苏州西门子PLC代理商DP电缆供应商

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一 、引言

随着我国的社会和经济的高速发展，环境问题日益，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，在范围得到广泛应用。城市污水由管道集中后，水流经过粗格栅，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

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声波液位传感器，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:

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。附属设备适当的提前或延时运行。

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，变频器连接到二台水泵上起动并运行，照此，将二台水泵切换到工频运行，变频器连接到三台水泵上起动并运行。

（4） 水位下降需要减泵时，系统将三台水泵停止，二台水泵切换到变频调节状态。水位继续下降，系统将二台水泵停止，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，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。

3>、曝气系统的自动控制

生化池作为全厂污水处理的，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，而不需要人工干予。

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：选用的自动化产品来自国外，建立的自动化控制平台，经过严格的测试，可以保证系统稳定地运行。

3、自动化程度高，使用简单：对于全厂的控制——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、性：该系统采用的设备保护体系，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。

四：应用总结

此系统采用：四门子CPU，UniMAT扩展模块4AO（2个），4AI（4个），数字量一个，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，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

外场光电测控是一种野外环境下进行的远距离非接触式的测量，系统由于本身所含分系统数量多，通信复杂，无法实现光电测控系统的统一控制，发挥其自身功能。针对通信方式多样化以及对于某些外场中具有危险性的测量试验、气候条件不适合人员操作的恶劣环境，设计了基于以太网络的远程测控系统完成测量试验。

通过网络进行测量和数据采集，数据处理可以远程监视试验过程、试验数据，是测控系统网络化的发展趋势。这种方式使测控跨越了空间和时间的界限，与传统仪器和测控方式相比，是一个质的飞跃，而且还能实现测控设备和测控信息等测控资源的共享。

1 系统体系结构

由于C／S（客户端／服务器）模式交互性强，实时性和灵活性好，具有强壮的数据和事务处理能力，采用的协议其性和封闭性使得整个C／S模式系统相对，所以本系统采用TCP／IP协议，基于C／S的操作模式。这种方式隐含了客户端／服务器间硬件资源的不平等以及通信时的非对称性。在实际测控中，多台光电测控设备在不同站点同时进行测量，数据处理对多个测量站进行协调和监控，即为一客户端对多服务器的结构（客户端为数据处理）。

由于系统要求保留原有的本地控制功能，而且基于以太网的远程测控因网络传输不能达到十分严格的实时控制要求，因此，本方案采用保持型与完成型结合的远程监控方式，将客户端置于反馈回路之外。远程测控原理如图1所示，客户端监控程序发送控制命令和试验参数给服务器端设备控制程序，设备控制程序通过本地总线完成设备的运动控制和测量操作，并将执行结果返回给客户端用户。客户端控制各测现场试验过程的进行并全程监控，一方面，利用UDP协议和双缓冲技术，对测量现场计算机的工作状况进行监控，另一方面，每台光电测控设备配有彩色监视摄像机，客户端用户可以通过传回的图像了解测量现场概况。必要时可以修改试验参数，对试验过程进行干涉，客户端还可以通过网络设备状态信息，进行远程诊断。

2.1.1 多线程并发技术
在远程测控过程中，会有大量的图像及数据文件需要传输，网络通信必然会对需要同时进行的数据转换、数据处理及人机交互产生影响。多线程技术可以提高客户机与服务器的并发处理能力，有效地解决了网络传输阻塞问题，避免部分阻塞操作对人机界面的影响并提高程序的运行效率。本系统中客户端务器均使用一个用户界面线程和多个辅助工作线程相结合的设计。服务器端多线程主要完成连接、命令处理、采集、数据转换和，客户端主线程负责窗口信息和界面的维护，工作线程负责数据接收、数据的显示及处理等功能。
2.1.2 系统通信协议
从客户端连接服务器然后开始远程实验，直到试验结束，整个过程中，客户端务器的数据交换是程序的问题。客户端要向服务器传递试验信息、控制参数、各种服务请求，服务器要向客户端传递试验结果、系统状态、查询试验结果等。程序保证所有的数据有条不紊地传递而且可以被对方正确地接收和存取。然而，在Winsock基础上开发的服务器与客户端之间传送的只是字节流，要进行控制就将这些字节流转换为有意义的控制指令信息，因此约定双方数据通信的协议。
通信协议的复杂程度取决于控制系统的复杂程度，分为客户端协议务器协议，主要交互命令控制、命令响应及图像数据等，表1列举了简单的命令控制协议和图像协议。

2 改造方案选择

方案一：全部换受干扰的信号线。重新布槽线盒，换多线电缆为三芯电缆，每块一次表单一根电缆。

方案二：离现场150米处有一间消防泵房，将20台表的信号线引到泵房，在泵房内安装一台PAC，转换为数字信号集中传送到主操作室，泵房到主操作室只需要拉一根光缆，形成现场数字通讯系统。

费用概算如下表：

评估：因为光缆不怕电磁干扰，所以不受线间干扰影响也能解决问题。但泵房环境对PAC提出严格安装条件：出于考虑，要将数采控制器和卡件置于隔爆箱内。但密封的隔爆箱散热性能差，夏季高温可能会出PAC的工作温度范围。

方案三：以上两种改造方案都需要换电缆，所使用的信号都经过二次表转换，且显示为接点信号，不易观察具体报警值，很不直观。

因此，换一次表为能输出4~20mA电流信号的模拟表，20台共花费14万元。同时，不用二次表显示，模拟信号直接通过原24芯电缆进入主操作室，接入PAC中，用工控机作为上位机显示数据。由于电流信号抗干扰性比接信号强，再加上数采控制器的滤波抗干扰特性，应该能解决信号干扰问题。

评估：此方案避免换电缆的工作量，而且从质的方面升级了系统，大大提高了测量的性和自动化水平。但投资较大。

方案四：换一次表为能输出4~20mA电流信号的三线制模拟表，仍用原24芯电缆。由于每台一次表由四线改为三线，则可将空余出来的一根电缆线作为屏蔽线进行接地处理，让其不要产生多余的电荷从而造成干扰。

另外，在主操作室加装1台20A直流稳压电源来给一次表供电，增大了供电功率，进一步提高了稳定性。

费用概算如下表：

评估：此实施方案不用二次表作为显示设备，节省费用20X0.4万=8万元。

3 方案验证

综合分析认为，方案四。这套方案不但利用了现有的电缆线，还把信号的质量提高了，重要的是这个方案是节省钱的（8-4.2=3.8万元）。但其有效性需要实验证明。

如果方案四不理想，那方案三同样也不适用。

如果方案四失败，考虑验证方案二，但要解决PAC的防爆问题，用隔爆箱则带来散热问题。

其它三种方案都无法解决问题时，就只有按方案一实施改造。

3.1 方案四系统配置

PAC的硬件选用研华公司的PAC控制器ADAM-5550KW，模拟量采集比较多，此系统在我厂已有多套应用，以其运行稳定成为我们的产品。也因为这台控制器的处理能力比较强，为将来罐区所有的仪表（包括油位、温度、流量等计量值）改造也做好了系统容量的准备。

由于监控需要人机界面（HMI）软件选用开物2000，这是一套国产软件，在石化行业有较多应用，在我厂也有多套在用，它有专门针对ADAM-5550KW控制器开发的驱动程序。因为研华公司的ADAM-5550KW控制器运行的是WinCE操作系统，所以这次系统改造中我们暂时还是采用一台研华工控机来运行开物2000的组态软件。待以后有时间时再将组态软件移植到控制器中运行，直接接显示器就可以了。这样能省掉一台工控机的费用。

（1）PAC简介

PAC (Programmable Automation lController，可编程自动化控制器) ，是由ARC咨询集团的研究员Craig Resnick提出的，定义如下:

具有多重领域的功能，支持在单一平台里包含逻辑、运动、驱动和过程控制等至少两种以上的功能。

单一开发平台上整合多规程的软件功能如HMI及软逻辑, 使用通用标签和单一的数据库来访问所有的参数和功能。

软件工具所设计出的处理流程能跨越多台机器和过程控制处理单元, 实现包含运动控制及过程控制的处理程序。

开放式、模块化构架，能涵盖工业应用中从工厂的机器设备到过程控制的操作单元的需求。

采用公认的网络接口标准及语言，允许不同供货商之设备能在网络上交换资料。

使用软逻辑PAC控制器的优点：

a) 强大的PC-BASED 功能：

n 大容量的存储能力

n 众多方便、灵活的通讯端口

n 强大的浮点、数学运算能力

n 复杂的控制算法（模糊控制）

n 强大的软件功能，方便增加功能库

n 内嵌的以太网

b) 编程软件：

n 多任务架构

n 通用编程标准IEC61131-3，

n 同时支持五种语言编程：梯形图、功能块、ST、IL、SFC等，

n 编程快速上手，无扰切换

PAC软逻辑控制器—ADAM-5550KW

² CPU AMDGeode GX533(GX2)

² I/O 能力8槽

² LED 指示灯电源、CPU 和通讯

² 内存128 MB DDR SDRAM，带 512KB电池备份

² 1xCompactFlash 卡（内部）

² 操作系统bbbbbbs CE 5.0

² 实时时钟有

² 定时器有

² 通讯协议Modbus/RTU 和 Modbus/TCP

² 多节点数32

² 媒体带RJ-45接口的2X 以太网接口

² 传输速率10M/100M bps (10/100 Base-T)

现场信号直接连接到AI卡ADAM-5017的端子上，用ADAM-5550KW采集到信号值并进行处理后，将数据放入MODBUS存储区；采用MODBUS TCP协议传至工控机，再由开物2000软件完成图形显示。

3.2 方案四应用效果

这套方案通过采用研华PAC将现场一次表转换为数字信号集中传送到主操作室，构成数字抗干扰优势代替二次表完成报警功能。方案投用后，原有的强噪信号被有效抑制，干扰幅度不过0.3%，削除了误报现象，增强了系统的性。而且计算机系统比二次表的优势是，数据显示直观，并有历史记录功能，受到工艺操作人员的普遍欢迎。

工控机作为显示设备，可以接收多的数据，为将来的仪表扩建提供了宽裕的硬件平台。

工控机的数字量可通过网络将可燃气和含量值上传到实时数据库中。

由此，我们认为方案4，满足了我们的要求，是方案。所以就不再验证其它方案了。至此，我们圆满地解决了问题。

4 结束语

通过运行新的高科技含量的计算机和控制设备，只用了少量的投资，就将原有的30万元的设备盘活了，并从本质上提高了应用效果。而且把改造所需的工程量减到。

此项目的成功实施，得到以下经验：

1)对于仪表常遇到的线间干扰的故障处理，提供了新的解决方式，即改用PAC来转换信号，排除干扰。PAC（包括本项目所使用的研华公司的ADAM-5550KW）在信号采集过程中的滤噪功能相当有效，对解决现场干扰提供了避免浪费的修正手段。

2)计算机显示技术替代二次表显示是科技进步的必然趋势。工业控制用的计算机性高，不但处理能力强大，显示形式灵活直观，并且提供对外的实时数据接口。这使控制水平有了质的飞跃。

3)本项目中搭建起来的PAC硬软件系统是一个容量很大的平台，可满足将来罐区所有的仪表（包括油位、温度、流量等计量值）改造的需要。为罐区自动化水平的提升作了准备。