基于PLC及工業(yè)以太網混合模型的污水處理自動控制系統(tǒng)

白輝

神華準格爾能源有限責任公司 010300

1 概況

隨著工業(yè)自動化技術的飛速發(fā)展以及工業(yè)產品價格的降低，PLC和組態(tài)軟件的應用范圍和使用規(guī)模越來越大，大大加快了我國工業(yè)自動化的進程。污水處理工藝過程連續(xù)且流程之間相互影響，通過各類在線儀表的數(shù)據(jù)分析及判斷，直接形成控制設備運行的控制信號。PLC控制系統(tǒng)以其優(yōu)良的控制性能可以大大減輕實際操作負擔。創(chuàng)造適合自己污水處理工藝的自動控制系統(tǒng)，使污水處理工藝流程按最優(yōu)設計方案運行就顯的尤為重要。同時通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)、上位機報警系統(tǒng)可以及時監(jiān)控現(xiàn)場設備及工藝系統(tǒng)的運行，實現(xiàn)多個無人值守車間，可以有效節(jié)約人力資源節(jié)約，并在設備輪換上實現(xiàn)遠程控制，全面提升系統(tǒng)運行能力，加強系統(tǒng)運行的可靠性。

2 自動控制系統(tǒng)在污水處理中的實例

薛家灣污水處理廠擴建工程設計處理水量為20000噸/天，全部為生活污水，污水采用的是全密閉管道收集，經過三年的運行，現(xiàn)在污水處理達到了設計負荷的90%，使用循環(huán)式活性污泥處理工藝，工藝流程如下：

薛家灣污水處理廠擴建工程自動控制系統(tǒng)通過PLC以及工業(yè)計算機的方式對整個污水處理廠進行設備控制和監(jiān)控，輔助監(jiān)控系統(tǒng)是設置在各個無人值守車間的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。設置一個中央控制室和4個PLC現(xiàn)場控制站、6個視頻監(jiān)控攝像系統(tǒng)、3套13個在線監(jiān)測儀表。分為管理層（中控室操作站），控制層（PLC控制站）和監(jiān)測層（現(xiàn)場檢測儀表、視頻監(jiān)控系統(tǒng)），中央控制室與現(xiàn)場通過以太網及TCP/IP通信總線形成通訊。

當設備處于就地控制時，PLC設備只監(jiān)測設備的運行狀態(tài)，現(xiàn)場設備只有操作人員在設備現(xiàn)場才可以進行啟停，上位機無法對其進行操作。在自動狀態(tài)下，中央控制室還具有自動和遠程手動兩種控制模式，當處于自動控制下時，全廠設備完全由PLC相關軟件和硬件發(fā)出指令進行運作。中控室只是起到監(jiān)測設備運行狀態(tài)的作用。再設計階段使用的是現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)實現(xiàn)控制，但在實際運行過程中，由于現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)波動太大，頻繁啟停設備，對設備及工藝系統(tǒng)有極大的損壞，所以在實際運行過程中采用了時間控制的方式，來實現(xiàn)對工藝系統(tǒng)的全方位控制。當出現(xiàn)故障報警時程序自動停止運行，發(fā)出故障報警，所有設備及工藝系統(tǒng)由自動變更為遠程手動。中控室人員需要上報相關檢修人員對故障部位進行修理。故障解除之后，重新恢復到自動狀態(tài)。當處于遠程手動控制模式下時，中控室人員可以通過上位組態(tài)軟件控制現(xiàn)場設備的啟停。

圖1 分布控制系統(tǒng)示意圖

2.1 中控室

本污水廠以工業(yè)計算機作為上位機應用于控制系統(tǒng)，提供一種良好的人機界面，減輕操作人員的負擔，提高管理水平。本控制系統(tǒng)設有一個中控室屬于管理層，內有一面模擬屏和兩臺計算機操作員站，模擬屏顯示的是全廠整個污水處理工藝流程及主要在線儀表數(shù)據(jù)，可以對全廠設備運行狀態(tài)進行監(jiān)視，其中組態(tài)軟件為組態(tài)王6.53，兩臺工業(yè)計算機操作站互為備用，它們均可各自單獨完成整個工藝過程的監(jiān)控。在實際運行過程中，一臺為操作用計算機、一臺為監(jiān)控用計算機，無論是數(shù)據(jù)備份還是操作過程完全一致，中控室操作站具有以下功能：

（1）顯示全廠設備運行狀態(tài)，包括閥門開關狀態(tài)，水泵啟停狀態(tài)等。顯示工藝流程的動態(tài)參數(shù)，包括進水COD、進水濁度、進水總磷、進水氨氮、進水流量、CAST溶解氧、CAST液位計、集水池液位計等在線儀表數(shù)據(jù)。顯示相關參數(shù)趨勢。對所采集的在線數(shù)據(jù)形成報表。

（2）打印報警記錄和檢修維護記錄等。

（3）報警設置有優(yōu)先管理，報警包括閃爍和聲音，可以有效提醒操作人員對其采取措施。而且設置優(yōu)先管理級別普通操作人員無法對數(shù)據(jù)進行清零及修改等操作。

（4）實現(xiàn)編程、組態(tài)和修改等，操作員站裝有功能強大的上位軟件，以便能方便、直觀的組態(tài)和編程。

組態(tài)軟件用來操作現(xiàn)場設備，監(jiān)控畫面和圖形管理，通過PLC程序來對各數(shù)據(jù)進行儲存和管理，圖形界面包括6個部分：預處理、CAST池、深度處理單元、報表、報警、曲線、各工藝畫面有全廠的所有廠房設施和管道流向，分別用不同顏色和形狀來表示。報警和報表有儲存功能，可以對數(shù)據(jù)進行保存，為處理工藝提供適當?shù)膮?shù)。組態(tài)軟件編程充分實現(xiàn)可視化、簡潔化、美觀化、操作簡單化，通過編程充分實現(xiàn)組態(tài)王軟件與PLC系統(tǒng)的連接功能，同時為操作人員提供簡潔明了的操作界面。

2.2 PLC控制站

污水處理過程的PLC系統(tǒng)的主要特點是開關量多，模擬量少，除在線儀表的相關數(shù)據(jù)使用模擬量轉換為4-20mA電流信號，其余包括水泵、閥門等設備的啟停都是通過開關量控制的，根據(jù)本污水處理廠的生產工藝和生產控制要求及現(xiàn)場情況，設有4個現(xiàn)場PLC控制站，包括預處理PLC控制站，CAST池、鼓風機房、接觸濾池及出水泵房PLC控制站，污泥脫水系統(tǒng)及加氯間PLC控制站。通過PLC控制站可代替常規(guī)設備如按鈕、信號燈、數(shù)顯表，并具有報警功能。每個PLC控制站均由電源、CPU模塊、以太網模塊、遠程接口模塊、熱備模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊組成，每個PLC控制站均采用相同的編程方法，有利于整個程序的編寫和擴展。PLC工作為循環(huán)工作法，每個周期對輸入端口和輸出端口進行一次掃描，最后確定設備的啟停和模擬量的數(shù)值。然后把掃描所得數(shù)值通過modbus傳送到上位機進行設備狀態(tài)監(jiān)視。完成數(shù)據(jù)曲線顯示和報表打印。并通過相關數(shù)據(jù)來確定合適的工藝流程。

系統(tǒng)采用CPU雙機結構、電源冗余結構、通訊控制器冗余結構，遠程通訊采用雙電纜同軸電纜。

系統(tǒng)中每個主站都有相同的配置，二者通過光纖連接，系統(tǒng)運行時，其中一個主站作為主機，另一個主站自動成為備機，主備轉換通過熱備模塊和光纖來實現(xiàn)，若主機運行過程中出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動切換到備機，此刻備機成為主機，主機變成備機，待故障經操作人員檢查修復后，備機才可以投入使用。從而保證系統(tǒng)整體安全可靠。

主站和遠程站通過同軸電纜通訊，連接主站和遠程站的RIO模塊，同軸電纜采用冗余方式，當其中一條電纜發(fā)生故障時，另一條可以完成數(shù)據(jù)通訊，因此保證了通訊的不間斷，使得現(xiàn)場數(shù)據(jù)能實時傳遞到主站而后傳遞到操作站。整個系統(tǒng)在某一處出現(xiàn)故障時不受影響，安全生產不停機，提高系統(tǒng)自動化水平。

2.3 現(xiàn)場測量儀表

本污水處理廠的主要在線測量儀表如下：

2.3.1 進水口

進水口儀表如下：進水流量計、進水氨氮、進水COD、進水總磷、PH儀、濁度及溫度儀。

2.3.2 CAST池

CAST池儀表如下：溶氧儀、溫度儀、CAST池液位計

2.3.3 出水口

出水口儀表如下：出水流量計、出水氨氮、出水COD、余氯測量儀

其中溶解氧測量CAST池內溶解氧量，讓溶解氧量轉換為4mA～20mA電流，電流信號傳遞到鼓風機房三臺鼓風機變頻器上，從而控制變頻器頻率，達到控制鼓風機風量的目的，其他在線儀表把測量數(shù)據(jù)實時傳遞到中控室上位機，并形成報表儲存。

3 運行中存在問題

本污水處理廠在實際運行過程中，維修質量及維修速度成為了決定系統(tǒng)可持續(xù)的關鍵因素，所以充足的備品備件及維修人員技術素質成為了系統(tǒng)可靠運行的重要保障，但由于管理體制及人員年齡層次等溫體，這一現(xiàn)象長期存在，有緩解但沒有最終解決，這也成為了限制企業(yè)健康發(fā)展的不利因素。

4 結語

薛家灣污水處理廠擴建工程到現(xiàn)在已經運行四年，其控制系統(tǒng)運行良好，在出現(xiàn)故障時能夠及時發(fā)現(xiàn)故障位置及故障原因，通過在線儀表可以提供有效的水質水樣數(shù)據(jù)，從而為后續(xù)工藝的確定提供有力參考。由于其具有設計簡單、投資少、控制效果好、易維護、故障率低等優(yōu)點，很適合中小型污水處理廠采用。