高飛翔　孟凡鈺　丁成　楚金澄

摘 要：黃金在人類社會中占有重要地位，但是黃金尾礦的污水處理問題一直沒有得到有效的解決。針對礦井污水處理工作的過程中需要實時動態(tài)的進行調(diào)整多個參量的需求。吸取了方方面面經(jīng)驗，提出了基于PLC原理，設(shè)計了一種基于PLC的控制應(yīng)用模型，應(yīng)用PLC、現(xiàn)場總線技術(shù)、上位機監(jiān)控設(shè)備等能夠組成一個實時、高效、可靠的自動化系統(tǒng)。將其應(yīng)用于污水處理的自動控制系統(tǒng)，能夠處理廢水，將帶來良好的社會效益和可觀的經(jīng)濟效益，對環(huán)境保護起到重要作用，值得推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：PLC混合網(wǎng)絡(luò) 黃金尾礦 污水處理 應(yīng)用分析

中圖分類號：U664 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（a）-0170-03

人們對黃金的需求量日益增長，所以黃金工業(yè)也得到了迅猛發(fā)展，中國的黃金產(chǎn)量更是在2012年突破了400 t大關(guān)，連續(xù)6年位居世界第一[1]。不過黃金尾礦的污水處理一直是制約黃金工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要原因，黃金尾礦中既含有有害物質(zhì)，也含有大量的金、鐵、銀、銅等有價金屬和其他可利用資源[2-3]。以往的生產(chǎn)技術(shù)水平低下，無法有效解決黃金尾礦的問題，但是采用PLC混合網(wǎng)絡(luò)可以很好地解決上述問題。PLC（Programmable Logic Controller），即可編程邏輯控制器，專門為了在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用，是一種采用數(shù)字運算操作的電子裝置[4]。它的存儲器是工業(yè)控制的核心部分，其內(nèi)部存儲著各種面向用戶的指令，可以執(zhí)行計數(shù)、計時、算術(shù)運算、邏輯運算以及順序運算等操作，并能通過模擬式或者數(shù)字式的輸入及輸出來對各類型的機械或生產(chǎn)過程進行操控。PLC與其外圍設(shè)備共同組成一個整體，可以更好地擴展其功能。該項目是采用德國SIEMENS公司的S7-400系列的413-2 PLC作為主站，構(gòu)成ProfiBus-DP總線控制系統(tǒng)，使該污水處理系統(tǒng)按照工藝要求完成自動控制，其上位機的性能穩(wěn)定，具有較好的抗干擾性能；其工控組態(tài)軟件為WinCC，可以對上位機監(jiān)控功能進行組態(tài)，監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備。該文就采用西門子PLC組成西門子混合網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計一套網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)來處理黃金尾礦污水，取得了很好的效果，現(xiàn)將結(jié)果總結(jié)如以下幾點。

1 工藝流程

污水處理的目的就是通過分離污水中的污染物質(zhì)或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為無害物質(zhì)以達到凈化污水的目的。一般要先將大塊雜物除去，然后再將膠體物質(zhì)、懸浮固體以及溶解物質(zhì)等除去，主要分為三級處理[5-7]。一級處理是污水預(yù)處理階段，將黃金尾礦中的大塊固形物通過格柵機和篩網(wǎng)等進行攔截，并進行初步沉淀；二級處理是生物處理階段，通過“厭氧一缺氧一好氧”過程來對污水進行脫氮、除磷處理，向好氧區(qū)投加活性菌種，通過凝聚、吸附、氧化、分解、沉淀等過程來將污水中的有機污染物進行凈化和分解；三級處理是污泥處理階段，將處理達標后的污水直接排放，把多余的污泥經(jīng)由排泥泵送到機房進行脫水處理。

2 系統(tǒng)配置及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1 主站選型

位于中控室的PLC主站，主要負責讀取數(shù)據(jù)、寫入數(shù)據(jù)以及遠程監(jiān)控層通訊。選擇德國西門子PLC產(chǎn)品中的S7-400系列，主站為PLC，從站為ProfiBus-DP[8-11]。與之匹配的CPU為CPU412-3H的緊湊型CPU，帶有內(nèi)置接口，特點是組態(tài)靈活、數(shù)字處理能力強、操作簡潔、速度快，其內(nèi)部定時器多達126個，可以滿足工藝控制的時間要求。通訊為西門子的CP443-1，可以以多重協(xié)議方式來實現(xiàn)S7路由、S5兼容通訊（發(fā)送/接收）以及PG/OP通訊。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

主干網(wǎng)采用以太網(wǎng)，以多模四芯光纜作為傳輸介質(zhì)，傳輸速度為10/1OOM；以ProfiBus現(xiàn)場總線作為支網(wǎng)，以SIEMENS的ProfiBus-DP專用電纜作為傳輸介質(zhì)，傳輸速度為1.5 Mbps。該系統(tǒng)具有較高的數(shù)據(jù)傳輸效率，在系統(tǒng)和外部設(shè)備之間進行通信效果良好[12-15]。

2.3 上位機

中控室設(shè)有兩臺主機服務(wù)器，IBM-FINITY以及IBM-PC，在工控行業(yè)有多種組態(tài)軟件可選，選擇了SIMATIC的WinCC來完成該項目，可以縮短項目開發(fā)周期并提高通訊效率。該系統(tǒng)能夠監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，顯示數(shù)據(jù)和報表曲線以及定時打印，操作方便。

3 網(wǎng)絡(luò)原理及方案分析

3.1 DP Distributed I/Os網(wǎng)

ProfiBus（歐洲標準EN 50170和德國國家標準DIN 19245）在世較大范圍內(nèi)己經(jīng)得到了認可，ProfiBus-DP接口的現(xiàn)場設(shè)備總線上最多能夠掛接127個站點[16-18]。數(shù)據(jù)最小傳輸速率為9.6 kbps，最大傳輸速率為12 Mbps，當傳輸速率為12 Mbps時最大傳輸距離為l00 m，當傳輸速率為1.5 Mbps時最大傳輸距離為400 m，如果采用中繼器，則傳輸距離可以延長至l0 km。中央控制器對設(shè)備的輸入信息進行讀取并及時發(fā)回輸出信息，能夠有效保證總線循環(huán)時間小于控制器的程序循環(huán)時間；但是分站沒有中央處理單元，各分站之間采用IM153接口模塊通過DP總線進行相互連接。

3.2 MPI（Multi Point Interface）

多點接口，是用于PLC之間通訊的一種保密協(xié)議，具有簡單、經(jīng)濟、多點通信的特點。MPI網(wǎng)絡(luò)的通信速率為19.2 kbps～12 Mbps，可以連接的節(jié)點最多為32個，最大的通訊距離為50 m，而且如果采用中繼器，則可以擴展通訊距離，MPI網(wǎng)在內(nèi)置的S7協(xié)議下工作。如果主控單元或其相連的總線發(fā)生故障，可以通過MPI網(wǎng)將實現(xiàn)系統(tǒng)的無擾動切換，將當前的系統(tǒng)狀態(tài)寫入備用單元中。在程序初始化時，系統(tǒng)可以判斷出自己是否在線主控單元，然后調(diào)出公共信息區(qū)的數(shù)據(jù)并傳給系統(tǒng)，然后經(jīng)過掃描又可以把控制過程的狀態(tài)信號寫入公共信息區(qū)，經(jīng)過這樣的過程，二者可以動態(tài)完成信息交換。

3.3 FMS

即現(xiàn)場總線信息規(guī)范，是一種服務(wù)于現(xiàn)場通信功能的協(xié)議，在完成中等傳輸速度進行的循環(huán)和非循環(huán)的通信任務(wù)中起到重要作用。CPU可以記錄現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)，與負責無線通訊的CPU進行數(shù)據(jù)交換的就是FMS。

3.4 FDL

即數(shù)據(jù)鏈路層，由于網(wǎng)速的原因，MPI往往是在數(shù)據(jù)量不大、通信速率要求不高、通信數(shù)據(jù)量不大時才采用，所以可以用FDL來完成該系統(tǒng)的冗余連接，它的通信速率極高，可以達到1.5 Mbaud，只不過網(wǎng)絡(luò)接口是在CP443-1的接口模塊上，所以導致系統(tǒng)必須增加接口模塊，費用昂貴，可靠性較差。

3.5 S7網(wǎng)絡(luò)

這是一種連接操作主機與主控CPU的協(xié)議，使兩臺操作主機訪問主控CPU實際上是在同一條物理線路上完成的，適用性強，擴展了通用性，為用戶安裝帶來了較大便利。

4 討論

水與人類的生活息息相關(guān)。我國目前淡水資源的數(shù)量不斷減少，而且污染現(xiàn)象的發(fā)生較為嚴重。城市居民生活污水的排放是現(xiàn)階段江河湖泊水域污染的重要原因，是目前制約城市可持續(xù)發(fā)展的一個非常主要原因之一。我國生活用水系統(tǒng)水資源利用的問題突出。污染嚴重、耗水量高、重復利用率低等是引起世界各國越來越重視水的再利用以及水處理問題，當務(wù)之急是通過各種先進技術(shù)進一步提高供水質(zhì)量，達到提高經(jīng)濟效益的目的，隨著自動化水平的不斷提高，自動化系統(tǒng)在污水處理中也逐漸發(fā)揮出了其強大的優(yōu)勢，在處理廠自動化監(jiān)控的基礎(chǔ)上，對網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)實行全自動化控制管理，不僅具有系統(tǒng)操作與維護的方便性，也可以優(yōu)化處理效果并節(jié)省運行費用。西門子自動化產(chǎn)品得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在污水處理行業(yè)中更是得到廣泛應(yīng)用[19-21]，包括現(xiàn)場總線、可編程邏輯控制器（PLC）、低壓產(chǎn)品和組態(tài)軟件等。PLC的基本結(jié)構(gòu)與微型計算機類似，包括：（1）中央處理單元（CPU），它是PLC的控制中樞，可以診斷用戶程序中的語法錯誤，檢查存儲器和電源等的狀態(tài)；（2）電源，它可以支撐PLC系統(tǒng)正常工作；（3）輸入輸出接口電路，不同電路具有不同功能，可以通過現(xiàn)場輸出接口電路來向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號或者起到連接PLC與現(xiàn)場控制的接口界面的作用；（4）存儲器，可以用來存放應(yīng)用軟件及系統(tǒng)軟件；（5）功能模塊，可以起到定位、計數(shù)等功能；（6）通信模塊。PLC具有很多優(yōu)點：程序編制簡單，指令編制程序形象直觀，易于理解；可靠性高，體積小，控制系統(tǒng)組成簡單，通用性強，軟件包齊全，有較強的負載能力；可靠性高，抗干擾能力強，能適應(yīng)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，并且能夠進行故障檢測及自診斷程序；易于操作及維護，自診能力強，可以將故障顯示給操作人員；設(shè)計、施工、調(diào)試周期短，調(diào)試快速方便，大大縮短了設(shè)計周期和投運周期，節(jié)省成本。其功能包括數(shù)據(jù)處理、通訊、開關(guān)量控制、模擬量處理、計數(shù)控制、限時控制、步進控制以及聯(lián)網(wǎng)等。由于組態(tài)軟件實時多任務(wù)、運行可靠、使用靈活、接口開放、功能多樣，具有很強的實用價值，所以運用工控組態(tài)軟件來實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控任務(wù)成為了工業(yè)發(fā)展中的必然趨勢。該項目從控制網(wǎng)絡(luò)的選擇，到監(jiān)控系統(tǒng)的建立，提出的解決方案都較快且較經(jīng)濟，研究涉及到自動控制、環(huán)境工程、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和儀器儀表等多學科?？傊?，采用德國SIEMENS公司的S7-400系列的PLC，可以提高黃金尾礦污水處理工程的自動化水平，提高生產(chǎn)率，穩(wěn)定出水質(zhì)量，帶來良好的社會效益，值得推廣應(yīng)用。

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