1 引言
近年來我國集約化大規(guī)?，F(xiàn)代化污水處理廠自動化程度要求越來越高，污水處理的自動化控制系統(tǒng)應(yīng)具有全自動的邏輯控制，系統(tǒng)能夠長期安全無故障的運行，且具有很高的可靠性。本文介紹的污水處理自動控制系統(tǒng)運用siemens的s7-400系列、webaccess組態(tài)軟件和profibus-dp現(xiàn)場總線來構(gòu)建一個分布式的自動控制系統(tǒng)，從而提高了污水處理的自動化程度和系統(tǒng)的高可靠性。
2 工藝流程
該水廠占地120多萬平方米，一期工程設(shè)計處理能力為8萬噸/天，二期工程完工后將達到12萬噸/天。鑒于水質(zhì)的特點，該水廠采用的是奧貝爾氧化溝工藝。工藝流程如圖1所示。
首先來自城市污水管網(wǎng)的污水經(jīng)過水廠的污水進水管道進入粗格柵，在粗格柵，比較大的懸浮物被攔截，以保護后續(xù)的動力設(shè)備。然后經(jīng)提升泵提升，以提高水的重力勢能，從而使水可以依靠重力的作用流過后續(xù)各個構(gòu)筑物。接著污水進入細(xì)格柵，在細(xì)格柵較小的懸浮物進一步被攔截。然后流入回旋沉砂池，進行砂水分離。然后污水進入二級處理階段：污水首先進入?yún)捬醭嘏渌谶@里污水與活性污泥完成混合后被均勻的分配到兩座厭氧池中，污水會在這里流動大約6小時，并在厭氧池內(nèi)高活性厭氧微生物的作用下，將廢水中的大分子、難降解的有機物降解為小分子、易降解的有機物(多為甲烷和乙酸)，并將大部分的磷去除。緊接著污水進入下一構(gòu)筑物——氧化溝，氧化溝是污水生化反應(yīng)的主要階段。污水在這里流動大約9小時，這時大量的空氣被表曝機曝入水體，在高活性好氧微生物的作用下，污水中幾乎所有的有機物得到進一步降解，絕大多數(shù)有機物被分解完畢。其中污水中的氮也主要是在這個階段被除去。接下來污水和部分活性污泥一起流入綜合井，通過綜合井被均勻的分配到四個二沉池中。在二沉池中處理好的污水和活性污泥分離，活性污泥達到一定濃度后一部分被泵送到生物反應(yīng)池前端和流入的污水再次混合。另外一部分送入儲泥池，為防止磷二次釋放，仍要對污泥進行二次曝氣，然后送到脫水間脫水，脫水后送出廠外掩埋。而沉淀好的清水則流入加氯接觸池進行深度處理以滿足水體受納標(biāo)準(zhǔn)，最后排放出去。
圖1 工藝流程
3 控制系統(tǒng)設(shè)計
3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)根據(jù)該污水廠工藝要求和設(shè)計要求，考慮到系統(tǒng)的可靠性、開放性、易維護性和可擴展性，按“集中管理，分散控制”的原則，采用了分布式結(jié)構(gòu)。該水廠的自動控制系統(tǒng)由中央控制室、各分布plc控制站和現(xiàn)場儀表及電控柜構(gòu)成三級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
控制系統(tǒng)共2臺監(jiān)控計算機，其中一臺備用。還有3個plc控制主站。通過現(xiàn)場總線將控制主站和中央控制室的上位工程師站相連接，便于監(jiān)控。并將上位工程師站、操作員站、總工程師站與廠長室的計算機接入以太網(wǎng)，由管理機完成各項管理功能。這樣整個自動化監(jiān)控系統(tǒng)便構(gòu)成了scada遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理、監(jiān)視及對現(xiàn)場設(shè)備進行控制等功能。
3.2 控制方式
該系統(tǒng)中主要工藝設(shè)備采用三種控制模式,即就地手動控制、遠(yuǎn)程plc控制和自動控制?，F(xiàn)場的泵類、表曝機和設(shè)備開啟關(guān)閉等開關(guān)信號、各構(gòu)筑物模擬信號(如do、t-p、ph、tss、等)全部經(jīng)過plc在上位機上顯示?，F(xiàn)場各監(jiān)控點的物理參數(shù)，均通過profibus總線與plc主站相連。
3.3 系統(tǒng)功能設(shè)計
(1)上位機監(jiān)控系統(tǒng)的功能。上位機采用了兩臺研華工業(yè)控制計算機，通過工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場的plc主站相連。上位機操作系統(tǒng)采用的是windows xp，監(jiān)控軟件采用的是webaccess。上位機的主要功能是對污水處理廠的數(shù)據(jù)進行采集；對自動控制系統(tǒng)的參數(shù)進行設(shè)置；完成控制系統(tǒng)的組態(tài)，同時可以進行在線、離線編程及設(shè)定參數(shù)的修改；通過顯示的控制過程畫面和實時的數(shù)據(jù)來監(jiān)控生產(chǎn)過程；能對歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和儲存并且能夠完成報表打印。另外在工廠局域網(wǎng)內(nèi)接入了inte-rnet，從而實現(xiàn)了局域網(wǎng)、本地網(wǎng)、遠(yuǎn)程網(wǎng)的跨區(qū)域遠(yuǎn)程現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控功能。這樣管理者可以隨時隨地的通過各種上網(wǎng)方式獲得水廠的信息，將范圍擴展到了工廠監(jiān)控級，實現(xiàn)了上層信息網(wǎng)和控制網(wǎng)相結(jié)合。
(2) 單元控制站。根據(jù)工藝的要求，全廠共設(shè)有3個單元控制站，分別為plc1站、plc2站和plc3站。單元控制站選用simatic s7-400系列的plc。cpu選用了cpu414-3dp，該cpu具有中等性能，適用于對程序規(guī)模、指令處理速度及通訊要求較高的場合。它帶有一個mpi/dp接口，一個dp接口，還有一個profinet接口，同時為dp接口和profinet接口分配的分布式i/o點地址分別為8kb。單元控制站在現(xiàn)場進行參數(shù)檢測，設(shè)備運行信號的采集、檢測和控制，并可通過該站的人機界面對設(shè)備進行操作，同時向上位機系統(tǒng)實時傳送數(shù)據(jù)。上位機系統(tǒng)設(shè)定的控制參數(shù)通過光纖以太網(wǎng)傳送給單元控制站，然后由單元控制站完成對現(xiàn)場設(shè)備的控制。單元控制站也對自身模板進行監(jiān)控，其診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)和過程的功能,記錄錯誤和特定系統(tǒng)事件。如果出現(xiàn)診斷報文事件，那么模板將會觸發(fā)一個診斷中斷，此后單元控制站中斷用戶程序的執(zhí)行，執(zhí)行相應(yīng)的診斷中斷模塊。
4 單元控制站設(shè)計
4.1 plc1站
plc1站主要負(fù)責(zé)粗格柵、進水泵房、細(xì)格柵和旋流沉砂池等設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場控制柜以及電動閘門的開啟。本站主要配備1塊cpu414-3dp模塊、2塊ps407 10a電源模塊、1塊cp 443-1通訊處理器、2塊im 460-0接口模塊、5個16路di模塊、3個16路do模塊、5個8路ai模塊、1個8路ao模塊和一個擴展機架。本站對粗格柵、細(xì)格柵的控制采用液位差和時間控制。即當(dāng)格柵前后液位差大于設(shè)定值后啟動格柵機，或者當(dāng)距離上次格柵運行的時間大于設(shè)定值時也要啟動格柵機。這兩種控制方式中液位差控制的優(yōu)先級比時間控制的優(yōu)先級高。格柵機的控制流程圖，如圖3所示。
圖 3格柵機的控制流程圖
對提升泵的控制是根據(jù)液位的高低決定泵的啟停，其控制流程圖如圖4所示。
圖4 提升泵控制流程圖
4.2 plc2站
plc2站主要負(fù)責(zé)厭氧池配水井、厭氧池和氧化溝等構(gòu)筑物上的設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、現(xiàn)場控制柜的操作以及電動閘門的開啟。本站對各個電動閘門一般采取就地控制或者是遠(yuǎn)程控制，只有對氧化溝上的do含量的控制實現(xiàn)了自動控制。同時對于其它參數(shù)如nh3-n、ss、氧化還原電位、液位、溫度等實現(xiàn)了自動采集并通過plc上傳中控室。本站主要配備3個擴展機架、1塊cpu414-3dp模塊、3塊ps407 10a電源模塊、1塊cp 443-1通訊處理器、3塊im 460-0接口模塊、20個16路di模塊、9個16路do模塊、4個8路ai模塊、1個8路ao模塊。其組態(tài)圖如圖5所示。
圖5 plc2站組態(tài)圖
4.3 plc3站
plc3站負(fù)責(zé)二沉池、接觸池、加氯間、儲泥池和脫水間，這些構(gòu)造物上各種設(shè)備的啟停，數(shù)據(jù)的采集和傳輸。主要內(nèi)容包括：對刮稀泥機的控制；對剩余污泥泵的啟?？刂萍盃顟B(tài)檢測，并實現(xiàn)了自動控制；對污泥流量的測量及流量值的累計、對排放水加氯量的控制以及對脫水機房脫水機和其他電機的啟?？刂?。本站主要配備3個擴展機架、1塊cpu414-3dp模塊、3塊ps407 10a電源模塊、1塊cp 443-1通訊處理器、3塊im 460-0接口模塊、20個16路di模塊、9個16路do模塊、4個8路ai模塊、1個8路ao模塊。本站對污泥回流泵的控制是根據(jù)液位的變化來實現(xiàn)的，其控制要求與提升泵是一樣的。因此其程序流程圖可以借鑒提升泵的設(shè)計。
5 結(jié)束語
以 webaccess、profibus-dp和 s7-400plc 構(gòu)建的污水處理自動控制系統(tǒng)，在可靠性、自動化程度上滿足了現(xiàn)代水處理的要求。該水廠自5月份開始試運行以來，控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，設(shè)備工作狀況良好，各項指標(biāo)均達到了設(shè)計要求，設(shè)備的利用率得到提高，操作人員的工作量和勞動強度大大降低，在一定程度上解決了污水處理廠設(shè)備分散、復(fù)雜、難以控制的難題，使出水水質(zhì)達到國家二級排放標(biāo)準(zhǔn)，出水水質(zhì)如下：ss為26mg/l左右，bod為17mg/l左右，氨氮為54mg/l左右，總磷為0.3mg/l左右，cod在53mg/l左右。取得了較好的效益。