摘要：本文主要介紹了海興縣污水處理廠自動控制系統(tǒng)的架構(gòu)、LK PLC系統(tǒng)配置及如何利用PLC實現(xiàn)全廠的自動控制。以和利時公司LK PLC作為控制器，中控室和全廠各主站之間采用光纖工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式，主站和遠程I/O 站采用Profibus-DP 通訊方式。水廠的自動控制系統(tǒng)，保證了污水生產(chǎn)運行的安全可靠，提高了污水處理的自動化控制水平和管理水平，提高了生產(chǎn)效率。
關(guān)鍵詞：污水處理；可編程控制器；自動控制系統(tǒng)
1 引言
進入21世紀(jì)以來，我國人口數(shù)量快速增長，用水需求量明顯加大，是我國城市可持續(xù)發(fā)展的主要矛盾之一，因此解決城市水資源缺乏和水環(huán)境惡化問題刻不容緩。而隨著自動化技術(shù)在各行業(yè)的不斷發(fā)展，污水處理行業(yè)的自動化水平也在快速提高。目前，在污水處理行業(yè)中多采用PLC控制器進行自動控制，上位計算機進行工藝參數(shù)監(jiān)視和設(shè)置的系統(tǒng)控制模式[1]。本文以海興縣污水處理廠為例進行系統(tǒng)組成、功能等介紹。
海興縣污水處理廠設(shè)計規(guī)模為日處理污水二萬噸，出水標(biāo)準(zhǔn)為一級A。水廠工程采用CASS+深度處理工藝，廠區(qū)主要由格柵及沉砂系統(tǒng)、提升泵房、CASS池生物反應(yīng)系統(tǒng)、曝氣生物濾池系統(tǒng)、V型濾池系統(tǒng)及污泥濃縮系統(tǒng)構(gòu)成。
2 污水處理控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
2.1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
污水處理廠自動化控制系統(tǒng)分為三級管理，包括生產(chǎn)管理級(中央控制室)、現(xiàn)場控制級(PLC控制站)及就地控制級。現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)通過PLC系統(tǒng)進行采集，并通過主干通訊網(wǎng)絡(luò)——工業(yè)以太網(wǎng)傳送到中央控制室監(jiān)控計算機集中監(jiān)控和管理。同樣，中央控制室監(jiān)控計算機的控制命令也通過上述通道傳送到PLC的測控終端，實施各單元的分散控制。
(1)生產(chǎn)管理級(中央控制室)
中控室管理層是系統(tǒng)的核心，完成對污水處理過程各部分的管理和控制，并實現(xiàn)廠級的辦公自動化。通過高分辨率液晶顯示器及投影儀可直觀地動態(tài)顯示全廠各工藝流程段的實時工況、各工藝參數(shù)的趨勢畫面，操作人員可及時掌握全廠運行情況。
(2)現(xiàn)場控制級(PLC站)
控制層是實現(xiàn)系統(tǒng)自動控制的關(guān)鍵。按照自動控制工藝要求，控制層的PLC通過程序控制整個污水處理廠的設(shè)備，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)以及參數(shù)(如壓力、流量、溫度、PH值等)的采集，以及執(zhí)行管理層的命令。
(3)就地控制級(設(shè)備層)
將現(xiàn)場控制箱上的“就地/遠程”旋鈕切換至“就地”位置，通過箱上的“啟動/停止”按鈕實現(xiàn)設(shè)備的就地啟?？刂?。
海興縣污水廠控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與功能配置如圖1 所示：
2.2 下位PLC系統(tǒng)配置
海興縣污水廠自動控制系統(tǒng)采用北京和利時公司的LK系列PLC作為主控制器對生產(chǎn)過程進行監(jiān)視和控制。模塊式PLC控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括CPU模塊、I/O模塊、通訊模塊、電源模塊、接口模塊等，根據(jù)控制功能的復(fù)雜程度和控制對象的點號統(tǒng)計進行相應(yīng)的配置。據(jù)統(tǒng)計，整個污水廠需要PLC控制的I/O點共829，共分四個PLC控制站：1#PLC站僅有一個主站；2#PLC站僅有一個主站；3#PLC站包括主站和一個遠程從站；4#PLC站包括主站和兩個遠程從站。各個控制站的功能和分別如下：
(1)污泥脫水機房工作站——1#PLC控制站
負(fù)責(zé)采集水廠進水水質(zhì)數(shù)據(jù)，以及格柵系統(tǒng)、旋流沉砂系統(tǒng)、污泥濃縮系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)采集和設(shè)備的控制。
(2)鼓風(fēng)機房工作站——2#PLC控制站
負(fù)責(zé)采集CASS池水質(zhì)數(shù)據(jù)，以及攪拌系統(tǒng)、潷水系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)的采集和設(shè)備的控制。
(3)曝氣生物濾池工作站——3#PLC控制站
負(fù)責(zé)采集曝氣生物濾池水質(zhì)數(shù)據(jù)，以及二次提升系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、反沖洗系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)的采集和設(shè)備的控制。
(4)V型濾池工作站——4#PLC控制站
負(fù)責(zé)采集V型濾池水質(zhì)數(shù)據(jù)，以及反沖洗系統(tǒng)、出水系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)的采集和設(shè)備的控制。
總而言之，PLC 控制系統(tǒng)實現(xiàn)了主站與從站的數(shù)據(jù)交換及數(shù)據(jù)處理，主站對各個從站的監(jiān)控和人機交互的可視性。
2.3 上位監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置
工程師和操作員站設(shè)立在中控室，其主要由兩套互為冗余的操作站、一套投影儀、一臺故障打印機、一臺圖表打印機、一套UPS電源組成。
中控室的兩臺監(jiān)控操作站，其中一臺為系統(tǒng)監(jiān)控管理計算機，可對在污水處理廠的各類設(shè)備狀態(tài)、工藝過程參數(shù)進行實時檢測和監(jiān)控，提供給操作人員、管理人員進行運行管理的人機界面，另一臺為信息監(jiān)控管理計算機，負(fù)責(zé)實時和定時記錄以及報表的生產(chǎn)和打印。
3 污水處理控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
3.1下位PLC控制程序開發(fā)
PLC程序設(shè)計采用北京和利時公司推出的Powerpro 下位機軟件，根據(jù)工藝要求，編寫格柵、提升泵房、旋流沉砂池、CASS池、二次提升泵、曝氣生物濾池、V型濾池等子程序。污水處理工藝流程圖如圖2所示：
(1)格柵系統(tǒng)控制
格柵系統(tǒng)主控對象為格柵機組、螺旋輸送機以及超聲波液位計。其控制可在監(jiān)控計算機上設(shè)置液位控制和定時控制，當(dāng)采用液位控制時，是靠格柵的前后液位差來控制格柵機的啟停，當(dāng)液位差達到設(shè)定的水位上限時，PLC控制器會發(fā)出命令啟動格柵設(shè)備；當(dāng)水位差小于設(shè)置的下限時，格柵機組將接受到PLC控制器發(fā)出的停止的信號。操作人員可以在上位機上設(shè)定設(shè)備的啟停液位或者運行周期。
(2)提升泵控制
提升泵的控制工藝要求是根據(jù)液位的高低來自動控制提升泵的啟停，項目現(xiàn)場采用兩用一備方式。當(dāng)其中的泵出現(xiàn)故障時，故障泵會自動切出自控程序，備用泵會自動切入自控程序。這樣長期運行能保證泵的運行時間大致相同。
(3)旋流沉砂池系統(tǒng)控制
旋流沉砂系統(tǒng)主控對象為攪拌器、羅茨風(fēng)機和砂水分離器。系統(tǒng)工作原理如下：污水從沉砂池的切向進入，具有一定的流速，從而對沙礫產(chǎn)生離心力，使較重的沙礫沿池壁沉降到池底集砂槽。攪拌器的槳葉旋轉(zhuǎn)形成軸向渦流，產(chǎn)生一個輕微的上升流動，從而帶動污水排出，流入下一道工藝流程進行處理。羅茨風(fēng)機為旋流沉砂池提供空氣，達到氣提的作用，另外氣提直接將沉砂輸送到砂水分離器，實現(xiàn)沙礫與污水的徹底分離[2]。其控制工藝要求如下：攪拌器、風(fēng)機和砂水分離器以一定周期運轉(zhuǎn)，通過工程師站可以設(shè)定運行時間。
(4) CASS池系統(tǒng)控制
CASS池系統(tǒng)操作周期分為四個步驟：曝氣階段，鼓風(fēng)機向反應(yīng)池內(nèi)充氧，此時有機污染物被微生物氧化分解；沉淀階段，微生物利用水中剩余的DO進行進一步氧化分解，活性污泥逐漸沉淀到池底，上層水變清，污泥回流泵將部分活性污泥送回預(yù)反應(yīng)區(qū)，剩余污泥泵則將反應(yīng)池多余污泥抽到污泥脫水間；潷水階段，沉淀結(jié)束后，置于反應(yīng)池末端的潷水器開始工作，自上而下逐漸排出上清液；閑置階段，潷水器上升到原始位置階段，等待下一周期潷水。根據(jù)上述工藝要求，對CASS工藝的各個階段編寫控制子程序。
(5)曝氣生物濾池系統(tǒng)控制
曝氣風(fēng)機其控制工藝要求：曝氣風(fēng)機為24小時運轉(zhuǎn)，每天中午12點更換一臺風(fēng)機，這樣可以保證三臺風(fēng)機運行的時間大體相等。
反沖洗系統(tǒng)控制主要是控制反洗風(fēng)機、反洗泵以及閥門來實現(xiàn)反沖洗的功能，每兩天進行一次反沖洗。
(6)V型濾池系統(tǒng)控制
V型濾池系統(tǒng)的自動控制主要是濾池的自動反沖洗功能。子程序控制的主要設(shè)備有反洗泵、反洗風(fēng)機、閥門以及儀表工藝參數(shù)，每兩天進行一次反沖洗。
3.2上位機監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)
本控制系統(tǒng)上位監(jiān)控系統(tǒng)采用北京和利時公司的上位機軟件FacView。監(jiān)控軟件將現(xiàn)場各分系統(tǒng)的運行狀態(tài)形象、直觀、實時地顯示在中控室的工控機上，使操作員在中控室能實時獲得現(xiàn)場數(shù)據(jù)和信息并對污水處理廠的運行進行管理。友好的人機界面把分散的、單回路的測控系統(tǒng)進行了統(tǒng)一的管理，另外還有數(shù)據(jù)報警、歷史數(shù)據(jù)存儲、報表顯示、趨勢顯示等多種功能。
計算機監(jiān)控畫面主要包括全廠工藝圖、格柵及沉砂系統(tǒng)、CASS工藝、曝氣生物濾池、V型濾池、儀表數(shù)據(jù)圖、趨勢圖、報警圖、報表，各個畫面之間可以實現(xiàn)自由切換，全廠工藝圖如圖3所示：
4 結(jié)語
該自動控制系統(tǒng)實行集中控制，分散管理的方式，把管理層和控制層分開，通過對全過程的監(jiān)控，實現(xiàn)了污水處理整個過程的全自動化運營，保證了污水生產(chǎn)運行的安全可靠，大大提高了污水處理的自動化控制水平和管理水平，減輕了勞動強度，從而提高了生產(chǎn)效率，降低了水廠能耗。其中，PLC 控制器發(fā)揮了相當(dāng)重要的作用。自投產(chǎn)運行以來，控制系統(tǒng)運行平穩(wěn)，處理水質(zhì)達到排放標(biāo)準(zhǔn)，不僅改善了人們的生活環(huán)境，而且為社會的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮了積極的作用，取得了社會和經(jīng)濟雙重效益。
參考文獻
[1]羅春，馬立實，吳堅，周超平.論國內(nèi)城市污水處理現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.2007全國水處理技術(shù)研討會論文集. 2007：1
[2]李耀剛，劉學(xué)東，水蘭素.旋流沉砂池的PLC控制[J].機電工程技術(shù)，2003，32(4):58-59.