西门子PLC模块6ES7317-6FF04-0AB0型号规格

1  引言
        我国的污水处理技术起步较晚，污水处理自动化的研究落后于发达国家。对于这样一个污染严重资源受限的发展中人口大国，发展满足排放要求、处理效果好、运行费用低和国产化程度高、且自动化水平较高的污水处理控制系统，对经济的发展具有重大的现实意义，也是对国家节能减排的贡献。
        郓城县位于鲁西南平原地区的中心部位，目前排放污水总量已达880万m3/年。大量未经处理的污水直接排入附近水体，导致河流严重污染，城区环境质量明显恶化，对人民群众的身心健康造成很大威胁，为满足国家节能减排的要求，促进郓城县经济和谐发展，郓城县政府投资兴建了郓城县污水处理厂。
        项目应用工业控制计算机、可编程控制器plc、工业自动化组态软件技术、电力电子控制技术以及网络通信等技术，结合污水处理厂的特性，设计出运行状态和参数能够自动检测和自动控制、具有自动故障应急处理能力并且具有网络通信能力的高性能、高可靠性的污水处理厂智能监控系统。

2  工艺流程介绍
        郓城污水处理厂的进水主要是生活污水和部分工业污水，经检测，主要进水水质指标为codcr≤500mg/l，bod5≤225mg/l，ss≤225mg/l，tn≤45mg/l，nh3-n≤35mg/l，tp≤6mg/l。为了使出水水质符合《城镇污水处理厂污染物排放标准gb》一级排放标准的b标准，即codcr≤60mg/l，bod5≤20mg/l，ss≤20mg/l，tn≤20mg/l，nh3-n≤8mg/l，tp≤1mg/l，该厂工艺设计采用倒置a2/o工艺，其总体工艺流程如图1所示。

图1  郓城县污水处理厂总体工艺流程图

        郓城污水处理厂包括污水和污泥处理两个系统。污水处理系统包括进水井、粗格栅间、**泵房、细格栅间、曝气沉砂池、鼓风机房、生化反应池、二沉池、紫外线消毒柜、出水渠等，污泥处理系统包括有污泥回流泵房、脱水机房等几部分。
        郓城污水处理厂的工艺流程是：污水经污水排放管网进入进水井，由进水井流经粗格栅，滤除大块固体悬浮物后，再由**泵将污水**到细格栅，滤除细小的漂浮物和浮渣，再经计量渠流入曝气沉砂池，进行砂水分离，去除水中密度较大的无机颗粒，以保护后续处理设施的正常运行。而后进入生化反应池，进行生化处理。经生化处理后的污水进入二沉池后经紫外线消毒后到出水渠，后排放。二沉池分离的一部分生物活性污泥回流到生化反应池，另一部分剩余污泥流经污泥泵房进入污泥处理系统，剩余污泥进入污泥贮池，后经进泥泵进入脱水机房进行脱水处理，脱水处理后就可进行二次利用。

3  控制系统方案设计
3.1 设计目标
        (1) 建立一个集中管理，分散控制，性能可靠的现场控制、过程监视和计算机管理一体化的系统。
        (2) 实现“现场无人值班，总站少人值班”的目标，减轻操作人员的工作量和劳动强度。
        (3) 完成对整个工艺过程及全部生产设备的自动监测和控制。
        (4) 可显示全厂动态流程图，带有动态参数显示，趋势曲线显示，自动生成各类报表。
        (5) 采集污水厂各工艺过程的工艺参数、电气参数及主要设备的运行状态信息。
        (6) 对现场数据进行分析、处理、储存，对各类工艺参数做出趋势曲线。
        (7) 报警系统将现场设备的各种故障在中控室进行声、光报警，并能将故障分类打印。
3.2 设计思想
        可编程控制器包括西门子公司的 s7-300与s7-200系列与欧姆龙公司的cj1w系列。根据工艺流程和控制要求分别在变电室、分配电室、鼓风机房和脱水机房设立了4个分布站，由这4个控制站完成对各现场设备的控制。通过工业以太网将各控制站、中央控制室的工程师站相连，形成一个完整的通讯网络，实现监控。整个自动化监控系统构成scada系统，完成数据采集、处理、监视及对现场设备进行控制的功能。
3.3 系统构成
        整个系统由中央控制室、各分布plc控制站和现场仪表及电控柜构成三级监控网络。系统结构如图2所示。

图2  系统结构图

        (1) 中央控制级。中央控制级分为中央控制室及厂长室远程管理监控计算机。中央控制室设有工程师站和操作员站。
        工程师站既能完成系统组态、调试及控制参数的在线修改和设置等，又能完成对整个污水处理厂的数据采集、监控，报表及打印等功能；操作员站主要完成对整个污水处理厂的数据采集、监控，报表及打印等功能。厂长室远程管理监控计算机以工业以太网形式与本系统相连，以便于厂长对整个系统进行管理和监控，并针对实际情况准确发出操作命令。
        (2) 分布式控制站。监控系统共设五个分布控制站，plc2站、plc4站和plc5站分别配备一个触摸屏。现场plc完成对各点信号采集及控制，**了系统的可靠性与可维护性。触摸屏既可以显示仪表数据和设备状态，又能对现场设备进行控制。现场的五个plc站以及触摸屏通过工业以太网与中央控制室的工程师站连接。
        (3) 现场控制级。各现场控制柜具有两部分功能，一是进行现场的手动操作，二是与各个plc站连接，将各设备状态信号传送到plc的相关采集模块。现场手动操作具有比分布控制站和中央控制室更高的优先权，只有将状态选择开关打到自动状态，远程控制程序才起作用。所以在进行自动控制调试前，首先要完成对现场各控制柜的调试，在保证现场设备安全的前提下才能进行远程控制。

4  组态王6.52在本系统中的应用
4.1 对上位监控软件的要求
        组态现场工艺流程画面，要求生动、形象；要求采集现场所有模拟量和数字量的信号，并以文字或图形方式显示。被控对象的工作参数包括温度、液位、**、压力等；在自动方式下，在现场有关条件满足的情况下，可以通过中控室工控机远程控制各个开关；被控对象的各个模拟量参数要求加以范围限制，超出范围要求报警；被控对象的各个模拟量参数要有趋势曲线图，便于查看变化过程；模拟量的数据要求归档，以保证操作的可靠性和安全性；组态报表打印。
4.2 上位监控画面的设计
        程序运行时首**入主画面，显示污水处理的整个工艺流程。显示画面显示各个模拟量实时值和开关量的状态。可以实现模拟量的存档、历史曲线以及模拟量的报警表格。期间用户如果想对画面进行操作，包括控制和更改参数，必须有操作员或管理员的权限。在登录状态下，不同的用户具有不同的权限，可以对给予授权的参数进行修改。如果离开，则必须退出登录状态，以防止其他无权限人员的误操作。在中央控制室的工程师站和操作员站都可以对现场设备进行启、停控制，参数采集以及仪表数据显示。
        (1) 主画面设计。主画面显示整个污水处理厂的工艺流程，在此处并不显示各工段的运行状态各个模拟量实时值，只提供通往各分画面的连接，如果想了解某个工序段的现场情况，可以切换到某个分画面。点击“系统管理”将出现下拉菜单“用户登录”、“退出登录”、“用户管理”等，点击所想要实现的功能。主画面还有“报表曲线”“报警窗口”“故障复位”“系统设置”“退出系统”等菜单，点击可进入相应画面进行操作，如图3所示。

图3  工艺流程主画面

        (2) 分画面设计。分画面按工艺流程顺序设计。分画面显示各模拟量的实时值及各开关量的状态。通常每个设备都有工作、自动和故障三个状态，闸门还另设有开到位和关到位这两个状态，控制部分分为启动和停止两个状态。通常设备处于哪个状态，则相应的显示装置就会改变颜色来表示，在我们的系统中，通常红色为运行，绿色为停止，黄色为故障。只有当设备处于自动状态、用户被授予权限且启动和停止的条件满足时，启动和停止按钮才有效，如图4所示。

图4  格栅间画面

当点击各设备时都会弹出相应的控制连接，在面板里则可以控制运行或停止，如图5所示。

图5  细格栅1＃电动闸门控制

        (3) 曲线设计。曲线包括历史趋势曲线和实时曲线，一般都是将模拟量添入趋势曲线的显示中，记录其值的变化，以便工程人员及时对工艺进行改进。对画面的时间轴进行左右卷动就能看到你想看到的时间的数据。图6为历史趋势曲线。

图6  历史趋势曲线

        (4) 报表系统设计。报表系统同样也有历史报表和实时报表，在画面上添加“报表”控件，然后在其内部设定报表名，添加要显示的变量名，具体的方法许多都是要添加命令语言函数，例如给某个格置一个变量的值时，需要用语言函数 reportsetcellvalue("实时报表", 3,2, \\本站点\**泵液位);  
        此句函数的意思是将**泵液位的值填入到“实时报表”的第3行第2列中。打印报表是        reportprint2("实时报表",0)，意思是打印整个实时报表。还有很多类似的函数，不再一一介绍。
        (5) 设计报警画面。在定义变量时定义好各报警值，此时需在画面中添加一个报警报表控件，加入一些额外功能，例如打印报表、报警确认，然后在其动画连接的命令语言中添入函数，比如打印报表是reportprint2("报警画面",0)。报警确认的函数则是ack(郓城)；表示确认郓城报警组的所有报警。
4.3 opc技术及其在本系统中的应用
        由于s7-200的以太网驱动还不完善，需要通过opc(用于过程控制的链接与嵌入)实现plc与上位组态软件的通讯。opc服务器由siemens厂家提供的v1.0 pc access软件来担当。具体配置步骤比较简单，介绍如下：
        安装v1.0 pc access软件后，在组态王的工程浏览器左端“设备”的下拉菜单中点击“opc服务器”，再右端双击“新建”将出现以下画面，然后再单击s7200.opcserver，其余都可以按默认设置即可，单击确定就建立了opc服务器，如图7所示。

图7 添加opc服务器

        s7-200的变量不能直接添加，需要在v1.0 pc access中先定义，然后保存后默认为当前打开的工程，我们就可以在组态王中添加这个opc变量了，分别如图8、图9所示。

 图8   在v1.0 pc access中定义变量

图9  添加opc变量

        完成以上步骤之后，便可以在上位监控画面中对相应变量进行监视、操作。

5  结束语
        本系统已投入实际运行，自投入运行以来，控制系统运行稳定可靠，设备工作状况良好，使用及维护简捷方便，各项指标均达到了设计要求，操作人员的工作量和劳动强度大大降低，能源和设备的利用率得到**，解决了污水处理厂设备分散、复杂、难以控制的难题，使出水指标稳定达到国家二级排放标准，同时实现了节约能源、降低能耗，受到了厂方的好评。

部分 设计技术文件

一、概述

　　近年来，我国的钢铁冶炼行业发展迅速，烧结矿是炼铁的主原料，而配料这一工艺是影响烧结矿质量的重要环节，各称量设备只有达到一定精度才能保证矿的质量。

传统烧结工艺中主要依靠工作经验进行调节，存在以下几方面的问题：

D不能适时进行调节配比，生产效率较低。

　　　D由于缺少计量设备，人为影响因素较多，物料不能很好控制，浪费现象严重，生产成本大大**，不合格率较多，造成大量的废品。

　　　D由于物料的粉尘污染较严重，严重影响工人的身体健康。近几年来，工业过程自动化程度越来越高及人们对环保意识的增强，变频技术以其优异的性能，在国内外得以广泛应用。

二、系统的主要功能及特点

1、控制系统的主要功能

A监控功能：对皮带称配料过程的瞬时**、日累计、月累计、年累计等参数进行检测和监视；

A画面显示：通过计算机显示器可显示配料过程中有关控制参数的运行状况，以及显示实时配料曲线和表格；

A打印管理：可随时打印配料报表，以便保存和查询；

A通讯功能：工控机与PLC和仪表之间进行可进行双向数据及信息交换；

A数据处理：系统可自动对采集的信号进行运算处理，并输出到相应的控制量；

A控制功能：根据操作前相应的设定值，自动控制设备的正常运行，包括PID调节；

A报警功能：上位机以画面方式和声光信号方式对各种参数超限或设备状态异常进行报警。

2、系统的主要特点

A在系统结构上采用中小型集散控制系统，实现了“分散控制，集中管理”，克服了“危险集中”的问题；

A上位机和下位机相对独立。具有手动、自动、半自动切换功能，联机时，彼此间按特定的协议互通信息，脱机时，单台秤可独立实现工艺闭环过程控制；

A上位机远离操作现场，**了系统的稳定性，改善了操作员的工作环境；

A下位机选用可编程控制器，具有很强的抗干扰能力，编程简单易于掌握，能在恶劣的环境中长期可靠的运行；

A采用PID调节，**系统的配料精度，并能根据生产要求，设置佳的工作开关时序，较好的解决料头料尾问题，自动修改配料系统的物料配比；

三、系统的结构及工作原理

1、控制系统的总体构成拓扑图及系统原理图

　　　本系统由一套PLC系统和一套上位机监控系统组成。PLC系统由一个S7-300主站和13个仪表作为从站及专用通讯电缆组成，主站与从站通过PROFIBUS-DP通讯，上位机监控系统采用 bbbbbbs2000Professional Server SP2操作系统，安装西门子STEP7编程软件及WINCCV6.0组态软件。

控制系统的总体构成拓扑图及系统原理图如下所示：

系统原理图

B上位机：对整个系统进行实时监控，画面显示和报表打印;

B PLC：实现配料的自动控制;

B配料仪表：用于配料的PID调节及瞬时**和累计**等参数的显示;

B控制柜：用于系统的逻辑控制和供配电;

B现场手操箱：用于现场单台设备的启停控制。

2、系统的运行方式：每一台配料称设手动，半自动，自动三种控制方式

　　　B手动时，将现场控制箱和仪表箱的转换开关都打到手动位置，由现场控制箱上的启停按钮、电位器、频率表等实现控制，由称量仪表显示物料瞬时量及累积量。主要用于网络系统故障PLC控制系统发生故障或其它原因，需要进行手动检修试车工作情况下的应急操作。

　　　B半自动时，将现场控制箱和仪表箱的转换开关都打到自动位置，由现场控制箱上的启停按钮、频率表、称重显示仪表等实现控制，可以通过称重仪表设定的配方自动调整配料量，显示物料瞬时量及累积量。主要用于不需要上位控制时。

　　　B全自动时，将仪表箱的转换开关打到联动位置，由上位机控制皮带的启停，动态显示各物料量、皮带运行状态、各种报警指示，各配料量由上位机根据工艺要求统一设定，可进行采集和处理各配料控制回路来的称量信号与开关量状态，实现整个系统的皮带秤给料、称量检测、料量调节，选择和切换料仓等配料过程的自动控制。此时现场手动控制系统不起作用，完全通过中控室进行操作。

3、自动运行系统的启动和停止

四种方式：顺序启动、顺序停止、紧急停止、同时启动

B顺序启动:用于系统的初次启动或者顺序停止后的系统再启动，顺序启动功能可以控制参加配料的给料设备按照皮带的运行方向按一定的时间间隔依次启动，保证料头能够对齐。

B顺序停止：用于希望长时间停车的场合，这样可以保证输送皮带上的物料都运送干净，使皮带处于物料状态，并且可以保证料尾对齐。

B紧急停止：用于发生紧急情况所有参与配料的设备立即停止运行的场合。

B同时启动：用于急停后的再启动，能够使系统在上一次的“断点”处接着往下运行，就像没有发生过任何事情一样。

注意：不能随便，无顺序的点击这四个按钮，必须按操作要求来操作。

4、物料量的控制

　　　B当某种物料量所需配比确定后，将其作为设定值输入上位机，经网络传输给称重仪表。物料落到称重皮带上，其重量由称重传感器检测，取得物料**（测量值）的反馈电压信号（0～30mV）到称量控制仪表并运算成为PV当前值，经PID运算再输出4～20mA控制信号至变频器，以此改变其U／F输出值，从而改变皮带速度来控制物料量的大小，实现自动配料。

B物料配比的控制：本系统给料任务来自上位机的配比输入与计算进行控制，即将各种原料的工艺参数输入计算机，由计算机直接对各料种进行设定和配比协调。

B自动倒仓控制:同一种物料分别装于几个料仓中(如精矿粉),在生产中只用到其中的部分料仓给料,要求在某一正在给料的料仓发生故障(无料、堵料、机械故障等)时,控制系统根据程序设定,自动启动一满足条件且没有参与配料的料仓给料系统。

B燃料**值的自动调整：设备顺停时，由于精矿粉的总量随着料仓的逐个减少，这时，程序自动逐渐减少燃料的下料量，以保证原配比不变。

四、系统设备选型

1、网络系统选型

Ø上位工控机：研华IPC610 P4 17彩显，

C CPU：P42.8G

C内存：256M

C硬盘：80G

CCD-ROM:SONY DVD

ØPLC系统:CPU选用西门子CPU315-2DP。具有以下功能：

　　　C具有较大容量的工作存贮器，可用于大量的I/O配置。两个通讯口，可用于MPI多点通讯及Profibus-DP分布式通讯。

C具有高187.5千位/S数据传输能力，字操作时间<1uS,工作存贮器128K字节。

C编程软件采用STEP7.V5.3,具有丰富的编程指令和结构模块，以及强大的组网能力。

C具有扩展通讯功能，多可带32个扩展模块，每个扩展单元8个模块，也就是说除主机架外，可扩展3个机架。

Ø软件设置： 操作系统选bbbbbbs2000Professional SP2,上位机运行西门子WINCCV6.0组态软件,PLC编程软件选用西门子STEP 7 V5.3。

Ø组态软件功能:

　　　实现对全系统的控制管理以及进行系统运行界面的图形组态。运行期间上位机完成系统人-机对话、监控界面显示、报警处理和显示、生产数据处理和报表输出。

2、配料称选型

　　　配料秤集机械、电气、仪表一体，是对散装物料进行连续的输送、计量的理想设备。并可根据现场要求，实现用动、自动、联动控制方式。是烧结、焦化、原料、水泥配料等生产工艺中的必选设备。根据工艺要求，选用江苏天秤LB-PP-P系列皮带秤。

Ø组成

由秤重桥架、速度传感器和积算器组成。

Ø原理

　　　装有载荷传感器的称重桥架、安装于输送机的纵梁上，称重桥架支承的称重托辊，检测皮带上的物料重量，产生一个正比于皮带载荷电气输出信号。速度传感器直接连在从动滚筒上或者大直径的托辊上，提供一系列脉冲，每个脉冲表示一个皮带运动单元，脉冲的频率正比于皮带速度，积算器从载荷传感器和速度传感器接收输出信号，用电子的方法把皮带运动和皮带载荷相乘，并进一步处理通过输送机的物料总重量，将其转换成选定的工程单位，通过对时间的计算，同时产生一个瞬时**值。累计总量与瞬时**分别在显示器上显示出来。

Ø结构特点

C 秤重桥架采用16#槽钢整体焊接成型，抗变形；

C 采用环形裙边皮带，有效防止撒料；

C 机架尾轮采用包胶托辊；

C 采用美国**的技术-橡胶轴支承，可靠，免维护；

C 具有完善的内外清扫器，保证皮带清洁；

C 加电流输出接口，可输出与**成正比的4-20 mA电流；

C 通讯接口可选：标准RS485、Modbus、Profibus接口。

Ø技术指标

C称量范围：1～6000t/h

C皮带输送机倾角：≤18度

C皮带速度：0.1～4m/s

C皮带宽度：300～2000mm

3、现场仪表

　　　现场仪表直接接收秤重传感器、测速传感器信号，然后经过处理，把结果通过Profibus总线、I/O接口与S7-300设备相连。该仪表可挂壁安装，也可就地安装在称重设备旁，操作方便、抗干扰能力强。

Ø特点

C压铸铝合金外壳，防尘、防静电、抗干扰能力强；

C双行中文、四行英文背光液晶显示；

C硬件电路软件化，减少焊点，**仪表长期稳定性；

C五键操作，简单易学；

C内有智能PID调节功能；

C提供Modbus、Profibus、CAN等通讯；

C控制方式多样化，可用于恒速配料方式、调速配料方式、同步调整配料方式以及双速调速配料方式等多种配料场合；

C模拟量、开关量输入输出；

C10V传感器供桥电压+毫伏输入+电流输入（重量）+开关量+控制量+重量输出+**输出。

Ø技术指标

C精度：Ⅲ级

C线性度：±0.003%

C温度：-30℃-+55℃

C湿度：﹤90%

C电源:AC220V -15%~+10% 50HZ±2%

4、变频器

变频器选用施耐德ATV71系列变频器

Ø出色的性能

C高可达220%的过力矩。

C异步电机有传感器或无传感器的磁通矢量控制。

C在线自动调节(FVC)。

C速度或力矩控制。

C输出频率高可达1000 Hz。

C无传感器电机控制。

Ø可扩展的能力

C基本设备带有丰富的功能：应用程序功能、输入/输出、通信网络，

C这些可以通过以下各项实现进一步扩展：

C输入/输出扩展卡。

C编码器接口卡。

C通信卡。

C内置可编程控制卡(Controller Inside)。