖了工业传感器、控制器、检测器、调速系统、传动系统、伺服系统以及现场总线和组态软件等等。能够为工业自动化生产提供智能化监测和控制的全面解决方案。

1    应用案例
日前某中央空调制冷站节能改造项目摒弃了传统落后的电动机控制方式，采用基于现代工业自动化产品基础上的智能化监测、保护和控制全面解决方案。
该项目属中外合资企业，中央制冷站配置有：YORK螺杆式制冷机组1920kW（电功率337 kW）×4台，冷冻水泵55 kW×5台（4用1备），冷却水泵37×5台（4用1备），冷却塔风机15 kW×4台，主要用于工艺性用冷，年耗电量约为350万kWh，年度电费约为184万元。经过HVAC（暖通空调）智能节能控制管理系统改造后，取得年节电率约32％好成绩。

2    DCS分布式控制系统
该智能节能控制管理系统采用分布式控制系统（DCS，Distributed Control System）。引入了计算机技术、自动控制技术和现代数据通讯技术构成各种功能模块，实现对包括电动机运行参数在内的诸多生产过程参数的在线保护、监测、分析、统计和控制。其特点是现场由可编程逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller）、变频器（INV，inverter）和智能电机保护器（MPE，Motor Protection E）等具有微处理器功能的控制器实施分散控制，实时数据通过网络Modbus数据总线传输到控制管理层，实现分散控制，集中监控管理的目的。系统由监控管理层、网络通信层和现场控制层三部分构

3.1.监控管理层

由系统组态软件和计算机、打印机、USP不间断电源等共同组成了监控管理层（管理中心主站），俗称上位机。实现对远程采集的现场设备运行参数实施数据分析、统计和计算处理，并以数字、图形、报表和声光等方式为系统运行操作管理人员提供人机交互的控制界面。

主站系统层为操作系统及系统软件。第二层为系统支持软件层，包括组态软件、数据库系统、HVAC（Heating, Ventilation and Air Conditioning暖通空调）节能控制管理系统模型、数据采集和传输。

节能控制管理系统模型主要指HVAC系统设备对象化及网络拓扑；数据库系统可分为：运行数据库、基础数据库、标准数据库和历史数据库等，依托紫金桥组态软件的属性；遵循统一的通讯协议从不同的数据终端（如PLC、INV、MPE、传感器和触摸屏等）采集各种参量数据，但并不进行处理，再通过网络传输和分发给需要这些数据的系统。第三层为基础应用层，将采集过来的数据经过各种处理，通过HMI（Human-Machine Interface）人机界面显示给用户。第四层为应用层，它所产生的数据主要是供节能控制系统进一步管理和决策用。

系统将保护和监控功能、负荷和危险分散化。克服了集中式控制系统可靠性较差，当上位机发生故障或者上位机与子系统通信中断时，子系统的节能控制运行将停止，多只能保持原状态运行而无法进行实时跟踪的节能系统运行的缺点。在上位机发生故障或者上位机与下位机之间通信中断时，下位机仍能单兵作战完成对电动机的保护以及信号采集、比较、控制运算和输出控制量等过程，使节能控制系统的可靠性得到大幅度提高。同时，加快了各子系统电机保护和节能控制的响应速度，使之具有各子系统以多种组合方式运行的灵活性。

3.2.网络通信层

通过RS-232/RS-485通讯接口将现场终端设备和监控管理中心服务器互相联系起来并实现数据共享的结果，按照统一的Modbus-RTU