基于PLC的自動控制系統(tǒng)在污水處理廠的應用

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CONTROL ENGINEERING China版權所有，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)構成。

2 污水處理控制系統(tǒng)的硬件設計

2.1 控制系統(tǒng)整體結構

污水處理廠自動化控制系統(tǒng)分為三級管理，包括生產管理級(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——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備，實現(xiàn)對現(xiàn)場設備運行狀態(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)設備的就地啟?？刂啤?/p>

海興縣污水廠控制系統(tǒng)的拓撲結構與功能配置如圖1 所示：

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)設備的狀態(tài)采集和設備的控制。

(2)鼓風機房工作站——2#PLC控制站

負責采集CASS池水質數(shù)據(jù)，以及攪拌系統(tǒng)、潷水系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)設備狀態(tài)的采集和設備的控制。

(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)設備狀態(tài)的采集和設備的控制。

(4)V型濾池工作站——4#PLC控制站

負責采集V型濾池水質數(shù)據(jù)，以及反沖洗系統(tǒng)、出水系統(tǒng)設備狀態(tài)的采集和設備的控制。

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和打印。

3 污水處理控制系統(tǒng)的軟件設計

3.1下位PLC控制程序開發(fā)

PLC程序設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：

(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，當液位差達到設定的水位上限時，PLC控制器會發(fā)出命令啟動格柵設備;當水位差小于設置的下限時，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定設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。攪拌器的槳葉旋轉形成軸向渦流CONTROL ENGINEERING China版權所有，產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，通過工程師站可以設定運行時間。