PLC系統在九華街污水處理系統的應用

石 磊

(北京機械工業自動化研究所，北京 100120)

0 引言

在國家節能減排政策的背景下，污水處理已經越來越得到重視，九華山旅游集團公司推進污水處理項目建設運行。通過亞行貸款建九華街區污水處理廠，加快污水處理產業化進程，有效凈化核心景區生活污水，保護九華山生態環境，促進旅游經濟可持續發展。九華街污水處理廠目前轉入試運營階段，污水處理能力3000m3/d。

1 概述

本工程包括九華街污水處理廠工程、景區各點源污水治理工程。九華街污水處理廠服務面積1.2Km2，日處理污水能力3000m3。城市污水由廠外污水管網收集后，自流進入污水處理廠，污水經處理后排入九華河。

污水處理廠及各點源污水治理工程設計進水指標如下：

CODcr：300mg/l

BOD5：160mg/l

SS：170mg/l

總氮：35mg/l

NH3-N：25mg/l

P：2mg/l

污水處理廠及各點源污水治理工程設計出水指標為：

CODcr：60mg/l

BOD5：20mg/l

SS：20mg/l

總氮：20mg/l

NH3-N：8(15)mg/l

TP：1mg/l

糞大腸菌群數：104個/L

按照安徽合肥九華街污水處理廠項目PLC自動控制系統設備技術規范的要求，根據國內外城市污水、供水系統的運行管理情況以及在該行業中的實際經驗，依照國際自動控制領域的發展趨勢，本著安全可靠、簡單實用，先進的原則，選用羅克韋爾ControlLogix冗余PLC、現場儀表系統組成多級的、開放的、模塊化的、實時多任務的集散型的可擴展的數據采集和監控系統的解決方案。

該監控系統具有集中監視，分散控制的功能。其特有的雙機架冗余CUP系統,在主PLC故障狀態下可實時切換至備用PLC使系統仍可繼續工作而不影響整個工藝過程控制和檢測。

本監控系統的配置,不但能夠實時采集和顯示出各設備的運行工況及各項工藝運行參數,而且能夠合理解決和協調運行中各工藝單元之間的優化配合，以提高整個污水處理系統的的運行管理水平，使整個系統能夠正常、穩定、安全、高效、低耗運行，并取得最佳效益。

2 控制系統說明

系統采用國際流行的以太網、控制網和現場總線技術“三網合一”的網絡結構，采用多媒體信息技術對生產作業現場進行指揮與監控的能力，充分發揮了計算機信息處理功能。通過10/100M自適應光纖工業以太環網將中央監控工作站及現場控制站連接起來，實現了集中管理、分散控制。避免了集中控制系統危險度集中、可靠性差、不易擴展和控制電纜用量大等缺點，實現了信息、調度、管理上的集中和功能及控制危險上的分散。系統中的PLC采用美國ROCKWELL公司的ControlLogix冗余PLC產品，可靠性高，保證10萬小時無故障。其高性能的CPU和快速I/O，以及多任務的軟件結構，使系統響應速度大大提高。同時PLC系統模塊的可帶電插拔交換功能，保證了系統的連續運行。軟件方面本系統采用的ROCKWELL公司的工控軟件產品，集成化高，界面豐富，上位監控軟件及PLC編程軟件的組態和設置非常簡單，通過二次開發的監控操作界面，操作者可方便地通過該界面對整個污水處理廠進行遠方及現場就地操作。

系統詳細配置圖如圖1所示。

本工程自控系統采取“集中監測，管理，分散控制”的方式，由中控室計算機、現場控制站（可編程控制器PLC）組成整個污水工程的SCADA系統，完成整個污水工程調度、控制、管理任務。中控室監控計算機與現場PLC組成實時工業控制網。

全廠設備的控制可通過以下三種方式完成：

1）就地手動：優先級最高，當現場轉換開關處于“手動操作”時，PLC的控制被屏蔽。主要現場設備均可在就地接鈕箱或現場控制箱上實現手動/自動切換及開、停等人工操作。

2）遠程PLC自動控制：利用PLC的邏輯控制功能，提供設備的自動，及關聯設備的聯動，連鎖控制，及閉環控制。各分站管轄的區域的設備以這種控制方式為主。

3）中央監控總站中控：中央監控總站，通過人機操作界面，對全廠的設備進行遠程控制，實現宏觀調控，處理局部的停機事故和緊急狀態，維持系統的總體協調。

另控制站PLC在手動/自動/中控切換中具有無擾動切換功能。工程在工藝流程各個環節中設置了完整的全過程檢測儀表，如流量、液位、壓力、PH等檢測儀表，確保對工藝全過程運行狀態、水量、水質的監控，滿足各環節的自動控制需要。通過監控系統、儀表系統的設置，達到對污水廠各個處理環節的及時、準確的控制，用以達到節能降耗的目的。監控系統將實時監控污水處理廠的運行，例如進出廠水的各種參數、設備的運行狀態，控制污水處理廠各種設備的運轉，保證污水廠安全、可靠、高效的運行。

圖1 安徽合肥九華山污水處理項目PLC自動化控制系統網絡配置圖

圖2 PLC自動化控制系統網絡拓撲圖

PLC控制器采用的是Rockwell公司ControlLogix雙機熱備產品，CUP為Logix5555系列控制器，PLC現場控制站通過光纖冗余環網Ethernet與中央控制室計算機聯接，遠程I/O站通過ControlNet現場總線網絡連接在相應的PLC控制站上。現地控制站既能夠獨立進行現場各開關量、模擬量的數據采集和控制，又能夠通過網絡間的數據傳送，將各儀表及泵閥等狀態信息傳送到上位機，完成中央控制室的實時監控。ControlLogix其功能強大的CPU，開放式的總線結構為本污水處理系統后續的升級改造創造的良好的堅實基礎。

污水處理廠通訊系統網絡結構分三層：

第一層為信息管理層，即中控室監控設備間及與現場控制站間采用工業以太網(EtherNet/IP)，基于IEEE802.3標準的EtherNet／IP網絡采用有源環形拓撲結構，由光纖環網交換機提供虛擬連接。環形拓撲結構支持10Mbps和100Mbps產品。主要網絡設備為德國赫斯曼的光纖環網交換機。該以太網交換機可自動處理速度差異，使用戶可以混合使用10Mbps和100Mbps設備。控制設備為全雙工設備，以減少數據包沖突并使設備能同時發送和接收數據。

第二層為控制層，即現場控制站與現場控制分站之間的通訊，采用Rockwell公司的控制總線網ControlNet。該總線網絡是開放的、國際上認可的現場總線。它是一個實時的控制網絡，用于高速傳送實時I/O數據和消息數據包括程序上載/下載、組態數據及對等通信，所有這些都在一個單獨的物理介質鏈路上傳送，網絡具有高度的確定性，能可靠預測數據發送時間。ControlNet傳輸速率為5M。

第三層為設備層（FieldBus），設備層現場總線可分為二種：

設備層現場總線用于PLC與現場控制箱、高低壓開關柜之間的通訊，將采用開放的、國際上認可的現場總線DeviceNet。其通訊速率125kbps～0.5Mbps，視傳輸距離而定，通信介質為屏蔽雙絞線電纜。

3 結論

ControlLogix雙機熱備產品在污水處理中的廣泛應用，體現了在國家節能減排政策的背景下，污水處理已經越來越得到應有的重視。污水處理控制系統安全可靠的運行得到了有效的保證。