摘要：介紹了AC500系列PLC控制系統(tǒng)及基于其的三級分布式污水處理自控系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)構成、功能、主要特點,同時論述了該系統(tǒng)在SBR污水處理中的應用。
關鍵詞：可編程控制器 控制系統(tǒng) 污水處理
一 引言
ABB公司在收購了貝利（Bailey）公司后，將它旗下的多款控制系統(tǒng)整合到了以工業(yè)IT為基礎，針對目標技術的800XA系列控制系統(tǒng)中。在繼續(xù)為國內的電力，冶金，石化，造紙等行業(yè)提供整體的解決方案以外，已將它旗下的一款已有十幾年發(fā)展歷史的中小型控制系統(tǒng)AC31作為產品引入中國。目前在此基礎上推出更為現(xiàn)進的AC500系列，可為國內的系統(tǒng)集成和OEM等應用提供更多的選擇。本文將介紹此系統(tǒng)及其在污水處理中的應用。
二 AC500控制系統(tǒng)介紹
AC500系統(tǒng)由CPU，通訊模塊，CPU底板，I/O模塊和端子板，F(xiàn)BP接口模塊和端子板，CPU底板等組成,如圖1所示。
CPU
CPU有PM571、PM581 和PM591三個不同的等級。均帶有：LCD顯示、操作按鍵、一個SD卡的擴展口和兩個集成的串行通訊口。 CPU可直接插在CPU底板上，底板可選擇集成以太網(wǎng)或者ARCNET網(wǎng)絡接口。此外，保留的CS31的通訊接口是考慮到了和AC31等ABB公司其他系列PLC的兼容性。
通訊模塊
除了CPU上集成的通訊接口外，每一個CPU上還可最多擴展4個通訊接口。這4個通訊接口可擴展為任意的標準總線協(xié)議。CPU上集成的兩個 Modbus通訊接口和可選集成的以太網(wǎng)或ARCNET網(wǎng)絡接口外，通過通訊擴展接口還能擴展 : ProfibusDP-V1、DeviceNet、 CANopen和以太網(wǎng)等總線接口。
I/O 模塊
輸入/輸出模塊有模擬量和開關量兩大種類。每個輸入/輸出模塊均可直接插到端子板上，CPU本地和通過FBP分布式擴展的子站，可最大擴展到7個輸入/輸出模塊。AC500還可以提供每一點都可以根據(jù)用戶的需求及可設置為輸入又可設置為輸出的開關量模塊。
FBP 的接口模塊
這種模塊集成了一定數(shù)量的開關量輸入/輸出，并且通過它實現(xiàn)和CPU 的通訊和分布I/O。這個分布模塊后面又可最大擴展7個輸入/輸出模塊。
AC500 Control Builder 編程
AC500 Control Builder 編程是一套可對所有系列AC500 CPU進行編程的工程工具，這套編程軟件符合IEC61131-3的國際標準，可支持五種不同的編程語言：
－功能塊（FBD）
－語句表（IL）
－梯形圖（LD）
－結構文本（ST）
－順控圖（SFC）
這套軟件可完成AC500系統(tǒng)的全部設置，包括所有的總線接口，而且還有全面的自診斷功能、報警處理、可視化調試工具和開放的數(shù)據(jù)接口。此外還可以提供離線仿真,變量跟蹤功能,配方管理和監(jiān)視列表,可視化的調試工具,通訊接口的設置,開放的數(shù)據(jù)接口,工程接口.
三 SBR污水處理工藝介紹
序批式活性污泥法簡稱SBR （Sequence Batch Reactor）法，是早期充排式反應器的一種改進。隨著自動控制水平的提高，SBR法引起人們的重新重視，并對他進行了更加深入的研究與改進，自1985年我國第一座SBR處理設備在的投產，目前已經廣泛的應用在工業(yè)污水和城市污水的處理中 。
SBR工藝的基本操作流程由進水，反應，沉淀，出水和閑置等五個基本過程組成，從污水流入到閑置結束構成一個周期，在每個周期里上述過程都是在一個設有曝氣或攪拌裝置的反應器內依次進行的。
SBR工藝系統(tǒng)組成簡單（如圖2），不設二沉池，曝氣池兼具二沉池的功能，無污泥回流設備。SBR具有效率高，脫氫除磷效果好，防止污泥膨脹性能強，耐沖擊負荷和處理能力強等優(yōu)點。
四 AC500在SBR控制中的具體實現(xiàn)
SBR污水處理廠的自動控制系統(tǒng)由三級分布式控制系統(tǒng)組成（如圖3）。
第一級—監(jiān)控管理，由中央控制室的操作站實現(xiàn)。選用工控計算機，以TCP/ IP工業(yè)以太網(wǎng)與PLC系統(tǒng)通訊,實行集中控制。通過工控軟件實時監(jiān)視全廠工藝參數(shù)變化、設備運行、故障發(fā)生等情況，同時負責日常報表打印、事故打印和數(shù)據(jù)記錄等。
第二級—過程控制，由現(xiàn)場的各分系統(tǒng)或成套設備的控制系統(tǒng)實現(xiàn)。以AC500 PLC系統(tǒng)作為現(xiàn)場控制核心 ,按場區(qū)配置分站 ,通過CS31網(wǎng)與所屬分布I/O通訊對流量、液位、pH值、電機等參數(shù)進行采集、控制。
第三級—單機就地控制，由現(xiàn)場電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)。采用ABB公司的AC31系列產品組成分布I/O,采集現(xiàn)場參數(shù),執(zhí)行上一級PLC主站的控制命令。
監(jiān)控組態(tài)設計及與PLC主站的通訊
由于污水處理控制對象多且分散,生產工藝流程復雜,如果采用集中控制方式,則需要使用大量導線，在長距離傳輸過程中非常容易受到干擾,所以本系統(tǒng)采用分布式集散控制系統(tǒng),將管理與控制分離。計算機選用HP工業(yè)PC機,預裝北京昆侖通態(tài)公司的MCGS 5.5通用版。MCGS監(jiān)控組態(tài)設計包含監(jiān)控界面設計，定義數(shù)據(jù)變量，組態(tài)設計，動畫等方面。用MCGS提供的基本繪圖工具與元件庫創(chuàng)建圖形塊并進行組態(tài)設計，污水處理系統(tǒng)工藝流程組態(tài)畫面（如圖 4）：
鼓風機，水泵，運行閥的工作狀態(tài)可以通過動畫實時顯示；污水，污泥，藥水，空氣的流動方向及流量表的數(shù)據(jù)也能根據(jù)現(xiàn)場的情況隨時更新。操作人員在登陸并輸入用戶名和密碼后，可任意調入各局部工藝圖、運行表、設定表和控制表，工藝圖以圖形的方式顯示各個工段的工藝流程和數(shù)據(jù)，并能根據(jù)控制的需要直接設定現(xiàn)場的相應參數(shù)（例如，泵站的變頻器的恒定水位，報警水位，停泵水位的設定，排泥時間的設定等）。此外，系統(tǒng)還可以提供故障報警查詢，工作報表生成等功能。MCGS中的實時數(shù)據(jù)庫是監(jiān)控系統(tǒng)的核心，而數(shù)據(jù)變量是構成實時數(shù)據(jù)庫的基本單元。將用戶界面中的圖形對象與實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)變量建立聯(lián)系，現(xiàn)場的運行情況就可以通過動畫實時的顯示在監(jiān)控界面上了。
工控計算機只需一塊普通的網(wǎng)卡就可以通過Ethernet LAN接收到來自PLC主站的數(shù)據(jù)。PLC主站由1臺AC500系列PLC及相應的外圍設備組成,置于中央控制室。PLC主站從分布I/O接收數(shù)據(jù)，進行相關的處理與控制，同時通過標準工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP通訊模塊（TB521- ETH）傳輸給工控計算機,傳輸速率為10Mbit/s ,介質為屏蔽雙絞線。
PLC主站與分布I/O的通信
PLC主站與分布I/O的通訊網(wǎng)絡框圖，如圖5所示。
PLC主站通過CPU（PM581）上保留的CS31通訊接口、CS31通訊總線與分布I/O（AC31遠程擴展模塊）構成高速通訊網(wǎng)絡,隨時采集現(xiàn)場設備的運行狀況和故障信息,并上傳工控計算機 ,形成分布控制。
本系統(tǒng)共設8個分布I/O。從經濟角度考慮，由于AC500系統(tǒng)可以兼容AC31的遠程擴展模塊， 1#～8# 分布I/O分別選用AC31系統(tǒng)的遠程擴展模塊（ICMK14 N1-24DC）。分布I/O置于污水控制現(xiàn)場, 就近控制所屬設備,形成分布控制的能力,并采集現(xiàn)場設備的運行狀況和故障信息,通過CS31總線聯(lián)接到PLC主站 。CS31總線是一種點對多點的RS485串行通訊。每個通訊系統(tǒng)由一個主站和最大31個從站組成。通訊距離不加中繼為500米，加中繼最大可達到2000米。通訊介質為:屏蔽雙絞線。
以1＃分布I/O遠程擴展模塊為例，定義它的地址表，如表1：
地址%MX0.0.0至%MX0.0.7是ICMK14N1-M的系統(tǒng)保留區(qū)域，不能使用。地址%MX0.1.0至%MX0.1.7作為此遠程擴展模塊自帶的開關量輸入，分別對應進水泵房及沉砂池的相應設備。依照同樣的方法，可以繼續(xù)定義1＃分布I/O的（XI16E1,XC32L,HE10-20,…等）開關量及模擬量輸入/輸出模塊，然后依次是2＃～8＃分布I/O的所有模塊。
在完成所有I/O地址表的設定后，就可以通過AC500的Control Builder軟件來編寫PLC的內部通信程序。由于AC500的 Control Builder軟件可以提供現(xiàn)成的MODBUS功能塊，編程十分簡單。以1#分布I/O的讀指令為例，如圖6：
只需設定好MODBUS功能塊的（COM,SLAVE,FCT,ADDR,NB等）參數(shù)，PLC主站就可以順利的從1#I/O子站讀取數(shù)據(jù)。其中FCT，NB的參數(shù)可根據(jù)實際情況依照表2確定 。
運用MODBUS功能塊依次完成1～8＃分布I/O的讀，寫指令的編程，PLC主站與分布I/O之間的通信就建立完成了。在實際調試中，發(fā)現(xiàn)還需通過軟件的PLC組態(tài)選項，將MODBUS的參數(shù)：RTS control設置為“telegram”, Parity設置為 “none”，Operation Mode設置為：“Master”。至此，PLC的主站已經可以對I/O從站中的各種參數(shù)進行采集與控制，并通過以太網(wǎng)顯示在工控計算機的監(jiān)控界面上。
五 結語
以本文的研究結果為基礎的技術方案,在浙江某生活污水處理廠具體實施。實際的運行結果表明,其設計合理,安全可靠,控制精度高，滿足了生產的實際需要，性價比高。AC500 PLC系統(tǒng)除了有外形美觀，性能可靠，價格適中等特點，在項目具體實施中還具有如下優(yōu)點：可設置輸入/輸出的開關量模塊，為備用點數(shù)的設置提供了方便并能進一步降低成本；模擬量的每個輸入通道都可以設定電流，電壓或者熱電阻等輸入信號，使用方便；編程軟件中集成的MODBUS 功能塊，非常實用，易于操作，大大節(jié)省了編程時間；此外，CS31總線的連接只需要普通的屏蔽雙絞線就可以完成，成本低廉，操作靈活簡單。