摘要：本文主要介紹了海興縣污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)的架構(gòu)、LK PLC系統(tǒng)配置及如何利用PLC實(shí)現(xiàn)全廠的自動(dòng)控制。以和利時(shí)公司LK PLC作為控制器，中控室和全廠各主站之間采用光纖工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式，主站和遠(yuǎn)程I/O 站采用Profibus-DP 通訊方式。水廠的自動(dòng)控制系統(tǒng)，保證了污水生產(chǎn)運(yùn)行的安全可靠，提高了污水處理的自動(dòng)化控制水平和管理水平，提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：污水處理；可編程控制器；自動(dòng)控制系統(tǒng)

Application of Automation Control System Based on LK PLC in Sewage Treatment Plant

GUO Yang-yang, LV Wei-yang，LI Qiang，LIU Rong

(University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Abstract: This paper mainly introduces the automation system structure, LK PLC system configuration and how to utilize PLC to achieve automation control in sewage treatment plant. LK PLC made by Hollysys Company is adopted as the controller. Central control room comminutes with master stations via optical fiber industrial Ethernet, while Profibus-DP is utilized for the communication between master stations and remote I/O stations. The automation control system guarantees the stability of sewage treatment process and improves the level of automation control and management of waste water treatment and enhances productivity and efficiency.

Key words: Sewage Treatment; PLC; Automation Control System

1 引言

      進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)人口數(shù)量快速增長(zhǎng)，用水需求量明顯加大，是我國(guó)城市可持續(xù)發(fā)展的主要矛盾之一，因此解決城市水資源缺乏和水環(huán)境惡化問(wèn)題刻不容緩。而隨著自動(dòng)化技術(shù)在各行業(yè)的不斷發(fā)展，污水處理行業(yè)的自動(dòng)化水平也在快速提高。目前，在污水處理行業(yè)中多采用PLC控制器進(jìn)行自動(dòng)控制，上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行工藝參數(shù)監(jiān)視和設(shè)置的系統(tǒng)控制模式^[1]。本文以海興縣污水處理廠為例進(jìn)行系統(tǒng)組成、功能等介紹。

      海興縣污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為日處理污水二萬(wàn)噸，出水標(biāo)準(zhǔn)為一級(jí)A。水廠工程采用CASS+深度處理工藝，廠區(qū)主要由格柵及沉砂系統(tǒng)、提升泵房、CASS池生物反應(yīng)系統(tǒng)、曝氣生物濾池系統(tǒng)、V型濾池系統(tǒng)及污泥濃縮系統(tǒng)構(gòu)成。

2 污水處理控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

      污水處理廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)分為三級(jí)管理，包括生產(chǎn)管理級(jí)(中央控制室)、現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)(PLC控制站)及就地控制級(jí)?，F(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)通過(guò)PLC系統(tǒng)進(jìn)行采集，并通過(guò)主干通訊網(wǎng)絡(luò)——工業(yè)以太網(wǎng)傳送到中央控制室監(jiān)控計(jì)算機(jī)集中監(jiān)控和管理。同樣，中央控制室監(jiān)控計(jì)算機(jī)的控制命令也通過(guò)上述通道傳送到PLC的測(cè)控終端，實(shí)施各單元的分散控制。

(1)生產(chǎn)管理級(jí)(中央控制室)

      中控室管理層是系統(tǒng)的核心，完成對(duì)污水處理過(guò)程各部分的管理和控制，并實(shí)現(xiàn)廠級(jí)的辦公自動(dòng)化。通過(guò)高分辨率液晶顯示器及投影儀可直觀地動(dòng)態(tài)顯示全廠各工藝流程段的實(shí)時(shí)工況、各工藝參數(shù)的趨勢(shì)畫(huà)面，操作人員可及時(shí)掌握全廠運(yùn)行情況。

(2)現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)(PLC站)

      控制層是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制的關(guān)鍵。按照自動(dòng)控制工藝要求，控制層的PLC通過(guò)程序控制整個(gè)污水處理廠的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及參數(shù)(如壓力、流量、溫度、PH值等)的采集，以及執(zhí)行管理層的命令。

(3)就地控制級(jí)(設(shè)備層)

      將現(xiàn)場(chǎng)控制箱上的“就地/遠(yuǎn)程”旋鈕切換至“就地”位置，通過(guò)箱上的“啟動(dòng)/停止”按鈕實(shí)現(xiàn)設(shè)備的就地啟?？刂?。

海興縣污水廠控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與功能配置如圖1 所示：

圖1 控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與配置

Fig.1 structure and configuration of control system

2.2 下位PLC系統(tǒng)配置

      海興縣污水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)采用北京和利時(shí)公司的LK系列PLC作為主控制器對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視和控制。模塊式PLC控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括CPU模塊、I/O模塊、通訊模塊、電源模塊、接口模塊等，根據(jù)控制功能的復(fù)雜程度和控制對(duì)象的點(diǎn)號(hào)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的配置。據(jù)統(tǒng)計(jì)，整個(gè)污水廠需要PLC控制的I/O點(diǎn)共829，共分四個(gè)PLC控制站：1#PLC站僅有一個(gè)主站；2#PLC站僅有一個(gè)主站；3#PLC站包括主站和一個(gè)遠(yuǎn)程從站；4#PLC站包括主站和兩個(gè)遠(yuǎn)程從站。各個(gè)控制站的功能和分別如下：

   (1)污泥脫水機(jī)房工作站——1#PLC控制站

負(fù)責(zé)采集水廠進(jìn)水水質(zhì)數(shù)據(jù)，以及格柵系統(tǒng)、旋流沉砂系統(tǒng)、污泥濃縮系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)采集和設(shè)備的控制。

   (2)鼓風(fēng)機(jī)房工作站——2#PLC控制站

   負(fù)責(zé)采集CASS池水質(zhì)數(shù)據(jù)，以及攪拌系統(tǒng)、潷水系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)的采集和設(shè)備的控制。

   (3)曝氣生物濾池工作站——3#PLC控制站

   負(fù)責(zé)采集曝氣生物濾池水質(zhì)數(shù)據(jù)，以及二次提升系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、反沖洗系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)的采集和設(shè)備的控制。

   (4)V型濾池工作站——4#PLC控制站

   負(fù)責(zé)采集V型濾池水質(zhì)數(shù)據(jù)，以及反沖洗系統(tǒng)、出水系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)的采集和設(shè)備的控制。

   總而言之，PLC 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了主站與從站的數(shù)據(jù)交換及數(shù)據(jù)處理，主站對(duì)各個(gè)從站的監(jiān)控和人機(jī)交互的可視性。

2.3 上位監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置

      工程師和操作員站設(shè)立在中控室，其主要由兩套互為冗余的操作站、一套投影儀、一臺(tái)故障打印機(jī)、一臺(tái)圖表打印機(jī)、一套UPS電源組成。

      中控室的兩臺(tái)監(jiān)控操作站，其中一臺(tái)為系統(tǒng)監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)，可對(duì)在污水處理廠的各類(lèi)設(shè)備狀態(tài)、工藝過(guò)程參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和監(jiān)控，提供給操作人員、管理人員進(jìn)行運(yùn)行管理的人機(jī)界面，另一臺(tái)為信息監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)和定時(shí)記錄以及報(bào)表的生產(chǎn)和打印。

3 污水處理控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1下位PLC控制程序開(kāi)發(fā)

      PLC程序設(shè)計(jì)采用北京和利時(shí)公司推出的Powerpro 下位機(jī)軟件，根據(jù)工藝要求，編寫(xiě)格柵、提升泵房、旋流沉砂池、CASS池、二次提升泵、曝氣生物濾池、V型濾池等子程序。污水處理工藝流程圖如圖2所示：

圖2 污水處理工藝流程圖

Fig.2 Flow chart of sewage treatment process

(1)格柵系統(tǒng)控制

      格柵系統(tǒng)主控對(duì)象為格柵機(jī)組、螺旋輸送機(jī)以及超聲波液位計(jì)。其控制可在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上設(shè)置液位控制和定時(shí)控制，當(dāng)采用液位控制時(shí)，是靠格柵的前后液位差來(lái)控制格柵機(jī)的啟停，當(dāng)液位差達(dá)到設(shè)定的水位上限時(shí)，PLC控制器會(huì)發(fā)出命令啟動(dòng)格柵設(shè)備；當(dāng)水位差小于設(shè)置的下限時(shí)，格柵機(jī)組將接受到PLC控制器發(fā)出的停止的信號(hào)。操作人員可以在上位機(jī)上設(shè)定設(shè)備的啟停液位或者運(yùn)行周期。

(2)提升泵控制

      提升泵的控制工藝要求是根據(jù)液位的高低來(lái)自動(dòng)控制提升泵的啟停，項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)采用兩用一備方式。當(dāng)其中的泵出現(xiàn)故障時(shí)，故障泵會(huì)自動(dòng)切出自控程序，備用泵會(huì)自動(dòng)切入自控程序。這樣長(zhǎng)期運(yùn)行能保證泵的運(yùn)行時(shí)間大致相同。

(3)旋流沉砂池系統(tǒng)控制

      旋流沉砂系統(tǒng)主控對(duì)象為攪拌器、羅茨風(fēng)機(jī)和砂水分離器。系統(tǒng)工作原理如下：污水從沉砂池的切向進(jìn)入，具有一定的流速，從而對(duì)沙礫產(chǎn)生離心力，使較重的沙礫沿池壁沉降到池底集砂槽。攪拌器的槳葉旋轉(zhuǎn)形成軸向渦流，產(chǎn)生一個(gè)輕微的上升流動(dòng)，從而帶動(dòng)污水排出，流入下一道工藝流程進(jìn)行處理。羅茨風(fēng)機(jī)為旋流沉砂池提供空氣，達(dá)到氣提的作用，另外氣提直接將沉砂輸送到砂水分離器，實(shí)現(xiàn)沙礫與污水的徹底分離^[2]。其控制工藝要求如下：攪拌器、風(fēng)機(jī)和砂水分離器以一定周期運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)工程師站可以設(shè)定運(yùn)行時(shí)間。

(4) CASS池系統(tǒng)控制

      CASS池系統(tǒng)操作周期分為四個(gè)步驟：曝氣階段，鼓風(fēng)機(jī)向反應(yīng)池內(nèi)充氧，此時(shí)有機(jī)污染物被微生物氧化分解；沉淀階段，微生物利用水中剩余的DO進(jìn)行進(jìn)一步氧化分解，活性污泥逐漸沉淀到池底，上層水變清，污泥回流泵將部分活性污泥送回預(yù)反應(yīng)區(qū)，剩余污泥泵則將反應(yīng)池多余污泥抽到污泥脫水間；潷水階段，沉淀結(jié)束后，置于反應(yīng)池末端的潷水器開(kāi)始工作，自上而下逐漸排出上清液；閑置階段，潷水器上升到原始位置階段，等待下一周期潷水。根據(jù)上述工藝要求，對(duì)CASS工藝的各個(gè)階段編寫(xiě)控制子程序。

(5)曝氣生物濾池系統(tǒng)控制

      曝氣風(fēng)機(jī)其控制工藝要求：曝氣風(fēng)機(jī)為24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，每天中午12點(diǎn)更換一臺(tái)風(fēng)機(jī)，這樣可以保證三臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的時(shí)間大體相等。

      反沖洗系統(tǒng)控制主要是控制反洗風(fēng)機(jī)、反洗泵以及閥門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)反沖洗的功能，每?jī)商爝M(jìn)行一次反沖洗。

(6)V型濾池系統(tǒng)控制

      V型濾池系統(tǒng)的自動(dòng)控制主要是濾池的自動(dòng)反沖洗功能。子程序控制的主要設(shè)備有反洗泵、反洗風(fēng)機(jī)、閥門(mén)以及儀表工藝參數(shù)，每?jī)商爝M(jìn)行一次反沖洗。

3.2上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

      本控制系統(tǒng)上位監(jiān)控系統(tǒng)采用北京和利時(shí)公司的上位機(jī)軟件FacView。監(jiān)控軟件將現(xiàn)場(chǎng)各分系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)形象、直觀、實(shí)時(shí)地顯示在中控室的工控機(jī)上，使操作員在中控室能實(shí)時(shí)獲得現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和信息并對(duì)污水處理廠的運(yùn)行進(jìn)行管理。友好的人機(jī)界面把分散的、單回路的測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了統(tǒng)一的管理，另外還有數(shù)據(jù)報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)表顯示、趨勢(shì)顯示等多種功能。

      計(jì)算機(jī)監(jiān)控畫(huà)面主要包括全廠工藝圖、格柵及沉砂系統(tǒng)、CASS工藝、曝氣生物濾池、V型濾池、儀表數(shù)據(jù)圖、趨勢(shì)圖、報(bào)警圖、報(bào)表，各個(gè)畫(huà)面之間可以實(shí)現(xiàn)自由切換，全廠工藝圖如圖3所示：

圖3 海興縣污水廠全廠工藝圖

Fig.3 The flow chart of HaiXing County Sewage Treatment Plant

4 結(jié)語(yǔ)

      該自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)行集中控制，分散管理的方式，把管理層和控制層分開(kāi)，通過(guò)對(duì)全過(guò)程的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了污水處理整個(gè)過(guò)程的全自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)，保證了污水生產(chǎn)運(yùn)行的安全可靠，大大提高了污水處理的自動(dòng)化控制水平和管理水平，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，從而提高了生產(chǎn)效率，降低了水廠能耗。其中，PLC 控制器發(fā)揮了相當(dāng)重要的作用。自投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，處理水質(zhì)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，不僅改善了人們的生活環(huán)境，而且為社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮了積極的作用，取得了社會(huì)和經(jīng)濟(jì)雙重效益。

參考文獻(xiàn)

 [1]羅春，馬立實(shí)，吳堅(jiān)，周超平.論國(guó)內(nèi)城市污水處理現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).2007全國(guó)水處理技術(shù)研討會(huì)論文集. 2007：1

[2]李耀剛，劉學(xué)東，水蘭素.旋流沉砂池的PLC控制[J].機(jī)電工程技術(shù)，2003，32(4):58-59.

作者簡(jiǎn)介：郭陽(yáng)陽(yáng)(1987-)，男，北京科技大學(xué)研究生，專(zhuān)業(yè)方向?yàn)樽詣?dòng)化控制；呂衛(wèi)陽(yáng)(1971-)，男，北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授，主要研究工業(yè)控制及自動(dòng)化；李強(qiáng)(1982-)，男，北京和利時(shí)自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司中級(jí)工程師，主要從事工業(yè)控制及儀表自動(dòng)化；劉榮，男，北京和利時(shí)自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司中級(jí)工程師，主要從事工業(yè)自動(dòng)化及部門(mén)管理工作。