遂寧污水處理廠自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

【摘 要】介紹了Siemens公司的S7—300 PLC和PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)在遂寧污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過合理地配置了中央控制室與各PLC控制站的設(shè)備，并組建工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了中控室與各PLC控制站之間的數(shù)據(jù)通訊和污水處理的自動(dòng)控制。

【關(guān)鍵詞】PROFIBUS-DP；PLC；工業(yè)以太網(wǎng)

一、引言

隨著現(xiàn)代控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，控制技術(shù)在污水廠中得到了廣泛應(yīng)用，使得整個(gè)污水處理過程實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)監(jiān)測、控制和管理，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低成本、穩(wěn)定可靠的運(yùn)營方式。本文以遂寧污水處理廠為例，來說明控制系統(tǒng)在污水處理廠中的應(yīng)用。該污水處理廠采用了自動(dòng)化控制系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)和工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)，形成了由計(jì)算機(jī)、PLC、現(xiàn)場儀表組成的多級的、開放的、模塊化的、實(shí)時(shí)多任務(wù)的集散型可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)。

二、污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該污水處理廠規(guī)模為5萬立方米/天，污水處理工藝采用改良型SBR法，曝氣方式采用鼓風(fēng)曝氣，水處理工藝采用傳統(tǒng)活性污泥法工藝，泥處理工藝采用中溫厭氧消化、壓濾脫水工藝，出水水質(zhì)要求達(dá)到一級排放標(biāo)準(zhǔn)的B標(biāo)準(zhǔn)。處理后尾水排入新開河，再通過相距1公里的新開河閘及新開河排澇泵站排入涪江。污水處理廠內(nèi)設(shè)有一個(gè)污水泵站、一個(gè)曝氣過程站、一個(gè)污泥處理站和一個(gè)中央控制室IPC。這些站點(diǎn)與IPC之間必須實(shí)現(xiàn)高實(shí)時(shí)性、高可靠性、高穩(wěn)定性的通信，才能保證污水處理生產(chǎn)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行。因此，在對污水處理控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，我們采用了先進(jìn)的現(xiàn)場總線技術(shù)。根據(jù)全集成自動(dòng)化的思想，將污水廠監(jiān)控系統(tǒng)分為控制級和管理級。其控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

（一）控制級

主站配置：用于主站的PLC，全部選用西門子的S7-300系列。該型PLC的CPU數(shù)字處理能力強(qiáng)，帶有內(nèi)部集成的PROFIBUS-DP接口。其特點(diǎn)是組態(tài)靈活，速度快，操作簡捷。整個(gè)系統(tǒng)用了3臺PLC，分別完成對污水泵站控制區(qū)、反應(yīng)池站控制區(qū)和鼓風(fēng)機(jī)站控制區(qū)各現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控，處理器模塊選CPU315-2DP，F(xiàn)MS通訊模塊選用CP343-5，模擬量輸入模塊選SM331，數(shù)字量輸入模塊選SM321，數(shù)字量輸出模塊選SM322，電源模塊選PS307。2臺上位操作員站通過5613卡與下面3臺PLC站通訊。

從站配置：污水泵站控制區(qū)從站包括4臺TGSIR智能電機(jī)軟啟器和2個(gè)ET200M分布式I/O裝置。軟啟動(dòng)器用于完成對進(jìn)水泵房4臺潛水泵的啟/?？刂疲瑥亩鴾p少水泵的機(jī)械電氣損傷，延長其使用壽命。軟啟動(dòng)器通過IM183-1模塊和PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)相連，從而完成與污水泵站PLC的通信功能。ET200M是一種應(yīng)用S7-300模塊系列的模塊化分布式

I/O裝置，它通過接口模塊IM153與PROFIBUS-DP總線相連，每個(gè)ET200M從站可擴(kuò)展8個(gè)S7-300I/O模塊。污水泵站的2個(gè)ET200M從站分別控制污泥池和污泥脫水機(jī)房的I/O點(diǎn)。污水泵站控制系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)的控制功能有：

1、通過對格柵（粗、細(xì)格柵）機(jī)械的控制，去除掉污水中較大的懸浮漂流物。

2、通過對沉砂池設(shè)備的控制，去除掉污水中較小的泥砂和顆粒物。

3、通過對污泥脫水系統(tǒng)的控制，使污泥濃縮、脫水后運(yùn)走，避免二次污染。

4、負(fù)責(zé)對各設(shè)備運(yùn)行狀況信息進(jìn)行采集，便于設(shè)備管理。

反應(yīng)池站控制區(qū)從站包括5臺西門子的6SE70型智能變頻器和2個(gè)ET200M分布式I/O裝置。變頻器用于對生化反應(yīng)池中回流污水變頻泵的啟/停及調(diào)速控制。變頻器通過CB15通訊模塊和PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)相連，從而完成與反應(yīng)池泵站PLC的通信功能。2個(gè)ET200M從站分別控制二沉池和高配間的I/O點(diǎn)。反應(yīng)池站控制系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)的控制功能有：

1、通過對空氣調(diào)節(jié)閥的控制，實(shí)現(xiàn)對SBR反應(yīng)池中COD濃度、溶解氧濃度等的控制，以此來控制出水水質(zhì)。

2、通過對攪拌器的控制，使活性污泥與有機(jī)物質(zhì)、氧氣充分接觸，幫助生化反應(yīng)的進(jìn)行。

3、通過模糊控制器來控制加藥量的大小以控制COD濃度的大小。

4、通過對高壓配電間電力信號的采集，保證全廠供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

5、負(fù)責(zé)對各設(shè)備運(yùn)行狀況信息進(jìn)行采集，便于設(shè)備管理。

鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是為反應(yīng)池曝氣提供充足、穩(wěn)定的氣量。在曝氣池分別安裝溶解氧測試儀和懸浮物濃度計(jì)，溶解氧測試儀可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制溶解氧的數(shù)量，利用自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)開啟、關(guān)閉鼓風(fēng)系統(tǒng)既能保證細(xì)菌良好的分解能力，又能節(jié)約能耗，保護(hù)設(shè)備；懸浮物濃度計(jì)可以精確地測量污泥濃度，根據(jù)污泥濃度，適時(shí)地調(diào)整曝氣池的工藝。因此，鼓風(fēng)機(jī)站控制系統(tǒng)從站包括4臺TGSIR智能軟啟動(dòng)器和2個(gè)ET200M分布式I/O裝置。軟啟動(dòng)器用于完成鼓風(fēng)機(jī)房4臺鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)的啟/停控制，并且通過IM183-1模塊和PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)相連，從而完成與鼓風(fēng)機(jī)站PLC的通信功能。2個(gè)ET200M從站分別控制低配間和回水用房的I/O點(diǎn)。鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)的控制功能有：

1、通過對鼓風(fēng)機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)對出風(fēng)口總空氣流量和壓力的控制，以供給生化反應(yīng)池壓力和風(fēng)量恒定的空氣。

2、通過對低壓配電間電力信號的采集，保證全廠供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3、負(fù)責(zé)對各設(shè)備運(yùn)行狀況信息進(jìn)行采集，便于設(shè)備管理。

（二）管理級

1、污水處理廠SCADA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可監(jiān)視單元站的全部運(yùn)行信息，控制現(xiàn)場設(shè)備的啟動(dòng)和停止，對各站采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析，為污水廠的全面控制提供必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)SCADA采用WinCC組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)，WinCC是一種基于Windows NT32的HMI/SCADA軟件，是生產(chǎn)和過程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)中性系統(tǒng)。高性能的過程耦合、快速的畫面更新以及可靠的數(shù)據(jù)使其具有高度的實(shí)用性。在SCADA界面上有實(shí)時(shí)生產(chǎn)過程的相關(guān)動(dòng)態(tài)參數(shù)顯示。

管理級實(shí)現(xiàn)的具體功能有：

① 顯示整個(gè)污水處理廠的工藝流程圖，并分出粗格柵、進(jìn)水泵房和氧化溝等13個(gè)工藝單元局部放大畫面，每個(gè)畫面均可自由切換。

② 生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)控和工藝參數(shù)的采集、分析與給定。將PLC采集的實(shí)時(shí)工況、過程變量、水質(zhì)指標(biāo)、工藝參數(shù)，實(shí)時(shí)在CRT上直觀顯示出來。管理人員通過鼠標(biāo)和鍵盤下達(dá)各種調(diào)度指令，進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)定。

③ 監(jiān)控畫面底端設(shè)有報(bào)警欄。無報(bào)警時(shí)自動(dòng)隱藏，有報(bào)警時(shí)聲訊報(bào)警并立即彈出當(dāng)前報(bào)警信息框，所有報(bào)警信息均可在報(bào)警記錄中查詢，方便以后的運(yùn)行分析。

④ 顯示各種參數(shù)的歷史曲線，并根據(jù)要求配置曲線的存儲(chǔ)時(shí)間。主要有進(jìn)水量、溶解氧和PH等參數(shù)的歷史曲線。

⑤ 文件自動(dòng)定時(shí)生成管理日報(bào)表和月報(bào)表及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)表，可定時(shí)打印日報(bào)表和月報(bào)表。

上述功能中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都可以做成表格進(jìn)行歸檔，而且SCADA支持.csv的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，操作者可以用Excel直接讀取趨勢數(shù)據(jù)。

為了使上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到MES和ERP中，采用Web瀏覽和OPC DA的方法，將SCADA的中央數(shù)據(jù)服務(wù)器擴(kuò)展成Web服務(wù)器和OPC服務(wù)器不僅便于融合，而且還減少了重疊的服務(wù)器設(shè)置。用Web發(fā)布SCADA界面，要瀏覽生產(chǎn)狀況的計(jì)算機(jī)作為Web客戶端，組成一個(gè)Client/Server模式的局域網(wǎng)，并在WinCC中創(chuàng)建授權(quán)管理者，使得在授權(quán)范圍內(nèi)的有限管理者可以在局域網(wǎng)內(nèi)通過ActiveX支持的IE遠(yuǎn)程瀏覽SCADA畫面。這樣，管理者就可以在辦公室瀏覽現(xiàn)場的處理運(yùn)行狀況，使控制系統(tǒng)信息在企業(yè)內(nèi)任何網(wǎng)絡(luò)級別訪問。另外，上層信息系統(tǒng)的MES和ERP作為一個(gè)OPC的客戶端，訪問集成在WinCC中的OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器，采集控制系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，獲得WinCC歸檔系統(tǒng)中的歷史數(shù)據(jù)，得出處理水量、能耗和成本，對DO/MLSS/TP/TN/COD等水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，離線得出水處理的優(yōu)化方案并介入上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)施。局域網(wǎng)再接入Internet就可以實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)、本地網(wǎng)、遠(yuǎn)程網(wǎng)跨區(qū)域的遠(yuǎn)程現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控功能，管理者可隨時(shí)、隨地以各種上網(wǎng)方式通過互聯(lián)網(wǎng)來獲取污水廠內(nèi)的信息。這就超越了自動(dòng)控制的過程，將范圍擴(kuò)展到工廠監(jiān)控級，使上層信息網(wǎng)和控制網(wǎng)合二為一。

三、結(jié)語

基于現(xiàn)場總線的污水處理生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)能有效地進(jìn)行工作，與傳統(tǒng)的方法相比，其最大的特點(diǎn)是功能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)靈活實(shí)用、可靠性高、安裝調(diào)試簡單且開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用低，根據(jù)不同的現(xiàn)場情況與用戶要求，系統(tǒng)可以擴(kuò)展為不同的模式。項(xiàng)目投產(chǎn)以來，經(jīng)濟(jì)效益顯著，大幅降低了運(yùn)行成本，一年可節(jié)約污水處理成本860萬元。同時(shí)，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)效益，污水處理后可達(dá)到國家一級B類排放標(biāo)準(zhǔn)，從而使市區(qū)的污水排放達(dá)到了國家園林城市標(biāo)準(zhǔn)。

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