城市污水處理自控系統總體方案設計

摘 要:通過對LIER-POOLK工藝深入研究，針對其自動化程度要求高的特點，在自控系統總體方案設計中根據污水處理工藝流程，綜合運用自動化技術#65380;計算機技術#65380;網絡技術#65380;數據庫技術#65380;管控一體的設計思路，開發“基于LIER-POOLK工藝的城市污水處理自控系統”#65377;

關鍵詞:城市污水處理;自控系統;方案

1 城市污水處理自控系統總體方案概述

(1)在污水處理過程中要求整個系統必須安全#65380;可靠運行，在工藝設備#65380;儀表#65380;電氣自控系統#65380;計算機和網絡系統#65380;電視監控系統的選型和系統設計#65380;軟件設計等方面，系統的可靠性是設計考慮的第一原則，作為控制系統核心設備的PLC，選用德國西門子公司的S7-300系列產品及其相應的開發軟件#65377;

(2)污水處理處理廠的自控系統采用PC+PLC分級分布式控制形式，以集中監測為主，分散控制為輔，在中控室運行監控計算機上可對全廠的各工序進行實時監控，生產的工藝過程自動控制采用就地單獨控制的原則進行，并在污水處理過程關鍵工序配置西門子MP 270B觸摸面板(人機界面HMI )作為現場工程師操作站#65377;

(3)為保證污水處理廠的安全運行，自控系統設立三級控制層:就地手動控制#65380;現場控制和遠程監控#65377;就地手動控制是指通過設備本地控制箱手動控制設備的開啟或關閉;現場控制是指由現場各分控站PLC執行自己的控制程序，完成控制功能;遠程監控是指由中控室通過工業以太網高速冗余光纖環網對全廠的生產過程進行控制#65380;監測和記錄，對工藝現場設備對象實現狀態遷移管理#65377;三級控制層的關系如下:中控室上位機可通過各現場的PLC子站直接控制有關設備和主要設備，如果中控室或網絡發生故障，不會影響各PLC分站的控制功能，如果PLC網絡中某個PLC子站發生故障，操作員可通過就地控制箱對設備進行控制#65377;

(4)設備發生異常#65380;故障或報警時，系統可自動切除相關故障設備或切換到現場手動操作方式，同時記錄事故內容，并對相關參數進行事故追憶#65377;

(5)上位計算機綜合應用程序開發選用德國西門子公司的WINCC 5.1組態軟件，以監控工藝運行的圖形界面#65380;控制網絡運行參數和指令的通信#65380;運行和歸檔數據庫開發為重點#65377;

(6)一體化生物反應器控制系統的設計根據生產工藝的具體要求，監控一體化生物反應器各個工藝設備的運行，實現處理過程的時間及空間控制，形成好氧#65380;厭氧或缺氧條件，以完成具體工藝處理目標#65377;

(7)為了對生產現場和重要設備實施遠程監視，在鼓風機房#65380;一體化生物反應器#65380;污泥脫水機房#65380;廠區環境等重要部位安裝攝像機，構成遠程電視監視系統，在中控室可全廠重要設備進行全天24小時監視#65377;

2 城市污水處理自控系統的總體結構

本工程項目二期工程中控室和各工段的地理位置分布示意圖如圖1所示#65377;中控室的建筑物使用一期工程己建設好的設施，與一期工程的中央監控設備共用一個監控大廳#65377;

工業以太網是基于IEEE 802.3 (Interment)的強大的區域和單元網絡#65377;作為西門子T.I.A(全集成自動化構架)重要組成部分，SIMATIC NET基于經過現場應用驗證的技術，用于嚴酷的工業環境，包括有高強度電磁千擾的區域#65377;

3 SIMATIC NET工業以太網絡組件

典型的工業以太網絡環境，有以下三類網絡器件:

(1)網絡部件#65377;

包括:連接部件#65380; FC快速連接插座#65380; ELS(工業以太網電氣交換機)#65380;ESM(工業以太網電氣交換機)#65380;SM(工業以太網光纖交換柳#65380;MC TPll(工業以太網光纖電氣轉換模塊)#65377;

(2)通信介質:普通雙絞線，工業屏蔽雙絞線和光纖#65377;

SIMATIC PLC控制器上的工業以太網通訊外理器#65377;用于將SIMATIC PLC連接到工業以太網#65377;

(3)PG/PC上的工業以太網通訊外理器，用于將PG/PC連接到工業以太網#65377;

利用工業以太網，SIMATIC NET提供了一個無縫集成到全業務功能(管控一體化及綜合信息處理)的途徑#65377;

4 工藝過程控制PLC控制站組成

(1)組成#65377;

S7-300系列產品是模塊化中小型PLC系統，能滿足中等性能要求的應用#65377;大范圍的各種功能模塊可以非常好地滿足和適應自動控制任務，由于簡單實用的分散式結構和多界面網絡能力，使得應用十分靈活，方便用戶和簡易的無風扇設計，當控制任務增加時，可自由擴展，由于大范圍的集成功能使得它功能非常強勁#65377;

如果用戶的自控系統任務需要多于8個信號模塊或通訊處理器模塊時，則可以擴展s7-300機架((CPU314以上):(1)在4個機架上最多可安裝32個模塊:最多3個擴展機架(ER)可以接到中央機架(CR)上，每個機架(CR/ER)可以插入8個模塊#65377;(2)通過接口模塊連接:a.每個機架上(CR/ER)都有它自己的接口模塊#65377;它總是插在CPU旁邊的槽內，負責與其他擴展機架自動地進行通訊;b.通過IM365擴展，可擴展1個機架，最長1米，電源也是由此擴展提供#65377;C.通過IM360/361擴展，可擴展3個機架，中央機架(cR)擴展機架但擴展機架之間的距離最大為10米#65377;(3)獨立安裝海個機架可以距離其他機架很遠進行安裝，兩個機架間(主機架與擴展機架，擴展機架與擴展機架)的距離最長為10米#65377;(4)靈活布置:機架(CR/ER)可以根據最佳布局需要，水平或垂直安裝#65377;

(2)診斷#65377;

通過診斷可以確定模板所獲取的信號(如數字量模板)或模擬量處理(例如模擬量模板)是否正確#65377;在診斷評估中，可參數化的診斷信息與不可參數化的診斷信息有區別#65377;①可參數化的診斷信息:通過相應的參數始能診斷信息的發送;②不可參數化的診斷信息:不管是否參數化均可發送診斷信息#65377;

如果發送診斷信息(如無編碼器電源)，則模板執行一個診斷中斷#65377;此時CPU中斷執行用戶程序，或中斷執行低優先級的中斷，來處理相應的診斷中斷功能塊(OB82) #65377;

5 PLC運行程序設計

PLC自動工序工藝運行程序有四大主要功能模塊，即:時鐘模塊#65380;運行參數更新#65380;綜合故障判定和自動工序模塊#65377;

(1)變量設計#65377;

我們的變量設計盡量遵循節省的原則#65377;

建立時間計數變量Tcount

32個工序采用統一的時間計數，每個工序分配一個運行時間變量Tn (n=1，2，……32)#65377;PLC自動工序工藝運行程序根據運行時間變量來確定每個工序步驟運行的時間#65377;

為27臺(套)工藝設備的每一臺(套)分配一個32位的運行狀態標志，分別對應于32個工序步驟#65377;PLC自動工序工藝運行程序根據每一臺(套)工藝設備的運行狀態標志和設備運行互鎖(故障和手動控制)確定該設備是否運行#65377;

為27臺(套)工藝設備的每一臺(套)建立一個故障狀態標志位(綜合故障)和控制狀態標志位(手動/自動)#65377;

建立工藝運行參數二維表，包含32個工序的運行時間參數和27臺(套)工藝設備的運行狀態標志參數#65377;

建立工藝運行參數變更標志位，如果工藝運行參數發生改變并經過運行監控上位計算機上授權確認，程序將根據工藝運行參數二維表刷新32個工序的運行時間變量和27臺(套)工藝設備運行狀態標志#65377;

建立工藝運行當前狀態變量，包括當前工序步驟，當前工序運行剩余時間#65377;

(2)自動工序程序設計#65377;

時鐘模塊用一個計時器，對時間的增長自動計數，其值存放在變量Tcount中，供自動工序模塊使用#65377;

如果工藝運行參數發生改變并經過運行監控上位計算機上授權確認，工藝運行參數變更標志位設置為1，程序將根據工藝運行參數二維表刷新32個工序的運行時間變量和27臺(套)工藝設備運行狀態標志，并將工藝運行參數變更標志位復位為0#65377;

綜合故障判定模塊綜合工藝設備的各種故障(比如泄露#65380;短路#65380;斷路等)和報警(比如過熱#65380;過力矩等)，確定設備是否可以正常投入工藝運行，設置故障狀態標志位為0/1#65377;

自動工序模塊實時更新工藝運行當前狀態，包括當前工序步驟，當前工序運行剩余時間#65377;當前工序運行剩余時間為0，就切換到下一個工序步驟，重新設置當前工序步驟和運行剩余時間，并根據設備故障狀態標志位(0/1 )#65380;控制狀態標志位(自動/手動)和運行狀態標志(1/0)，啟動或停止相應的工藝設備#65377;

6 結果

LIER-POOLK法城市生活污水處理5000噸/日中試裝置全部建成并投入運行以來，具體出水效果(各項指標去除率)為:BODS 85-98%， CODCr 85-95%.，SS80-90%， TN 50-70%， TP 80-97%，完全達到了GB8978-1996《污水綜合排放標準》中的一級標準;經濟指標為:單位投資1000元/噸水#65380;占地面積0.40平方腳噸水#65380;直接運行費用0.25元/噸水#65380;職工人數8人/萬噸水#65377;自工程正式投產運行以來的情況表明，自控系統運行可靠，自動化程度高，控制軟件設計先進，完全滿足工藝運行和日常管理的要求#65377;

參考文獻

[1]周明.現場總線控制[M].北京:中國電力出版社，2005.

[2]孫慧修.排水工程[M].北京:中國建筑工業出版社，2004.

[3]碑常初.可編程序控制器的編程方法與工程應用[M].重慶:重慶大學出版社，2001.