基于西門子S7-1500冗余PLC的污水處理廠自動控制系統設計

摘要：本文介紹了一種基于西門子S7-1500冗余PLC的污水處理廠自動控制系統，包括該項目的軟硬件設計、上位機WINCC的應用以及網絡結構。

（一）項目概述

隨著我國經濟的迅速發展，工業化進程越來越快再加上人們生活水品的提高，工業以及生活污水的排放日益增多，如何才能保護水資源讓其循環利用達到節能減排，是目前急需解決的，正是污水處理項目對水資源的改善以及人民生活水平的提高有著重大的意義。而冗余的控制系統可以減少故障停機時間提高系統穩定性，將大大提高污水處理的效率。

此項目是四川省樂山市井研縣第二污水處理廠，工程范圍為污水處理自控系統設計、供貨、安裝、編程調試，包含廠區主站控制系統，中控室上位機，將廠區第三方設備預留的硬接線以及通訊接入總控室，組成污水處理系統（包含深床反硝化、精準曝氣系統等），主要采用了西門子1515R冗余PLC，每日可以穩定處理22000t污水。

（二）工藝流程

此污水處理采用了多級的生化反應處理、高效沉淀、深床反硝化以及接觸消毒，污泥采用了濃縮、脫水以及壓濾等進行處理。該廠工藝流程如下圖所示：

（三）選型方案

根據污水處理廠現場情況，主要有以下需求：

（1）需采用冗余系統、包括控制器冗余、電源冗余以及不間斷電源，保障在部分硬件出現故障能夠及時切換到備用模塊，在工廠出現斷電異常保障系統正常運轉，實現系統的穩定可靠且連續的運行。

（2）IO點數有大于15%裕量。

（3）兩臺現場級控制柜可操作。

（4）中控室遠程監控以及操作，包含兩個操作員站以及一臺工程師站。

PLC系統主要材料選型表如下圖：

（四）硬件配置及系統結構

該自控系統最終設計采用包括：

（1）1515R冗余CPU，為了實現更高的可用性。在冗余操作的系統中，即使有個別自動化組件出現故障也不會妨礙污水的連續處理。兩個CPU將并行處理相同的項目數據和相同的用戶程序。兩個CPU通過冗余連接進行同步，如果一個CPU出現故障，另一個CPU就會接替它對整個自控系統進行控制；

（2）ET200MP分布式遠程IO控制站，PLC1柜主要控制污水收集至生化處理段工藝，PLC2柜主要控制沉淀工藝、添加劑處理以及污泥處理工藝段?，F場層的兩套分布式IO通過IM155-5 PN HF高性能接口模塊將IO模塊（具有 IP20 防護等級，采用和 S7-1500 相同的I/O 模塊，具有很好的通用性集成到各自的遠程站）。分布式設備通過PROFINET和上層的可編程控制器1515R冗余CPU實現快速的數據交換，開放的PROFINET通訊標準，給自動化系統帶來靈活的連接方式。統一的工程開發，透明的診斷，完美實現與PLC和HMI在博途中的集成；

（3）現場觸摸操作屏采用西門子TP1200精智12寸面板 ，與S7-1500控制器完美協同，將各個遠程站的數據（包括流量、水質、溶解氧、液位等）顯示在觸摸屏上面，可滿足實時顯示現場設備運行狀態并且遠程點控設備，方便現場人員整體操控；

（4）中控室包括一臺工程師站和兩臺操作員站，采用編程組態軟件有：WinCC 7.4、博途V16.0。其中WinCC集成圖形系統、報警消息系統、歸檔系統、報表系統、用戶管理系統以及腳本系統。完美解決污水處理廠的流程顯示、組顯示、報表顯示、趨勢顯示、報警記錄等。在各個操作站試圖中可以自動控制、點動控制現場設備并監控其運行狀態，參數設置等。其中博途V16.0完美兼容1500冗余CPU，包括在線下載程序無需停機、CPU高版本固件更新、在冗余環外組態S1設備等，提高本次調試效率也方便后期污水處理廠電氣工程師的維護工作；

（5）網絡部分包括：1515R冗余環網中有支持冗余的2臺光纖交換機，WINCC監控系統包括兩臺支持環網冗余的光纖交換機以及2臺光電轉換器用作與第三方CPU通訊；

（6）第三房設備包括：

由200smartCPU控制的鼓風機自動控制系統、污泥脫水系統、PAC加藥、加氯和乙酸鈉投加系統；

由S7-300CPU控制的反硝化深床濾池和反沖洗風機房自動控制系統；

由K37環保數采儀采集的進出水水質檢測設備。

（7）該自動控制系統網絡結構如下圖所示：

（五）軟件開發

本次調試內容主要為：主站控制系統手自動程序編寫、觸摸屏運行畫面組態；中控室WINCC畫面組態與第三方設備通訊；PLC與第三方設備通訊。

（1）組態設備：

通過博途軟件對主站1515R冗余控制系統進行組態，需要注意的有：

對于1515R冗余CPU組環網必須用X1，同時X1 PR2口需要互相連接用作冗余CPU的同步，而且在這之間不能連接其他的設備；

在MRP環網中的設備必須支持MRP環網功能，尤其是環中的交換機需要支持MRP環網以及轉發功能，同時需要對交換機的冗余端口、IP地址進行設置，如此才能方便與環外設備通訊；

在本項目中采用了雙網段，X2所在網段用作與上位機通訊，需要啟用系統IP，以便上位機與冗余系統通訊；

對組態的設備需要分配對應的IP地址和介質冗余角色。

組態硬件設備如下圖所示：

（2）控制方式：

現場設備的主要控制方式為：

通過采集到的本地遠程信號來決定設備是由現場操作箱控制還是由PLC自動控制系統控制；

通過采集到的運行和故障信號來反饋現場設備的運行狀態；

通過采集到的現場模擬量信號包括：液位、水質、溶解氧等的變化來自動控制相關設備的啟停；

通過采集到的模擬量信號來反映污水處理的情況是否達標以及生產量；

通過自控系統給定模擬量信號來控制相關閥門開度、電機轉速等。

（3）程序編寫：

此項目主要采用了梯形圖的編程方式，程序主要包括：程序調用快、模擬量塊、電機塊、自動邏輯塊、自定義公共塊。由于此項目包含大量電機和閥門，而且各自運行的方式大致一樣，所以此項目編寫了公共的電機FB塊和閥門FB塊，同時較多的儀表我們采用了公共的模擬量處理FC塊來進行轉換。對于1515R冗余CPU的程序下載，需要注意的有：

通過博途V16將CPU固件升級至V2.8版本，才可在設備運行時備份，而無需中斷運行過程。設備不間斷運行可有效地降低設備停機時間，保證每日的污水處理量。

冗余PLC第一次下載時，在下載窗口不顯示主備關系，只顯示MAC地址，此時要根據冗余PLC上的顯示面板查看主備關系，找到主PLC對應的MAC地址，下載時再根據MAC地址選擇正確的主PLC執行下載，如果選擇備PLC下載操作將無法執行。

（4）HMI控制：

此污水處理廠現場設備控制有兩個PLC柜，每處都有一臺精智面板，通過博途平臺與1515RCPU完美協同，集成在一個項目中編程調用變量，對于1515R冗余CPU與HMI連接，需要注意的有：

在新建連接時，在網絡視圖中點擊連接，連接HMI與CPU時會彈出黃色選擇框，連接伙伴需要選擇S7-1500R/H systerm；

需在網絡組態中將網段設定與PLC第二網段一致；

注意像此類環網設備的介質冗余角色我們統一設定為環網中無設備。

上位機部分操作畫面如下圖所示：

（六）中央控制室

中央控制室使用分散控制站顯示實際的過程界面和控制功能，主要是集中檢測和控制流程，同時可以報告運行狀態。畫面主要包括：

（1）總工藝流程圖，提供了整個污水處理廠的視圖，以及電機、閥門、儀表顯示；

（2）組顯示，分別顯示各個處理系統，如：生化處理系統、加藥系統、污泥脫水系統等。而且能夠直接操作其中的設備和顯示儀表參數；

（3）趨勢顯示，可以顯示污水處理廠所有的儀表參數，實時更新，通過曲線圖來顯示時間軸也可移動和放大；

（4）報警&事件顯示，包括液位限制警告、添加劑警告、電機故障、溫度報警、通訊故障等。

主要工藝的WINCC畫面如下圖所示：

（七）第三方設備通訊

需要注意的是1515R V2.8版本是不支持PUT/GET指令的。該污水處理廠第三方設備僅要求在中控起到監視的作用即可，對于西門子200smart和S7-300CPU我們直接將其跟WINCC通訊。其中200Smart采用OPC服務器與WINCC建立通訊，315CPU與WINCC通過TCP/IP建立通訊。與第三方數據采集儀的通訊時通過NT50網關將MODBUS轉換為PN IO設備，將其GSD文件在博途中安裝，與其他S1設備一樣組態，再與1515R通訊（MRP環外）。

（八）小結

1515R冗余控制器，適合類似于該污水處理廠的中型項目。1515R采用了透明化的編程方式，使用博途V16編程，將程序下載至冗余系統。通過系統IP與精智面板和上位機WINCC連接簡單快捷，無需額外工作。此外該系統采用了PROFINET系統冗余，支持S2冗余功能的設備連接到CPU組成了冗余通訊，即使網絡發生中斷也能保障設備的正常運行。由于1515R不支持PUT/GET指令，就不太方便與西門子PLC做S7通訊。好在該項目中200smart和S7-300CPU只需與WINCC建立。最終經過調試，該冗余系統運行平穩，為井研第二污水處理廠的可靠運行提供了有力保障。正好借此機會給大家分享一下，有不足之處請多指教。

審核編輯：湯梓紅