摘要：本文主要介紹了海興縣污水處理廠自動控制系統(tǒng)的架構(gòu)、LK PLC系統(tǒng)配置及如何利用PLC實現(xiàn)全廠的自動控制。以和利時公司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，主站和遠程I/O 站采用Profibus-DP 通訊方式。水廠的自動控制系統(tǒng)，保證了污水生產(chǎn)運行的安全可靠，提高了污水處理的自動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

      進入21世紀以來，我國人口數(shù)量快速增長，用水需求量明顯加大，是我國城市可持續(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)境惡化問題刻不容緩。而隨著自動化技術(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控制器進行自動控制，上位計算機進行工藝參數(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行系統(tǒng)組成、功能等介紹。

      海興縣污水處理廠設(shè)計規(guī)模為日處理污水二萬噸，出水標準為一級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

2.1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

      污水處理廠自動化控制系統(tǒng)分為三級管理，包括生產(chǎn)管理級(中央控制室)、現(xiàn)場控制級(PLC控制站)及就地控制級?，F(xiàn)場各種數(shù)據(jù)通過PLC系統(tǒng)進行采集，并通過主干通訊網(wǎng)絡(luò)——工業(yè)以太網(wǎng)傳送到中央控制室監(jiān)控計算機集中監(jiān)控和管理。同樣，中央控制室監(jiān)控計算機的控制命令也通過上述通道傳送到PLC的測控終端，實施各單元的分散控制。

(1)生產(chǎn)管理級(中央控制室)

      中控室管理層是系統(tǒng)的核心，完成對污水處理過程各部分的管理和控制，并實現(xiàn)廠級的辦公自動化。通過高分辨率液晶顯示器及投影儀可直觀地動態(tài)顯示全廠各工藝流程段的實時工況、各工藝參數(shù)的趨勢畫面，操作人員可及時掌握全廠運行情況。

(2)現(xiàn)場控制級(PLC站)

      控制層是實現(xiàn)系統(tǒng)自動控制的關(guān)鍵。按照自動控制工藝要求，控制層的PLC通過程序控制整個污水處理廠的設(shè)備，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(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(設(shè)備層)

      將現(xiàn)場控制箱上的“就地/遠程”旋鈕切換至“就地”位置，通過箱上的“啟動/停止”按鈕實現(xiàn)設(shè)備的就地啟?？刂?。

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

圖1 控制系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)與配置

Fig.1 structure and configuration of control system

2.2 下位PLC系統(tǒng)配置

      海興縣污水廠自動控制系統(tǒng)采用北京和利時公司的LK系列PLC作為主控制器對生產(chǎn)過程進行監(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)控制功能的復雜程度和控制對象的點號統(tǒng)計進行相應的配置。據(jù)統(tǒng)計，整個污水廠需要PLC控制的I/O點共829，共分四個PLC控制站：1#PLC站僅有一個主站；2#PLC站僅有一個主站；3#PLC站包括主站和一個遠程從站；4#PLC站包括主站和兩個遠程從站。各個控制站的功能和分別如下：

   (1)污泥脫水機房工作站——1#PLC控制站

負責采集水廠進水水質(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)鼓風機房工作站——2#PLC控制站

   負責采集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

   負責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

   負責采集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，主站對各個從站的監(jiān)控和人機交互的可視性。

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、一臺故障打印機、一臺圖表打印機、一套UPS電源組成。

      中控室的兩臺監(jiān)控操作站，其中一臺為系統(tǒng)監(jiān)控管理計算機，可對在污水處理廠的各類設(shè)備狀態(tài)、工藝過程參數(shù)進行實時檢測和監(jiān)控，提供給操作人員、管理人員進行運行管理的人機界面，另一臺為信息監(jiān)控管理計算機，負責實時和定時記錄以及報表的生產(chǎn)和打印。

3 污水處理控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1下位PLC控制程序開發(fā)

      PLC程序設(shè)計采用北京和利時公司推出的Powerpro 下位機軟件，根據(jù)工藝要求，編寫格柵、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)主控對象為格柵機組、螺旋輸送機以及超聲波液位計。其控制可在監(jiān)控計算機上設(shè)置液位控制和定時控制，當采用液位控制時，是靠格柵的前后液位差來控制格柵機的啟停，當液位差達到設(shè)定的水位上限時，PLC控制器會發(fā)出命令啟動格柵設(shè)備；當水位差小于設(shè)置的下限時，格柵機組將接受到PLC控制器發(fā)出的停止的信號。操作人員可以在上位機上設(shè)定設(shè)備的啟停液位或者運行周期。

(2)提升泵控制

      提升泵的控制工藝要求是根據(jù)液位的高低來自動控制提升泵的啟停，項目現(xiàn)場采用兩用一備方式。當其中的泵出現(xiàn)故障時，故障泵會自動切出自控程序，備用泵會自動切入自控程序。這樣長期運行能保證泵的運行時間大致相同。

(3)旋流沉砂池系統(tǒng)控制

      旋流沉砂系統(tǒng)主控對象為攪拌器、羅茨風機和砂水分離器。系統(tǒng)工作原理如下：污水從沉砂池的切向進入，具有一定的流速，從而對沙礫產(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)生一個輕微的上升流動，從而帶動污水排出，流入下一道工藝流程進行處理。羅茨風機為旋流沉砂池提供空氣，達到氣提的作用，另外氣提直接將沉砂輸送到砂水分離器，實現(xiàn)沙礫與污水的徹底分離^[2]。其控制工藝要求如下：攪拌器、風機和砂水分離器以一定周期運轉(zhuǎn)，通過工程師站可以設(shè)定運行時間。

(4) CASS池系統(tǒng)控制

      CASS池系統(tǒng)操作周期分為四個步驟：曝氣階段，鼓風機向反應池內(nèi)充氧，此時有機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進行進一步氧化分解，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反應區(qū)，剩余污泥泵則將反應池多余污泥抽到污泥脫水間；潷水階段，沉淀結(jié)束后，置于反應池末端的潷水器開始工作，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CASS工藝的各個階段編寫控制子程序。

(5)曝氣生物濾池系統(tǒng)控制

      曝氣風機其控制工藝要求：曝氣風機為24小時運轉(zhuǎn)，每天中午12點更換一臺風機，這樣可以保證三臺風機運行的時間大體相等。

      反沖洗系統(tǒng)控制主要是控制反洗風機、反洗泵以及閥門來實現(xiàn)反沖洗的功能，每兩天進行一次反沖洗。

(6)V型濾池系統(tǒng)控制

      V型濾池系統(tǒng)的自動控制主要是濾池的自動反沖洗功能。子程序控制的主要設(shè)備有反洗泵、反洗風機、閥門以及儀表工藝參數(shù)，每兩天進行一次反沖洗。

3.2上位機監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

      本控制系統(tǒng)上位監(jiān)控系統(tǒng)采用北京和利時公司的上位機軟件FacView。監(jiān)控軟件將現(xiàn)場各分系統(tǒng)的運行狀態(tài)形象、直觀、實時地顯示在中控室的工控機上，使操作員在中控室能實時獲得現(xiàn)場數(shù)據(jù)和信息并對污水處理廠的運行進行管理。友好的人機界面把分散的、單回路的測控系統(tǒng)進行了統(tǒng)一的管理，另外還有數(shù)據(jù)報警、歷史數(shù)據(jù)存儲、報表顯示、趨勢顯示等多種功能。

      計算機監(jiān)控畫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、趨勢圖、報警圖、報表，各個畫面之間可以實現(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

      該自動控制系統(tǒng)實行集中控制，分散管理的方式，把管理層和控制層分開，通過對全過程的監(jiān)控，實現(xiàn)了污水處理整個過程的全自動化運營，保證了污水生產(chǎn)運行的安全可靠，大大提高了污水處理的自動化控制水平和管理水平，減輕了勞動強度，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)揮了相當重要的作用。自投產(chǎn)運行以來，控制系統(tǒng)運行平穩(wěn)，處理水質(zhì)達到排放標準，不僅改善了人們的生活環(huán)境，而且為社會的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮了積極的作用，取得了社會和經(jīng)濟雙重效益。

參考文獻

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

作者簡介：郭陽陽(1987-)，男，北京科技大學研究生，專業(yè)方向為自動化控制；呂衛(wèi)陽(1971-)，男，北京科技大學機械工程學院副教授，主要研究工業(yè)控制及自動化；李強(1982-)，男，北京和利時自動化驅(qū)動技術(shù)有限公司中級工程師，主要從事工業(yè)控制及儀表自動化；劉榮，男，北京和利時自動化驅(qū)動技術(shù)有限公司中級工程師，主要從事工業(yè)自動化及部門管理工作。