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基于WINcc和PLC的污水处理提升泵优先度控制

发布时间:2015-05-21 来源:朱万浩,方昌始 类型:解决方案 人浏览
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关键字:

污水处理;提升泵站;液位控制;优先度控制

导读:

本文介绍了德国西门子公司组态软件WINcc和S7-400PLC在污水厂提升泵站自控系统改造项目中的应用情况,叙述了提升泵控制用的组态软件WINcc和PLC程序,并对液位控制和优先度控制方法的实现作了叙述。运行结果表明,该系统设计合理,运行可靠。

1  引言
随着经济的快速发展,城市规模日益扩大,导致生活污水、工业废水不断增加,因此,增大污水处理量成为污水处理厂的首要任务。而提升泵站是污水处理系统中的重要一环,它肩负着把污水从各个区域输送到污水处理厂的任务。对提升泵站的提升泵控制的要求是尽量避免频繁启动(易造成电气和机械设备的冲击,影响设备寿命)、保持提升泵在高液位运行、避免长时间运行或闲置某一台泵(防止提升泵放置太久被污泥等杂物堵塞)。因此,对提升泵实施液位控制和优先度控制,能够有效的防止设备损坏以及增强提升泵站污水输送能力等问题。

2  系统概述
广州某污水处理厂共有4座提升泵站,分布在市内的不同区域,分别负责收集该地区不同乡镇污水收集,统一通过管网送到污水厂集中处理。随着污水的增加和市政管网建设的完善,该厂受纳污水量逐年增大。当时因技术原因,提升泵等全部使用工频运行,只能根据污水量的大小人工的启停水泵,或通过调节水泵出口闸的办法控制流量;上位机系统则只能显示设备的运行情况,无法远程控制系统自动化运行。因此,为了加大泵站的污水输送能力和实现自动化运行,通过对泵站软、硬件系统进行改造达到增大输送污水能力和自动化运行的效果,整个污水厂的网络系统如图1所示。

图1  系统构成图

3  硬件部分
该污水处理厂的4座提升泵站均有3台泵(流量为65m3/h、驱动电机功率7.5Kw,工频运行),该提升泵站日提升污水能力为0.5万吨/天。为了加大污水处理能力和实现工厂自动化控制,对提升泵站进行技术改造。根据改造的要求,原来三台泵换为大功率泵(流量300 m3/h、驱动电机功率11Kw,工频运行),另再增加一台备用泵(共4台,其中3用1备)。供配电房增加三台变频柜,供提升泵使用。此外,中控室电脑更换为DELL OptiPlex780/22”LCD,增加两台UPS(山特, 3KVA,额定负载放电≥30min),防止断电备用;增加一台打印机(HP,Deskjet 1280,4800×1200 dpi)定时打印日月报表。在设计方案中,对PLC产品的选择本着技术先进、性价比高、安全可靠、完全开放的原则采用西门子S7-400系列[1],它是用于中、高档性能范围的可编程序控制器,能满足中、高档性能要求的应用,模块化结构及无风扇的设计,坚固耐用,容易扩展和广泛的通讯能力,容易实现的分布式结构以及用户友好的操作使SIMATIC S7-400成为中、高档性能控制领域中首选的理想解决方案,泵站的网络系统如图2所示。

 

图2  泵站构成图

4  组态软件WINcc及其控制策略
SIEMENS开发的WINCC是一套世界领先的工业自动化软件,它集强大功能、安全性、通用性和易用性于一身,提供了生产操作的过程可视化、数据采集和数据监视[2]。它具有如下优点:可以精确地监视控制生产过程,并优化生产设备和企业资源管理;能够对产生事件快速反应、减少原材料消耗、提高生产率,提高用户收益;强大的分布式、客户/ 服务器结构,包括了可灵活构造的服务器(SCADA Server)和客户端(iClient、iClientTS 和iWebServer)。在提升泵站中,提升泵的控制方法有两种,一种是液位控制法,根据液位的高低调节提升泵的启停及转速;另一种是优先度控制法,在上位机中根据运行时间和开启频率,设定开启顺序,最终达到提升泵效率的最优配置。
4.1  液位控制法
系统控制设计可分为就地/远程、手动/自动的控制方式。在默认的情况下,程序置于自动的模式中,当自动控制系统出现故障时,可在上位机调节到手动方式,也可现场调到就地状态(此时优先级最高),如图3所示。

图3  提升泵控制原理图

液位控制方法[3]:
1、当液位低于泵运行下限液位1.3米或高于上限11.0米时,上位机系统WINcc系统发出报警。液位低于1.3米,所有的泵已经停止运行;液位高于11.0米时,所有的泵工频运行,高速运转。
2、当液位低于1.5米时,所有泵停止运行,此时系统不报警。
3、启动一台泵的运行范围是当液位上升到3.0米或者下降到1.5米。当泵房的水位慢慢上升,上升到3.0米时,第一台泵开始启动,直到液位低于1.5米时泵停止运转。
4、启动二台泵的运行范围是当液位上升到5.0米或者下降到2.0米。液位高于3.0米时,已经有一台泵在运行,当液位上升到5.0米时,第二台泵启动,直到液位下降到2.0米时,第二台泵停止。
5、启动三台泵的运行范围是当液位上升到6.5米或者下降到4.5米。液位高于5米时,已经有两台泵运行,当液位上升到6.5米以上,三台泵都运行,当液位低于4.5米时,第三台泵停止运转。(如图4所示)

图4  提升泵控制设定画面

6、变频柜用途及操作过程:在泵站构成图中,三台提升泵连接三台变频柜,另外一台备用的提升泵采用△/Y启动,工频运行(如图2所示)。在泵的启动及运转过程中,变频柜通过改变电源频率调节泵的转速,从而达到节能和保护电机及电网的功能。当泵自动运行时,程序把超声波液位计的模拟量输入值转换为HIS用,即0(4mA)~27648(20mA)转换为0~32767,经过PLC处理后,将模拟量输出值0~32767转换为计算值0(4mA)~27648(20mA)。举例:第一台泵的运转范围是1.5米到3.0米,当液位为1.5米时,程序员设定变频器的最低运转频率为30Hz,程序中设定1.5米对应变频器30Hz,当液位为3.0米时,变频器50Hz运行;第二台泵的运转范围是2.0米到5.0米,当液位为2.0米时,变频器30Hz运行,当液位上升至5.0米时,变频器50Hz运行;第三台泵的运转范围是4.5米到6.5米,当液位为4.5米时,变频器30Hz运行,当液位上升至6.5米时,变频器50Hz运行。当液位超出泵的运转范围时,泵工频运行;当液位低于泵的运转范围时,泵停止运行;当其中一台泵出现故障时,程序立即切换备用泵启动运行,如图4所示。

图5  1#提升泵监控画面

在上位机监控界面中,图5所示为WINcc的提升泵的自动设定窗口的运行界面。在这个界面中,工作人员可以设定泵的运行、停止液位等参数。提升泵站分1#提升泵房和2#提升泵房,图5为1#提升泵房的监控画面,其中有两台提升泵、1台超声波液位计,在上位机画面上监控提升泵的运行状态以及液位计的液位。
在PLC编程软件中[1],设计人员在主程序0B1建立如图6所示的数据处理和提升泵控制程序,然后在子程序中调用提升泵控制程序,如图7所示。最后在这个控制程序块编写根据液位高低控制提升泵的启停。
4.2  优先度控制法[4]
在PLC程序中考虑了提升泵负载均匀分配和启动频率控制,此优先度控制有别于传统控制方式之处是对泵启动次序和运行时间进行控制,可以保证在泵站长时间运行过程中各泵的负荷均匀分配。为了便于控制,须将4台泵按1#、2#、3#、4 #的顺序排列,在 PLC和上位机中设立每台泵的启动和停止指令,存放在相应的内存单元中。

图6  提升泵主程序

图7  调用提升泵子程序

图8  提升泵优先度设定

优先度控制的设计思想是当一台泵启动时,其相应的本次运行时间开始计时,当它停止时,本次运行时间计时停止,同时将其运行时间加到累计运行时间上。操作者可以在上位机上直接的观察每台泵的运行时间(如图8所示),需要切换启动顺序可直接在上位机上点击选择,选中之后蓝色的按钮会闪烁,表示选择成功,再按确认键,即可实现泵按设定顺序启动。这种根据累计运行时间来选择泵的启动顺序,可以避免一台或数台泵长期工作,其他泵闲置的情况,PLC调用优先度控制程序如图9所示。

图9  调用优先度控制程序

 

5  结束语
通过对广州某污水处理厂4座提升泵站的改造,使提升泵站日输送污水能力达到2万吨/天,污水处理总厂的污水量达10万吨/天。另外,对污水提升泵实施液位控制和优先度控制,减少了电压、电流对泵和机械设备的冲击,延长了泵的使用寿命。上位机的配合使用还实现了设备远程监控、参数设置、报表生成等功能,大大减轻了现场操作人员的抄表记录的工作量。此控制方案设计合理、运行稳定、可靠,该系统已投入运行半年,达到控制目的和要求,厂方对此满意。

参考文献:
[1] 廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].北京:机械工业出版社,2012.
[2] 甄立东.西门子WinCC V7基础与应用[M].北京:机械工业出版社,2011.
[3] 李洪扩,李先江.模糊控制在污水处理中的应用[J].自动化与仪器仪表,2009,(3):40-41.
[4] 马西庚,戴永寿,李 林.污水处理中泵站的优化控制.自动化与仪表[J].2007,(6):85-88.

 

 

 

 

 

 

 

 

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