基于PLC及工業(yè)以太網(wǎng)混合模型的污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)

白輝

神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司 010300

1 概況

隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展以及工業(yè)產(chǎn)品價(jià)格的降低，PLC和組態(tài)軟件的應(yīng)用范圍和使用規(guī)模越來越大，大大加快了我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化的進(jìn)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(shè)備運(yùn)行的控制信號(hào)。PLC控制系統(tǒng)以其優(yōu)良的控制性能可以大大減輕實(shí)際操作負(fù)擔(dān)。創(chuàng)造適合自己污水處理工藝的自動(dòng)控制系統(tǒng)，使污水處理工藝流程按最優(yōu)設(shè)計(jì)方案運(yùn)行就顯的尤為重要。同時(shí)通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)、上位機(jī)報(bào)警系統(tǒng)可以及時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及工藝系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)多個(gè)無人值守車間，可以有效節(jié)約人力資源節(jié)約，并在設(shè)備輪換上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，全面提升系統(tǒng)運(yùn)行能力，加強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)在污水處理中的實(shí)例

薛家灣污水處理廠擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)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(jīng)過三年的運(yùn)行，現(xiàn)在污水處理達(dá)到了設(shè)計(jì)負(fù)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(kuò)建工程自動(dòng)控制系統(tǒng)通過PLC以及工業(yè)計(jì)算機(jī)的方式對(duì)整個(gè)污水處理廠進(jìn)行設(shè)備控制和監(jiān)控，輔助監(jiān)控系統(tǒng)是設(shè)置在各個(gè)無人值守車間的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)置一個(gè)中央控制室和4個(gè)PLC現(xiàn)場(chǎng)控制站、6個(gè)視頻監(jiān)控?cái)z像系統(tǒng)、3套13個(gè)在線監(jiān)測(cè)儀表。分為管理層（中控室操作站），控制層（PLC控制站）和監(jiān)測(cè)層（現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表、視頻監(jiān)控系統(tǒng)），中央控制室與現(xiàn)場(chǎng)通過以太網(wǎng)及TCP/IP通信總線形成通訊。

當(dāng)設(shè)備處于就地控制時(shí)，PLC設(shè)備只監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備只有操作人員在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)才可以進(jìn)行啟停，上位機(jī)無法對(duì)其進(jìn)行操作。在自動(dòng)狀態(tài)下，中央控制室還具有自動(dòng)和遠(yuǎn)程手動(dòng)兩種控制模式，當(dāng)處于自動(dòng)控制下時(shí)，全廠設(shè)備完全由PLC相關(guān)軟件和硬件發(fā)出指令進(jìn)行運(yùn)作。中控室只是起到監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的作用。再設(shè)計(jì)階段使用的是現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)控制，但在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)波動(dòng)太大，頻繁啟停設(shè)備，對(duì)設(shè)備及工藝系統(tǒng)有極大的損壞，所以在實(shí)際運(yùn)行過程中采用了時(shí)間控制的方式，來實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝系統(tǒng)的全方位控制。當(dāng)出現(xiàn)故障報(bào)警時(shí)程序自動(dòng)停止運(yùn)行，發(fā)出故障報(bào)警，所有設(shè)備及工藝系統(tǒng)由自動(dòng)變更為遠(yuǎn)程手動(dòng)。中控室人員需要上報(bào)相關(guān)檢修人員對(duì)故障部位進(jìn)行修理。故障解除之后，重新恢復(fù)到自動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)處于遠(yuǎn)程手動(dòng)控制模式下時(shí)，中控室人員可以通過上位組態(tài)軟件控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(jì)算機(jī)作為上位機(jī)應(yīng)用于控制系統(tǒng)，提供一種良好的人機(jī)界面，減輕操作人員的負(fù)擔(dān)，提高管理水平。本控制系統(tǒng)設(shè)有一個(gè)中控室屬于管理層，內(nèi)有一面模擬屏和兩臺(tái)計(jì)算機(jī)操作員站，模擬屏顯示的是全廠整個(gè)污水處理工藝流程及主要在線儀表數(shù)據(jù)，可以對(duì)全廠設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，其中組態(tài)軟件為組態(tài)王6.53，兩臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)操作站互為備用，它們均可各自單獨(dú)完成整個(gè)工藝過程的監(jiān)控。在實(shí)際運(yùn)行過程中，一臺(tái)為操作用計(jì)算機(jī)、一臺(tái)為監(jiān)控用計(jì)算機(jī)，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(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，包括閥門開關(guān)狀態(tài)，水泵啟停狀態(tài)等。顯示工藝流程的動(dòng)態(tài)參數(shù)，包括進(jìn)水COD、進(jìn)水濁度、進(jìn)水總磷、進(jìn)水氨氮、進(jìn)水流量、CAST溶解氧、CAST液位計(jì)、集水池液位計(jì)等在線儀表數(shù)據(jù)。顯示相關(guān)參數(shù)趨勢(shì)。對(duì)所采集的在線數(shù)據(jù)形成報(bào)表。

（2）打印報(bào)警記錄和檢修維護(hù)記錄等。

（3）報(bào)警設(shè)置有優(yōu)先管理，報(bào)警包括閃爍和聲音，可以有效提醒操作人員對(duì)其采取措施。而且設(shè)置優(yōu)先管理級(jí)別普通操作人員無法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清零及修改等操作。

（4）實(shí)現(xiàn)編程、組態(tài)和修改等，操作員站裝有功能強(qiáng)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(chǎng)設(shè)備，監(jiān)控畫面和圖形管理，通過PLC程序來對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和管理，圖形界面包括6個(gè)部分：預(yù)處理、CAST池、深度處理單元、報(bào)表、報(bào)警、曲線、各工藝畫面有全廠的所有廠房設(shè)施和管道流向，分別用不同顏色和形狀來表示。報(bào)警和報(bào)表有儲(chǔ)存功能，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，為處理工藝提供適當(dāng)?shù)膮?shù)。組態(tài)軟件編程充分實(shí)現(xiàn)可視化、簡(jiǎn)潔化、美觀化、操作簡(jiǎn)單化，通過編程充分實(shí)現(xiàn)組態(tài)王軟件與PLC系統(tǒng)的連接功能，同時(shí)為操作人員提供簡(jiǎn)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(diǎn)是開關(guān)量多，模擬量少，除在線儀表的相關(guān)數(shù)據(jù)使用模擬量轉(zhuǎn)換為4-20mA電流信號(hào)，其余包括水泵、閥門等設(shè)備的啟停都是通過開關(guān)量控制的，根據(jù)本污水處理廠的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)控制要求及現(xiàn)場(chǎng)情況，設(shè)有4個(gè)現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站，包括預(yù)處理PLC控制站，CAST池、鼓風(fēng)機(jī)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(shè)備如按鈕、信號(hào)燈、數(shù)顯表，并具有報(bào)警功能。每個(gè)PLC控制站均由電源、CPU模塊、以太網(wǎng)模塊、遠(yuǎn)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(gè)PLC控制站均采用相同的編程方法，有利于整個(gè)程序的編寫和擴(kuò)展。PLC工作為循環(huán)工作法，每個(gè)周期對(duì)輸入端口和輸出端口進(jìn)行一次掃描，最后確定設(shè)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(jī)進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視。完成數(shù)據(jù)曲線顯示和報(bào)表打印。并通過相關(guān)數(shù)據(jù)來確定合適的工藝流程。

系統(tǒng)采用CPU雙機(jī)結(jié)構(gòu)、電源冗余結(jié)構(gòu)、通訊控制器冗余結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)程通訊采用雙電纜同軸電纜。

系統(tǒng)中每個(gè)主站都有相同的配置，二者通過光纖連接，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，其中一個(gè)主站作為主機(jī)，另一個(gè)主站自動(dòng)成為備機(jī)，主備轉(zhuǎn)換通過熱備模塊和光纖來實(shí)現(xiàn)，若主機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到備機(jī)，此刻備機(jī)成為主機(jī)，主機(jī)變成備機(jī)，待故障經(jīng)操作人員檢查修復(fù)后，備機(jī)才可以投入使用。從而保證系統(tǒng)整體安全可靠。

主站和遠(yuǎn)程站通過同軸電纜通訊，連接主站和遠(yuǎn)程站的RIO模塊，同軸電纜采用冗余方式，當(dāng)其中一條電纜發(fā)生故障時(shí)，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(chǎng)數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)傳遞到主站而后傳遞到操作站。整個(gè)系統(tǒng)在某一處出現(xiàn)故障時(shí)不受影響，安全生產(chǎn)不停機(jī)，提高系統(tǒng)自動(dòng)化水平。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表

本污水處理廠的主要在線測(cè)量?jī)x表如下：

2.3.1 進(jìn)水口

進(jìn)水口儀表如下：進(jìn)水流量計(jì)、進(jìn)水氨氮、進(jìn)水COD、進(jìn)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(jì)

2.3.3 出水口

出水口儀表如下：出水流量計(jì)、出水氨氮、出水COD、余氯測(cè)量?jī)x

其中溶解氧測(cè)量CAST池內(nèi)溶解氧量，讓溶解氧量轉(zhuǎn)換為4mA～20mA電流，電流信號(hào)傳遞到鼓風(fēng)機(jī)房三臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)變頻器上，從而控制變頻器頻率，達(dá)到控制鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量的目的，其他在線儀表把測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到中控室上位機(jī)，并形成報(bào)表儲(chǔ)存。

3 運(yùn)行中存在問題

本污水處理廠在實(shí)際運(yùn)行過程中，維修質(zhì)量及維修速度成為了決定系統(tǒng)可持續(xù)的關(guān)鍵因素，所以充足的備品備件及維修人員技術(shù)素質(zhì)成為了系統(tǒng)可靠運(yùn)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(zhǎng)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(jié)語

薛家灣污水處理廠擴(kuò)建工程到現(xiàn)在已經(jīng)運(yùn)行四年，其控制系統(tǒng)運(yùn)行良好，在出現(xiàn)故障時(shí)能夠及時(shí)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(zhì)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(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、投資少、控制效果好、易維護(hù)、故障率低等優(yōu)點(diǎn)，很適合中小型污水處理廠采用。