污水处理厂自动控制系统设计解决方案：南京康卓环境科技有限公司根据宜都市高坝洲污水处理厂自控文件的要求，参考相关的水、电等机电设备的相关资料，自控控制及仪表系统需监控的内容有：

1、系统设备监控：包括格栅机系统、进水泵自控、启闭机的监控、推流器的监控、提升泵房自动控制及运行优化调节，污泥脱水机房设备监控。

2、重要设备的监控：格栅机、进水泵、提升泵、推流器、搅拌机。

3、水质的监测：PH值、水流量、液位、水溶解氧、污泥浊度、COD、NH4_N等。

4、系统集成：集中控制的显示及系统管理软件。

 

 

一、工程范围

1、根据宜都市污水处理厂工程建设项目图纸等文件的要求，完成自控系统的设计、制造、运输、安装、安装指导、调试、试运行、验收及售后服务工作，并向业主移交与上述工作有关的、必要的文件资料。

2、负责该系统的深化设计，并保证上述工作完全符合文件要求，同时也满足设备正常、有效运行的要求。

3、我们公司的工作还包括以下的内容：

1）系统的深化设计

2）设备及部件的检查、检验、测试

3）设计交底

4）设备及设备安装部件的安装指导

5）设备及系统调试

6）整改工作

7）与其它分包商的协调配合

8）竣工验收

9）保修期及售后服务

 

二、系统设计

1、设计原则

全厂计算机自控系统采用集散型的计算机网络系统加工业组态软件以及可靠通用的PLC模块，保证系统的可靠性、先进性、灵活性及实时性。

2、系统实现

 根据湖北省宜都市污水处理及配套管网工程的规模及工艺要求，结合多年来我司在污水处理行业及多个污水处理厂建设的成熟技术和丰富经验，我们设计使用HMI+PC系统为本次项目的自动化系统构成，再通过和其他各种外设的连接，从而实现对整体污水处理工艺的全过程自动化控制系统，并按照预定的程序对现场设备实现全方位的控制以及信号的采集和传输。

图示1.1 控制原理示意图

如上图所示，在现场控制层，现场各设备状态信号输入PLC的开关量输入模块（DI模块），PLC的CPU通过逻辑运算和数据转换成为控制信号，由开关量输出模块（DO模块）输出信号，控制各泵动作，同时PLC将采集到的各设备的状态信号传输上位机控制系统，由上位机组态软件直观形象的显示出来。另外通过现场仪器仪表对系统的参数进行测量，并将所测的数据传输至PLC的输入模块中，PLC根据从控制上位机上设定的各项参数（各液位的高度等）实现对系统的全自动控制。由上图可知，在现场控制层的所有信号的采集和传输全部通过PLC来实现；上位机起人机对话媒介，能够对所有设备及数据进行监视、控制、参数设定、事件存储、报警查询等操作。PLC与上位机采用工业以太网的通讯方式，保证通讯的实时性与可靠性，若中控室与PLC控制柜之间的距离较远，可采用光纤通讯。另外此系统还可以改进成双环网的控制系统，以增加监控系统的可靠性。

 

三、系统控制逻辑功能

控制方式，本系统控制方式分为：就地控制、集中手动控制、集中自动控制。

就地控制：此控制模式下，各泵控制柜的模式开关在就地状态，各泵的启停互不关联，启停操作在各泵对应的控制柜上点动按钮操作。此模式下上位机仅显示状态，不参与控制，对应的控制按钮无效。

集中手动控制：此控制模式下，各泵控制柜的模式开关在远方状态，各泵的启停互不关联，启停操作在上位机上点动相应按钮执行。同时上位机上显示各泵的工作状态。

集中自动控制：此控制模式下，各泵控制柜的模式开关在远方状态，各泵的启停不受人为控制，泵的状态由PLC内设定的程序及参数自行控制。上位机上显示各泵的工作状态。

系统自动模式详细分解（以水池液位控制为例）：首先确定系统处于集中自动控制模式下。确认6个液位的设置参数符合实际要求。系统根据实际测量的液位自动运行，运行模式如下：

1）、液位一液位较低，为保护水泵（缺水保护），当水位由高水位回落至此水位以下时，系统自动停泵。

2）、液位二高于液位一，为启动一台泵的信号。

3）、液位三高于液位二，液位由液位二升至液位三，系统自动启动第二台泵。

4）、液位四高于液位三，液位由液位三升至液位四，系统自动启动第三台泵。

5）、液位五高于液位四，液位由液位四升至液位五，系统自动启动第四台泵。

6）、液位六为较高液位，液位由液位五升至液位六，系统发出声光报警信号。提醒用户液位超高（警戒水位报警）。

7）、先进、二、三、四台泵并非对应1#、2#、3#、4#泵。系统根据启动的次数自动轮换起泵，先进次起泵先进、二、三、四台泵对应泵为1#、2#、3#、4#泵。第二次起泵先进、二、三、四台泵对应泵为2#、3#、4#、1#泵。第三次起泵先进、二、三、四台泵对应泵为3#、4#、1#、2#泵。第四次起泵先进、二、三、四台泵对应泵为4#、1#、2#、3#泵。当其中的一台泵发生故障时，立即切换下一台泵自动投入运行。

8）、液位是否到达的状态由液位指示灯显示，蓝色表示未到达，红色表示到达。液位的设定值由每液位指示灯右侧的数值显示器显示。

9）、无论控制模式处于何种模式，各泵的运行都进行累计计时，计时时间显示在如图所示的控制柜右侧。

5、电动阀门的控制，若阀前安装电动阀门，每台电动阀门与对应的水泵连锁，启动每台水泵前先开启阀门，阀门完全打开后延时设定时间运行水泵，水泵运行设定时间后关闭阀门。

6、格栅的控制，若该系统安装格栅，则根据时间控制格栅机的运行，格栅系统每隔60min运行一次，运行时间20min。

7、启闭机，由于启闭机处于常开状态，仅检修时需要关闭，故启闭机没用自动控制，仅手动控制即可，监控系统仅对其进行状态监控及手动开闭操作。

8、压实机（输送机），若系统安装压实机，压实机与格栅联动，格栅运行时压实机运行，格栅停止运行后延时设定时间，压实机停止运行。

9、厌氧池及氧化沟内设备，根据时间控制污泥和水进入厌氧池，通过潜水搅拌器的不停搅拌并进行1-2小时的氧化。污泥和水在潜水推流器的作用下，在氧化沟内不断地移动并进行氧化，在自动模式下系统根据污水处理厂的工况及工艺参数由PLC根据预先编制好的程序来完成对设备的操作。

 

 

四、系统选型

在整个监控系统的“心脏”——工业可编程控制器PLC的选型方面，我们经过反复、多次地比较发现，西门子公司的S7系列PLC正是我们所追求的高性价比的PLC产品：

性能可靠：性能上完全满足和超越设计要求；

使用成熟：在供排水行业，电力、污水处理等行业应用；

性价比高：与其他公司PLC相比；具有品牌和质量优势；价格适中；

网络功能强大：这也是品牌的特点和优势；

升级方便：从技术上可以随时升级。

 

五、系统功能

本控制系统具有保护、控制、测量、信号采集及故障记录等功能，这些保护按常规配置，控制有手动和自动控制功能，具有联锁装置。测量包括电气测量和非电气测量。信号采集主要是保护装置的动作信号、设备故障信号及其它接点信号。

控制系统采用可编程序控制器PLC进行数据采集和系统控制。控制系统应对整个系统进行集中监视、管理、自动顺序控制，并可实现远方手动即软手动操作。

控制方式使用一台上位机操作站作为操作平台。通过上位机显示画面对各个泵站进行监视和控制，淘汰了传统的仪表盘台和按钮控制。所有运行参数、报警信号均应能打印记录。

系统采用自动程序控制、就地操作相结合的控制方式。图控软件能显示各个泵站的工艺流程及测量参数、控制方式、顺序运行状态、控制对象状态等，并能对参数进行成组显示、趋势曲线显示和棒图显示。当参数越限报警、控制对象故障或状态变化时，能以不同颜色进行显示。

系统中硬件方面的所有模件是插接式的，便于更换。系统中任一模件的故障，不影响其他模件的运行。系统具有自诊断功能，诊断至I/O模件级。在程控系统故障时，能及时给出LED自诊断故障显示和音响报警。

软件方面，其操作界面简单明了，仿真效果好，所有电机成颜色、动态显示其状态，管路有水流效果，液面有升降效果。操作人员能够及时查询一次设备状态，并可以人工打印、存储数据。能够显示事件信息，事件列表，并提供了各种查询手段，还可以进行人工置数操作，报警确认操作，可以显示在线曲线和历史曲线，显示历史报表，并且能够打印。

 

六、详细技术规格

1系统要求

1.1系统要求

⑴高可靠性

从污水处理厂的工作状况来看，现场控制设备的工作环境比较差，污水处理厂的自动控制方案设计应使系统能长期稳定可靠运行，做到免维护或少维护。

 ⑵先进性

因为科学技术在发展，污水处理厂自动控制系统，不仅要代表当今的科技水平，还要力争在五至十年内不落后。

 ⑶开放性

自动控制系统，对用户彻底开放。所有硬件接口，软件协议全部按开放性的标准设计、编制，为用户今后系统的扩展，提供硬件和软件保证。

 ⑷实用性

操作方便、简单易学、界面清楚、功能实用。在大方、美观的前提下，让用户感受到真实情况，全功能的汉字处理和显示。

 ⑸规范化

方案设计、设备选型、图纸设计、软件设计、设备安装、系统调试等过程中，都严格按照国家相关质量体系执行。

1.2控制方式

控制方式，本系统控制方式分为：就地控制、集中手动控制、集中自动控制（不作赘述，详见“系统逻辑功能”）。

2系统组成

2.1现场控制单元

现场控制单元采用可编程逻辑控制器，主要完成下述4项主要功能：

过程信号采集

过程信号输出

过程自动控制

传送采集数据到触摸屏

扩展功能及通讯接口

2.2进入优先级

系统操作员和用户进入系统要使用密码。

系统提供分级的用户进入密码系统，所以低级操作员只能进入基本操作功能，同时较高级别的操作人员，按照不同的密码，可进入不同的系统组态功能。一旦系统操作员提供了正确的密码，他可以修改他的密码，而他的权限不会发生变化。

2.3过程显示

过程画面应按照泵站的构筑物的走向进行组态，以方便操作员的操作。

系统提供多幅现场区域画面。命令行用于发出命令。过程画面可显示的动态值。每个过程画面上可显示多个动态值。

模拟数值以数字方式显示。例如：液位应在画面中按照实际的情况进行变化。开关量，例如：泵的运行情况，利用泵图形的变化来表示。

系统较慢每1秒钟更新过程信息。画面的刷新时间不小于1秒钟。

2.4报警信号

  （1）污水处理厂的报警信号可由PLC柜或上位机及马赛克屏发出。

  （2）报警信号分声、光二种报警。

       1.声报警：由安装于PLC柜中的蜂鸣器发声并由人工消音。

      2.光报警：在操作界面上以醒目的颜色闪烁显示。

  （3）报警信号是由PLC的开关量输出通过继电器动作来驱动的。

2.5故障/错误信息和确认

运行过程中一旦产生故障，各自的区域显示就会闪烁，并显示一组报警。操作员通过指南信息，被引导至故障产生处的画面，操作员可确认故障。

确认的故障/错误不可取消，而采用静态显示。只有故障/错误被取消/复位之后，画面将返回正常运行状态。

3主要设备技术参数

3.1现场控制单元（PLC）

现今世界，能源问题已成为制约经济高速发展和环境保护的核心因素，康卓科技一直致力于改善客户在电力领域的绩效和日常生活水平。作为能源优化领域的世界领先企业，康卓电气集团业务包括5大市场：能源和基础设施、工业、数据中心和网络、楼宇以及住宅等领域提供产品和服务。 

德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。

西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。

 

     S7-300是SIMATIC控制器中销售量较多的产品，它已成功地用于范围广泛的自动化领域。S7-300 的重点在于为生产制造工程中的系统解决方案提供一个通用的自动化平台。这就是说，S7-300 是用于集中式或分布式结构的优化解决方案。坚持不懈的创新和改革使S7-300这个广泛应用的自动化平台能持续不断的升值概述。

SIMATIC S7-300 的大量功能支持和帮助用户进行编程启动和维护

高速的指令处理：0.6~0.1μS的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。

浮点数运算：用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算。

方便用户的参数赋值：一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参数赋值，这样就节省了入门和培训的费用。

人机界面 (HMI)：方便的人机界面服务已经集成在S7-300 操作系统内。因此人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面(HMI)从S7-300中要求数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送。

诊断功能： CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件 

(例如：超时，模块更换，等等)。

口令保护：多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改。 

操作方式选择开关 ：操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式。

SIMATIC S7-300具有多种不同的通讯接口：

多种通讯处理器用来连接AS-i接口、PROFIBUS和工业以太网总线系统

通讯处理器用来连接点到点的通讯系统

多点接口(MPI)集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统。这是一个经济而有效的解决方案；方便用户的step7的用户界面提供了通讯组态功能，这使得组态非常容易、简单。

 

4、柜体

4.1概述

所有的机柜都统一的外形，每个机柜有20％的预留空间，以便远期扩容和增加元件，机柜的结构和所有内部连线符合IEC标准的具体要求。所有机柜装配完整，所有电气工作，符合电气规范的应用要求。各机柜及操作台均放置在室内。

4.2 温度控制

为了保持柜内温度低于各元件允许的较高温度，提供强制的通风。留有通风孔和安装强制通风的风扇。

4.3柜体的结构

用2MM厚钢板制成，前面开门，内部电气安装至安装板上，制作安装底座便于安装。

4.4柜体表面处理

外表面涂电脑色，桔皱烘漆，内部安装板、支架等均镀锌处理。

4.5铭牌

柜体有明显的标记，柜内每一个元器件都标记明确。

4.6柜体内电气内部线路：

1. 电源线和控制线为铜线，线面积不小于1.0mm2。

2. 线槽填充度不超过60％。

3. 提供带有接地线的220V AC电源插座，每个需要220VAC电源的设备，提供带有地线的接头，用于连线，盘内无暴露在外的端子相接触。

4. 端子板： 

提供充足的端子，满足目前和20％的余量，将盘内备件和端子板连好线。

提供螺栓压紧：耐压要求不小于500V。

在端子板底部有一个标记并且还有一个贯穿整个端子板标记条，上面用不同号码标记每个端子，号码为打印的。

按照所需的尺寸和型号的线选择端子板，端子板标志清晰，用打印的标志号标出可使用的系统。

现场连接的端子板将作为现场柜的一部分。

5.为了安全起见，每个回路有断路器或熔断器保护；220VAC的回路装断路器，能承受250V，2500A的短路容量，且带有氖灯指示；24VDC回路为快速响应的玻璃管式熔断器，对于4～20m ADC回路为1A，用于单独仪表供电为3A。