基于IPC+PLC的集散控制系統(tǒng)在污水處理控制中的運(yùn)用探討

貝建宏

（義烏市水處理有限責(zé)任公司，浙江 義烏 322000）

隨著技術(shù)的進(jìn)步，智能控制系統(tǒng)在工業(yè)控制方面的使用越來越普遍，這針對降本增效、規(guī)范管理等作用顯著。污水治理對生態(tài)環(huán)保及社會發(fā)展的意義逐漸突出，而污水治理環(huán)節(jié)的智能化監(jiān)控是這一行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵課題之一。

1 IPC+PLC模式設(shè)計(jì)

污水治理廠中，儀器儀表與機(jī)械設(shè)施通常是在不同生產(chǎn)設(shè)備廠家那里采購，并且還要考量污水廠的后續(xù)擴(kuò)建與升級改造，所以，在本項(xiàng)目中，選擇IPC+PLC模式，將監(jiān)控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與顯示技術(shù)結(jié)合起來，來實(shí)現(xiàn)對整個污水治理廠的運(yùn)營及管理。

1.1 CPU

CPU是監(jiān)控管理層，一般稱作上位機(jī)，對污水治理廠的生產(chǎn)環(huán)節(jié)及工藝參量集成在組態(tài)系統(tǒng)iFIX上呈現(xiàn)，以便對整個污水治理廠的運(yùn)營情況實(shí)施監(jiān)控。

1.2 現(xiàn)場控制站

按照污水治理環(huán)節(jié)的工藝需求與本系統(tǒng)所選擇的IPC+PLC模式原則，在生產(chǎn)區(qū)域建立了2個控制站，分別處理各生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)的參數(shù)收集和設(shè)備運(yùn)行管理。PLC1控制站與PLC2控制站選擇工業(yè)以太網(wǎng)完成信息轉(zhuǎn)換與共享，其中，PLC1控制站選擇的是西門子S7-400 PLC，而PLC2控制站選擇的是S7-300 PLC。CPU配置了UPS電源實(shí)現(xiàn)連續(xù)供電。

（1）PLC1控制站。PLC控制柜安裝在變電所內(nèi)。PLC1控制站重點(diǎn)處理粗細(xì)格柵、入水泵室、沉砂池、氧化槽、消毒車間等工作流程的智能化控制與信息收集。

（2）PLC2控制站。PLC控制柜安裝在污泥脫水車間。第二分控站的構(gòu)成比較煩瑣，包含中央控制柜與控制子平臺之間的通訊，PLC2控制站重點(diǎn)處理脫水車間設(shè)施、板框壓濾機(jī)、石灰投放系統(tǒng)的智能化控制與儀器儀表信息收集。在PLC2控制站內(nèi)，PLC2是主控PLC，負(fù)責(zé)PLC2的整個環(huán)節(jié)工藝管理，其中，板框壓濾機(jī)帶有西門子S7-300 PLC，石灰投放系統(tǒng)帶有西門子S7-200 PLC，兩個子平臺與PLC2控制站之間依靠ProfiBus-DP通訊。觸摸屏與PLC2控制站之間的通訊形式是工業(yè)以太網(wǎng)，借助觸摸屏便于在污泥脫水車間控制現(xiàn)場儀器及其設(shè)置與調(diào)整工藝參數(shù)。

1.3 就地控制站

涉及部分執(zhí)行單元和各種網(wǎng)絡(luò)儀器儀表，其分散在不同的工藝環(huán)節(jié)。執(zhí)行單元被就地控制按鍵箱、PLC控制柜中的按鍵開關(guān)和觸摸屏所控制。線上分析儀表把現(xiàn)場收集的流量、含量、酸堿值信號轉(zhuǎn)變成4～20mA的電流信號傳輸至PLC模擬量AI端口，也能夠借助ModBus信息收集模塊經(jīng)過RS485通訊形式收集模擬量與數(shù)字量信號，依靠AI或是ModBus模塊把模擬量轉(zhuǎn)變成CPU能夠直接處置的數(shù)字量信息，再傳送至CPU上位機(jī)呈現(xiàn)。高壓整體繼電保護(hù)器與低壓整體智能測量設(shè)備基于規(guī)范ModBus TCP Slave接入工業(yè)以太網(wǎng)，和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通訊，把功耗數(shù)據(jù)收集于上機(jī)位組態(tài)頁面，呈現(xiàn)重要用電儀器的功耗信息與污水廠的整體功耗等。

2 PLC1控制站結(jié)構(gòu)規(guī)劃

2.1 PLC1主程序架構(gòu)

在PLC1主程序內(nèi)采取了子程序塊調(diào)取的模塊化規(guī)劃，S7-400 PLC模式為持續(xù)循環(huán)執(zhí)行客戶流程。PLC由STOP方式轉(zhuǎn)換至RUN方式時，CPU執(zhí)行開啟操作流程。

2.2 粗格柵管理

粗格柵間屬于污水治理的首個環(huán)節(jié)，重點(diǎn)是阻攔污水里的塊狀雜質(zhì)，清理污水里的漂浮物與懸浮狀污染成分，調(diào)整污水的酸堿值，大致凈化污水，以降低后期污水治理壓力。

粗格柵間運(yùn)行環(huán)節(jié)有兩個儀器需要聯(lián)動，一個是粗格柵機(jī)，另一個是螺旋輸送機(jī)，其功能分別為過濾雜物與運(yùn)送雜質(zhì)。運(yùn)行過程是：利用超聲波液位計(jì)量出液位差，將超聲波液位計(jì)傳輸?shù)?～20mA規(guī)范模擬量信號收集于PLC1控制站的輸入模塊，CPU系統(tǒng)對相關(guān)的程序及信息加以處置，與格柵間液位差的設(shè)置值相比較，當(dāng)所收集到的液位差滿足設(shè)置值后，質(zhì)控系統(tǒng)將智能啟動粗格柵機(jī)實(shí)施除渣處理。在粗格柵間，螺旋運(yùn)輸機(jī)與粗格柵機(jī)有效聯(lián)動，粗格柵機(jī)工作以前螺旋運(yùn)輸機(jī)根據(jù)編制的程序智能啟動，螺旋運(yùn)輸機(jī)于粗格柵機(jī)停運(yùn)一些時間以后智能停止。

2.3 提升泵管理

提升泵室中有2臺提升泵，其設(shè)置在入水池的下部，在提升泵室安裝了一個超聲波液位計(jì)，用于監(jiān)測提升泵室中液位信號，監(jiān)測的液位信號通過4～20mA的模擬量信號方式傳輸至PLC1控制站的輸入模塊，PLC平臺將按照提升泵室中的液位浮動來管理提升泵的啟動數(shù)量。對提升泵啟動數(shù)量的管理是經(jīng)過提前在PLC內(nèi)編號的流程來處理的，當(dāng)泵室水位超過或小于某一設(shè)置值時，PLC平臺將按照軟件程序智能增刪水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)量。而且，系統(tǒng)也將智能累積每個提升泵的工作時間，智能調(diào)換提升泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，保障泵的總運(yùn)轉(zhuǎn)時間基本一樣，讓2臺提升泵一直處在最好的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，延伸泵的應(yīng)用周期。

2.4 鼓風(fēng)機(jī)管理

好氧池中溶氧器實(shí)時監(jiān)測污水里的DO含量，再把溶氧器監(jiān)測的模擬信號收集到PLC系統(tǒng)的AI模塊，通過CPU對比、邏輯計(jì)算，輸出信號管理鼓風(fēng)機(jī)的啟動與關(guān)閉。設(shè)置的氧化槽好氧池理想溶解氧含量是2mg/L。

3 PLC2控制站結(jié)構(gòu)規(guī)劃

3.1 電氣原理規(guī)劃

本項(xiàng)目嚴(yán)格根據(jù)GB 50054-1995《低壓配電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》國家規(guī)定展開電氣原理圖規(guī)劃，根據(jù)工藝流程上每個儀器在車間的布置，分塊規(guī)劃電氣原理圖。本系統(tǒng)選擇三相五線供電形式，現(xiàn)場全部電機(jī)設(shè)備均有兩種控制形式：就地按鍵箱控制形式與智能控制形式。就地按鍵箱控制形式要求在現(xiàn)場人工按動運(yùn)轉(zhuǎn)/停止按鍵，正常狀況下，電機(jī)設(shè)施安裝是智能控制形式。其中，浪涌保護(hù)器用作對間接雷電與直接雷電干擾或其他瞬時過壓等電涌實(shí)施保護(hù)，關(guān)注其回路在分布時應(yīng)和其他回路維持一些間距；熔斷器的功能在于避免三相電壓失衡時穿透電源指示燈；電壓選取開關(guān)的功能是分別監(jiān)控相電壓與線電壓的值有沒有處在正常范疇；電流選取開關(guān)的功能在于監(jiān)控U、V、W各相電流參數(shù)。

3.2 板框壓濾機(jī)邏輯管理

板框壓濾機(jī)屬于脫水車間第二分控站的最重要工藝儀器，能夠?qū)ε鋫浜玫奈勰鄬?shí)施脫水、壓縮與泥餅外運(yùn)處置。

（1）板框壓濾機(jī)做好準(zhǔn)備工作好，傳出就緒信號值第二分控站，第二分控站傳出開啟信號，并開啟相關(guān)的污泥泵。當(dāng)注泥負(fù)擔(dān)達(dá)到設(shè)置值、污泥池液位太低、攪拌機(jī)電機(jī)異?；蚴俏勰嗦輻U泵緩慢運(yùn)行時，通過第二分控站暫停污泥入料，結(jié)束送泥。

（2）脫水步驟：脫水機(jī)開啟隔膜機(jī)壓泵，實(shí)施污泥脫水，完成脫水以后開始泄壓。

（3）卸泥步驟：卸泥時無須人工參與，板框壓濾機(jī)21智能處理，板框壓濾機(jī)帶有監(jiān)控報(bào)警器。

（4）濾布清理步驟：高壓清洗泵處在智能控制狀態(tài)時，通過板框壓濾機(jī)PLC21傳出請求命令，第二分控站開啟高壓清洗泵，清洗完成時停止。如果在運(yùn)行環(huán)節(jié)清洗水箱處在低液位，就暫停高壓清洗泵，且傳出報(bào)警信號。旁通開關(guān)處在智能控制狀態(tài)時，通過板框壓濾機(jī)PLC21傳出請求信號啟動，在濾布清洗過程啟動，清洗完成后關(guān)閉。

3.3 上位機(jī)監(jiān)控結(jié)構(gòu)規(guī)劃

上位機(jī)實(shí)時監(jiān)控頁面屬于本污水治理控制平臺重要的人機(jī)交互頁面。污水治理廠控制結(jié)構(gòu)規(guī)劃項(xiàng)目所選擇的上位機(jī)組態(tài)系統(tǒng)時GE企業(yè)的iFIX4.0，達(dá)到了生產(chǎn)區(qū)域的可視化。

促進(jìn)iFIX上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和西門子PLC的通訊，一般是借助OPC服務(wù)器采集現(xiàn)場儀器PLC的數(shù)字量信號與模擬量信號，經(jīng)過規(guī)范的OPC接口將數(shù)據(jù)資料傳輸至OPC用戶端。iFIX與西門子S7-300/400PLC的通訊是借助Simatic Net OPC服務(wù)器來完成的。

4 結(jié)語

污水治理智能控制系統(tǒng)是國家全面發(fā)展的加強(qiáng)生態(tài)環(huán)保的關(guān)鍵技術(shù)，污水治理廠是工業(yè)生產(chǎn)與城市污水治理的核心部門，在水資源保護(hù)與污水循環(huán)應(yīng)用方面有顯著的作用。本項(xiàng)目選擇的污水治理控制系統(tǒng)滿足預(yù)期要求，對整個污水治理生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行了監(jiān)控與管理。整個系統(tǒng)已經(jīng)安裝調(diào)試好并正常投產(chǎn)，且運(yùn)轉(zhuǎn)安全、穩(wěn)定。