長(zhǎng)期以來(lái),在我國(guó)城市建設(shè)快速發(fā)展的過(guò)程中，由于對(duì)環(huán)境保護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重視不夠、投入不足，污水直接排入城市水系及相關(guān)流域,造成江河湖泊水質(zhì)和地下水污染,城市水環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，污水凈化就成為改善城鎮(zhèn)居民生活環(huán)境、提高人民健康水平的主要手段之一。為保證污水處理工藝可靠、順利實(shí)施，自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及控制技術(shù)的運(yùn)用要以可靠性為基礎(chǔ)，綜合考慮控制技術(shù)先進(jìn)性、可擴(kuò)展性，同時(shí)兼顧降低系統(tǒng)造價(jià)。
　　在污水處理控制系統(tǒng)中，除了存在分布區(qū)域廣、設(shè)備分散、控制點(diǎn)多及控制信息復(fù)雜等要求外，同時(shí)具有控制輸入和輸出以開(kāi)關(guān)量參數(shù)居多，模擬量參數(shù)少的特點(diǎn)，而這些都是PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所在，因此，以PLC為主體就成為污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要控制模式[1]。本文將以某市的污水處理廠為例，簡(jiǎn)要介紹S7-400 PLC在污水處理控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。
1 系統(tǒng)工藝介紹
　　某市污水處理廠是省重點(diǎn)工程,近期污水水量為30萬(wàn)立方米/天，高峰污水量16250立方米/小時(shí)，遠(yuǎn)期污水水量為40萬(wàn)立方米/天，采用具有脫氮除磷功能的A/A/O活性污泥法工藝法，污水經(jīng)二級(jí)處理后排入附近河流進(jìn)行灌溉，污泥采用機(jī)械濃縮脫水后外運(yùn)。同時(shí)該工程還預(yù)留了污泥消化處理工段，所以對(duì)系統(tǒng)的擴(kuò)展性、開(kāi)放性及該系統(tǒng)的可持續(xù)性，具有相當(dāng)高的要求。系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖1。
2 控制系統(tǒng)組成
　　污水處理采用分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理方式，由中央控制室的上位計(jì)算機(jī)管理控制系統(tǒng)、廠區(qū)三個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站組成。中央控制室和廠區(qū)三個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站之間以一個(gè)冗余的100Mbps光纖工業(yè)以太網(wǎng)組成一個(gè)有線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站可以獨(dú)立運(yùn)行，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工藝檢測(cè)參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行工況信號(hào)的采集、檢測(cè)和控制，并通過(guò)該站的人機(jī)界面對(duì)設(shè)備運(yùn)行操作，同時(shí)通過(guò)ProfiBus總線向中央控制室進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，以備工作人員監(jiān)視;中控室的操作人員通過(guò)ProfiBus將必要的控制參數(shù)下傳到各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制單元，以調(diào)整控制和工藝參數(shù)。同時(shí)，為備現(xiàn)場(chǎng)操作，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元均有手動(dòng)/自動(dòng)按鈕，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)控操作，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、安全性以及運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。另外，污水控制系統(tǒng)還通過(guò)Ethernet經(jīng)廠數(shù)據(jù)交換機(jī)與廠管理網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)管控一體化。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖1 污水處理系統(tǒng)工藝流程

圖2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

　　現(xiàn)場(chǎng)控制站采用西門子S7 400 PLC，CPU采用416-3DP CPU，配有開(kāi)關(guān)量輸入DI模塊、開(kāi)關(guān)量輸出DO模塊、模擬量AI模塊和通訊模塊，并采用STEP7 5.1軟件對(duì)PLC各個(gè)模塊的參數(shù)進(jìn)行組態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)控制站在與設(shè)備自帶的PLC通訊時(shí)，采用ProfiBus-FMS的方式[2]，包括現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化單元、集控單元和現(xiàn)場(chǎng)總線通訊三個(gè)部分，現(xiàn)場(chǎng)總線物理層采用EIA-RS-485協(xié)議，通信板卡采用CP5611，用于主站和從站之間通訊。CP5611的傳輸速率從9.6k bit/s 到12M bit/s，每個(gè)字符為11個(gè)位。在CP5611通信軟卡安裝時(shí)，與Softnet-DP軟件配套使用;10KV及各變電所的相關(guān)信號(hào)，通過(guò)智能繼電保護(hù)裝置及智能空氣斷路器、用PROFIBUS-DP的通訊方式與現(xiàn)場(chǎng)控制站交換數(shù)據(jù)，每個(gè)間隔保護(hù)及測(cè)量裝置均作為現(xiàn)場(chǎng)控制站的從站。
　　中央控制室的上位計(jì)算機(jī)采用工業(yè)計(jì)算機(jī)，并用大型電子投影儀作為電子屏，操作系統(tǒng)選用Windows2000 Professional，并配用WinCC組態(tài)軟件。該工控組態(tài)軟件是一個(gè)集成的HMI系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)，具有畫(huà)面顯示、趨勢(shì)曲線、報(bào)警處理、報(bào)表處理、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)上瀏覽等功能。其特性之一是全面開(kāi)放，各系統(tǒng)集成商可用WinCC 作為其系統(tǒng)擴(kuò)展的基礎(chǔ)，通過(guò)開(kāi)放接口開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用軟件。本系統(tǒng)將WinCC 與STEP7 配合使用。因?yàn)樵赟TEP7 中定義的變量可以在WinCC中直接使用，從而節(jié)省了工程開(kāi)發(fā)時(shí)間。另外，WinCC中的C語(yǔ)言腳本及提供的與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的接口更增加了其應(yīng)用功能，可滿足用戶的復(fù)雜要求[3]。
3 主要控制功能
　　污水處理控制系統(tǒng)主要有6個(gè)子系統(tǒng)組成[4]：粗細(xì)格柵程控系統(tǒng)、水泵程控系統(tǒng)、生物反應(yīng)池空氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、回流污泥量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、泥溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)、清化調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
　　3.1 粗細(xì)格柵程控系統(tǒng)
　　粗細(xì)格柵均采用液位差控制，在粗細(xì)格柵前后裝有超聲波液位探頭，由變送器將0～10V的液位差信號(hào)送到PLC模擬量輸入模塊，當(dāng)液位差超過(guò)設(shè)定值時(shí)，PLC強(qiáng)制啟動(dòng)格柵進(jìn)行清渣，否則按預(yù)定周期清渣。為保證控制可靠運(yùn)行，需定期對(duì)超聲波液位計(jì)進(jìn)行維護(hù)和校正。格柵程控系統(tǒng)根據(jù)格柵前后的水位差，自動(dòng)控制柵耙，按預(yù)定周期運(yùn)行，以保證格柵正常工作，格柵調(diào)節(jié)有現(xiàn)場(chǎng)控制（手動(dòng)）和遠(yuǎn)程控制（自動(dòng)）兩種模式。
　　3.2 水泵程控系統(tǒng)
　　水泵程控系統(tǒng)按水泵池的液位經(jīng)過(guò)MicroMaster通用變頻器，并采用數(shù)字增量式PID方式控制水泵的轉(zhuǎn)數(shù)和流量。每臺(tái)泵房均有主運(yùn)行泵、備用泵，以備不測(cè)。對(duì)每個(gè)泵的控制，同樣有現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程控制兩種模式。
　　3.3 生物反應(yīng)池空氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)
　　生物反應(yīng)池是污水進(jìn)行生化反應(yīng)的場(chǎng)所，主要通過(guò)轉(zhuǎn)刷控制污水的曝氣時(shí)間。生物反應(yīng)池中設(shè)有轉(zhuǎn)刷，并在出水口設(shè)有溶解氧儀、氧化還原電位計(jì)和污泥濃度計(jì)、SIPAN32液體分析儀。溶解氧儀和氧化還原電位計(jì)輸入信號(hào)連接在PLC不同的輸入模塊上，以免由于模塊損壞造成控制失調(diào)。曝氣空氣量的調(diào)整，采用控制鼓風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉片的方式，即通過(guò)改變鼓風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉片的角度來(lái)改變空氣量，從而保證溶解氧的需求量。
　　3.4 回流污泥量調(diào)節(jié)系統(tǒng)
　　回流污泥量的調(diào)節(jié)是為了將氧化溝中的懸浮污泥濃度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，其調(diào)節(jié)采用數(shù)字式增量PID控制方式，按進(jìn)入氧化溝的水量控制回流污泥泵的開(kāi)啟臺(tái)數(shù)和回流污泥管道上閥門的角度，以保證回流污泥管道上閥門的合適比例，所有泵的調(diào)節(jié)均由變頻器控制。
　　3.5 泥溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)
　　其任務(wù)是為了控制污泥溝中的泥溫在允許范圍內(nèi)，以保證其在35℃內(nèi)充分發(fā)酵。泥溫調(diào)節(jié)采用熱平衡控制方式，即改變換熱器的熱水溫度或流量來(lái)改變換熱量，以實(shí)現(xiàn)污泥溫度的調(diào)節(jié)。對(duì)每個(gè)泵的控制，也都有現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程控制兩種模式。
　　3.6 清化調(diào)節(jié)系統(tǒng)
　　清化調(diào)節(jié)系統(tǒng)由沼氣攪拌程控系統(tǒng)、消化池配泥程控系統(tǒng)、濾池程控系統(tǒng)等組成，主要完成水質(zhì)的清化過(guò)程，滿足環(huán)保要求。若以上各現(xiàn)場(chǎng)控制單元PLC任何一臺(tái)出現(xiàn)故障，現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警信號(hào)立即通過(guò)網(wǎng)絡(luò)反饋到中控監(jiān)視室，并在監(jiān)視屏上顯示故障位置，同時(shí)聲光報(bào)警，操作人員便可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行操作，排除故障或自動(dòng)啟動(dòng)備用泵。
4 控制程序設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)有四種控制方式：本地手動(dòng)控制、單臺(tái)設(shè)備點(diǎn)動(dòng)控制、成組設(shè)備自動(dòng)控制、全廠設(shè)備全自動(dòng)控制。前三種方式一般只在設(shè)備調(diào)試或維修時(shí)使用，正常狀況下系統(tǒng)主要以全自動(dòng)控制方式運(yùn)行，在這種方式下，所有各類設(shè)備都由PLC按照預(yù)先編制的程序自動(dòng)控制，不需要操作人員干預(yù)，各種現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)PLC傳至中控室的上位機(jī)，中控室可監(jiān)視各現(xiàn)場(chǎng)站的全部運(yùn)行信息，并可控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的啟動(dòng)和停止。生物反應(yīng)池中的生物處理部分是整個(gè)污水處理的關(guān)鍵部分，限于篇幅，僅介紹生物反應(yīng)池空氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。
　　反應(yīng)池空氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)用來(lái)控制從污水進(jìn)入反應(yīng)池到處理后的污水流出反應(yīng)池的整個(gè)過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，包括控制各種閥、泵、風(fēng)機(jī)的順序及定時(shí)開(kāi)關(guān)和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等。污水在池中是通過(guò)微生物的生物氧化作用來(lái)去除有機(jī)物的，水中氧的含量對(duì)污水的處理效果是至關(guān)重要的，根據(jù)工藝要求，曝氣池內(nèi)的溶解氧含量通?？刂圃?～3mg/L范圍內(nèi)，在曝氣階段未溶解氧含量應(yīng)不超過(guò)2mg/L，含氧量過(guò)低或過(guò)高，均會(huì)影響出水質(zhì)量，每隔5min檢測(cè)一次曝氣池內(nèi)的溶解氧值，根據(jù)溶解氧的平均值來(lái)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，若溶解氧低于設(shè)定下限時(shí)，調(diào)頻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加5%，若溶解氧高于設(shè)定上限時(shí)，調(diào)頻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低5%， 這樣就實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)池供氧量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，既避免了不必要的能源損失，又優(yōu)化了運(yùn)行工藝。反應(yīng)池溶解氧控制程序流程圖如圖3 所示：

圖3 反應(yīng)池溶解氧控制程序流程圖
　　根據(jù)上述控制過(guò)程要求，應(yīng)用程序主要由5個(gè)程序模塊組成：
　　（1）公用程序模塊（OB1），包括初始化部分、反應(yīng)周期設(shè)定、工藝時(shí)間設(shè)定、溶解氧設(shè)定、調(diào)用條件設(shè)定等。
　　（2）開(kāi)關(guān)量順序控制模塊（FC10），其功能包括協(xié)調(diào)控制各個(gè)閥、泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行及相關(guān)故障的報(bào)警，池的進(jìn)氣閥、進(jìn)水閥、出水閥、回流泵、剩余污泥泵的控制。
　?。?）斷電保護(hù)模塊（FC16），功能是系統(tǒng)斷電后，將所有狀態(tài)鎖存，待加電后使PLC恢復(fù)所保持的狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。
　　（4）通信模塊（FC20），用來(lái)完成PLC與上位機(jī)的各種數(shù)據(jù)傳送。
　?。?）溶解氧值自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊（FC5），主要功能是根據(jù)溶解氧值來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及相關(guān)故障的報(bào)警。
5 結(jié)語(yǔ)
　　系統(tǒng)采用了ProfiBus-FMS總線技術(shù)，將Simatic S7-400 PLC、變頻器MicroMaster和工控機(jī)等主要控制設(shè)備有機(jī)結(jié)合，具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、運(yùn)行速度快、通信穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，通過(guò)與變頻調(diào)速技術(shù)在污水處理系統(tǒng)中的配合使用，提高了整個(gè)污水處理系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。同時(shí)，由于其模塊化特性，若處理規(guī)模加大，只需增加相應(yīng)的功能模塊，增加適當(dāng)?shù)能浖δ芫涂稍谳^小的投入下很方便地實(shí)現(xiàn)規(guī)模擴(kuò)展，對(duì)我國(guó)污水處理的自動(dòng)化建設(shè)具有一定的推廣價(jià)值。
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