北京萬邦達(dá)環(huán)保技術(shù)股份有限公司，北京，100875，高亦強(qiáng)

 

摘要：為達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，山東禹城第二污水處理廠需要對全廠實行集中管理，采用高性能、高品質(zhì)的PLC產(chǎn)品確保控制系統(tǒng)安全、高效運行。以和利時公司LK系列PLC為核心的控制系統(tǒng)在基于A2/O生物除磷脫氮污水處理工藝中得到應(yīng)用，并能完全滿足工藝控制的要求，提供了一種高可靠性、低成本、更優(yōu)化的控制方案。

 

關(guān)鍵詞：LK系列PLC；控制系統(tǒng)

 

1  引言

山東禹城第二污水處理廠項目是2011年禹城市二十大民生實事工程之一，總設(shè)計規(guī)模9萬m3/d，其中一期工程設(shè)計規(guī)模3萬m3/d。設(shè)計出水水質(zhì)達(dá)到《城市污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)，項目實施完畢后將有效解決高新開發(fā)區(qū)內(nèi)工業(yè)企業(yè)的污水處理問題。該污水處理廠控制系統(tǒng)以和利時公司LK系列PLC為核心，為整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供了可靠保障。

 

2  污水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計

污水處理廠控制系統(tǒng)設(shè)計基于現(xiàn)代先進(jìn)控制思想，采用分散控制、集中監(jiān)測管理的控制方式，以和利時公司LK系列PLC為核心的控制系統(tǒng)。基于LK系列PLC應(yīng)用于污水處理廠，完全能滿足A2/O生物除磷脫氮處理工藝控制的要求，提供了一種高可靠性、低成本、更優(yōu)化的控制方案。

 

污水處理廠采用以LK210為主要PLC的集中和分散相結(jié)合的計算機(jī)控制系統(tǒng)，設(shè)1個中心控制室、4個現(xiàn)場PLC控制站。整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。現(xiàn)場控制站對污水處理廠各過程進(jìn)行分散控制，再由中心控制室對全廠實行集中管理。各現(xiàn)場控制站與中心控制室之間由工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，傳輸介質(zhì)為光纖，采用環(huán)型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，傳輸速率為100Mbps。

 

圖1  結(jié)構(gòu)原理圖

 

3  污水處理控制系統(tǒng)的功能

污水處理廠升級改造控制系統(tǒng)分為三級管理，包括生產(chǎn)管理級（中心控制室）、現(xiàn)場控制級（PLC控制站）及就地控制級。各級管理功能如下：

3.1 生產(chǎn)管理級（中心控制室）

主要完成對污水處理廠的管理、調(diào)度、集中操作、監(jiān)視、系統(tǒng)功能組態(tài)、控制參數(shù)在線修改和設(shè)置、記錄、報表生成及打印、故障報警等功能。系統(tǒng)提供了友好的人機(jī)界面，具備如下功能：

1）采集和實時監(jiān)控全廠各工段的工藝參數(shù)值，電氣參數(shù)值及生產(chǎn)設(shè)備的運行狀態(tài)信息。

2）調(diào)節(jié)回路顯示，包括所有調(diào)節(jié)回路，可修改設(shè)定值、控制方式、調(diào)節(jié)參數(shù)等，并有實時趨勢圖便于進(jìn)行PID回路整定。

3）根據(jù)采集到的信息，建立各類信息數(shù)據(jù)庫并對各類工藝參數(shù)值作出趨勢曲線(含歷史數(shù)據(jù))，供操作人員分析比較。

4）報警系統(tǒng)提供過程中出現(xiàn)的故障、操作狀態(tài)以及自動化過程中的綜合信息以幫助及時發(fā)現(xiàn)危險情況，以減少污水處理廠運行過程中的嚴(yán)重事故和故障。這些信息以可見和可聽的方式提醒操作人員，如某一監(jiān)控回路出現(xiàn)故障，系統(tǒng)中相應(yīng)監(jiān)控畫面中的回路部分會變色和閃爍，并伴有音響和報警信息提示操作員注意，同時將報警信息存儲及打印輸出。系統(tǒng)具有不同的信息類型和信息等級，以幫助操作人員能以較快的速度確認(rèn)較重要的報警信息。

5）以"人--機(jī)"對話方式指導(dǎo)操作。自動狀態(tài)下，可用鍵盤或鼠標(biāo)對有關(guān)設(shè)備進(jìn)行手動操作（如開/停機(jī)操作）。

6）顯示全廠平面及幾十幅工藝流程中的剖面圖。

7）動態(tài)圖形及實時數(shù)據(jù)顯示。圖形系統(tǒng)可以處理所有屏幕上的輸入輸出信號。可根據(jù)用戶需要，利用圖形工具對工藝圖、動態(tài)曲線、歷史趨勢圖、棒圖及表格進(jìn)行動態(tài)或靜態(tài)顯示。

8）對重要設(shè)備的操作、重要參數(shù)的修改自動進(jìn)行記錄，以便進(jìn)行管理及事故分析。

9）系統(tǒng)設(shè)置為多用戶、多區(qū)域方式進(jìn)行嚴(yán)格的安全管理。

10）采用分級操作與維護(hù)的工作方式。所有人員進(jìn)入系統(tǒng)操作，首先進(jìn)行登錄，登錄包括用戶名稱和口令，系統(tǒng)根據(jù)登錄人的級別開放相應(yīng)的功能：對于一般操作員只能進(jìn)行簡單的、系統(tǒng)正常情況下的操作；而對于系統(tǒng)維護(hù)則應(yīng)由系統(tǒng)管理員來完成。

11）與工廠管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)資源共享、綜合管理。

12）通過通信總線與其他廠家的控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。

3.2  現(xiàn)場控制級（PLC控制站）

根據(jù)廠區(qū)內(nèi)生產(chǎn)構(gòu)筑物的分布和工藝過程的要求，各現(xiàn)場PLC站通過主干網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)起來。作為控制層，具備如下功能：

1）按控制程序?qū)λ�轄工段�?nèi)的工藝過程、電氣設(shè)備進(jìn)行自動控制，同時采集工藝參數(shù)，電氣參數(shù)及電氣設(shè)備運行狀態(tài)。

2）通過通信網(wǎng)絡(luò)與中央控制室的監(jiān)控管理系統(tǒng)進(jìn)行通信。向監(jiān)控管理系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)，并接受監(jiān)控管理系統(tǒng)發(fā)出的開停機(jī)命令。

3）現(xiàn)場控制站提供方便的自動控制, 臨界報警和連續(xù)的回路控制。

4）無響應(yīng)報警：在任何時候，如果現(xiàn)場設(shè)備對控制站PLC的輸出無響應(yīng)（開/停或開/關(guān)超時不響應(yīng)）。控制站PLC要發(fā)出一個錯誤信號。

5）為控制站PLC程序預(yù)置的值，可以通過中央監(jiān)控站調(diào)整。

3.2.1  粗格柵和提升泵房控制站

主要用于粗格柵和提升泵房設(shè)備的控制及數(shù)據(jù)采集。主要功能包括：

1）通過超聲波液位差計連續(xù)測量粗格柵前后液位差值，并與設(shè)定值比較，控制機(jī)械格柵的開啟和上下運行排渣。也可采用設(shè)定時間控制排渣周期。

2）通過超聲波液位計測量液位數(shù)據(jù)，根據(jù)液位開啟提升泵。

3）實時采集液位計、液位差、進(jìn)水泵管道壓力等參數(shù)。

3.2.2  細(xì)格柵控制站

主要用于細(xì)格柵、沉砂池設(shè)備的控制及數(shù)據(jù)采集。主要功能包括：

1）通過超聲波液位差計連續(xù)測量細(xì)格柵前后液位差值，并與設(shè)定值比較，控制機(jī)械格柵的開啟和上下運行排渣。也可采用設(shè)定時間控制排渣周期。

2）實時采集液位差、進(jìn)水COD，PH，SS，流量等參數(shù)。

3）根據(jù)設(shè)定周期控制沉砂池上其它設(shè)備的運行。

3.2.3  SBR控制站

主要用于水解酸化池及設(shè)備的控制及數(shù)據(jù)采集。主要功能包括：

1）自動控制處于工作狀態(tài)的所有設(shè)備的連續(xù)運行。

2）根據(jù)工藝要求使設(shè)備周期性循環(huán)運行，運行時間現(xiàn)場可調(diào)整。

3）實時采集壓力、液位等參數(shù)。

4）完成與其他設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)。

3.2.4  脫水機(jī)房站

主要用于脫水機(jī)房設(shè)備的控制及數(shù)據(jù)采集。主要功能包括：

1）脫水機(jī)房控制由脫水機(jī)房廠家負(fù)責(zé)，PLC站點只進(jìn)行監(jiān)控操作。

2）對儲泥池攪拌器進(jìn)行控制，按照定時控制。

3）實時采集儲泥池液位、剩余污泥管流量等參數(shù)。

4）控制鼓風(fēng)機(jī)管道閥門的開度

3.3 就地控制級

將現(xiàn)場控制箱上的“就地/遠(yuǎn)程”旋鈕切換至“就地”位置，通過箱上的“啟動/停止”按鈕實現(xiàn)就地手動控制。

污水處理廠升級改造控制系統(tǒng)設(shè)計為三種控制方式，三種方式的級別由高到低依次為就地手動、遠(yuǎn)程手動、遠(yuǎn)程自動。

 

4  污水處理控制系統(tǒng)的特點

基于LK系列PLC在污水處理廠處理控制系統(tǒng)有以下特點。

1）高性能。系統(tǒng)組件的設(shè)計符合真正的工業(yè)等級，控制系統(tǒng)能在嚴(yán)格的工業(yè)環(huán)境下長期、穩(wěn)定地運行，盡可能降低控制系統(tǒng)故障風(fēng)險，保證能源收益，確保水廠7×24小時的不間斷供水服務(wù)。

LK系列PLC配置了工業(yè)級的處理器，其主頻可以達(dá)到533MHz，同時具有納秒級的處理速度，單條指令較快可以達(dá)到13ns的處理速度；具有大容量的內(nèi)存，程序容量可以達(dá)到16M，數(shù)據(jù)容量可以達(dá)到64M，而掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的存儲則可以達(dá)到1M；還擁有非常大的系統(tǒng)I/O容量，數(shù)字量I/O可達(dá)57344點，模擬量I/O則可達(dá)3584點；LK系列PLC的定時器和計數(shù)器是超長不限點的，只要在程序容量允許的范圍內(nèi)用戶可以隨意使用。

2）高可靠性。PLC控制站一般設(shè)于高電磁干擾環(huán)境，如提升泵房、鼓風(fēng)機(jī)房等。 基于LK系列PLC的控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的電磁兼容性，系統(tǒng)采用各種隔離、抗干擾設(shè)計，保證系統(tǒng)能在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中穩(wěn)定運行。

水處理環(huán)境可能因遭受污染并加速設(shè)備中電子元件的老化，基于LK系列PLC可提供特殊的保護(hù)工藝（保護(hù)涂層）的模塊，提高元件在腐蝕性化學(xué)品和腐蝕性環(huán)境中的使用壽命，避免意外停機(jī)，降低維護(hù)成本。

3）易用性和易維護(hù)性。PLC控制系統(tǒng)一經(jīng)安裝完畢，控制系統(tǒng)便可進(jìn)入自動運行狀態(tài)。 在自動運行過程中需要PLC控制系統(tǒng)在不影響整個系統(tǒng)運行的情況下進(jìn)行模塊的更換及系統(tǒng)維護(hù)。

LK系列PLC的模塊支持帶電插拔，更換模塊時無需中斷系統(tǒng)運行，新模塊將會自動進(jìn)行數(shù)據(jù)的初始化設(shè)置，并快速與CPU建立通信；背板上設(shè)計有防混淆，以避免插錯模塊；靈活的SD存儲卡，可進(jìn)行工程恢復(fù)及備份復(fù)制，使系統(tǒng)維護(hù)更加方便、快捷。

4）開放性和兼容性。基于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的通訊網(wǎng)絡(luò)可非常方便地將第三方設(shè)備接入，如加藥系統(tǒng)、紫外線消毒、及污泥脫水機(jī)等，允許大量過程反饋信息傳輸，支持設(shè)備參數(shù)訪問功能，可提高系統(tǒng)的性能與診斷能力。

該控制系統(tǒng)不僅支持與各種上位監(jiān)控軟件的通訊，例如iFIX、INTOUCH、組態(tài)王、MCGS、力控等，而且支持與主流品牌觸摸屏的通訊，例如Pro-Face、HITECH、eView、Weinview、nTouch。只要HMI支持標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議，都可以很方便的進(jìn)行連接。

強(qiáng)大的擴(kuò)展功能可為遠(yuǎn)期擴(kuò)容、升級改造預(yù)留接口及容量。

5）過程診斷和在線維護(hù)。提供的強(qiáng)大診斷功能，能夠方便、高效訪問相關(guān)信息，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致故障的根本原因以及需要修正的過程參數(shù)等，以便提前發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中存在的問題，可以避免設(shè)備意外停機(jī)，從而降低運營成本。

操作站安裝上位監(jiān)控組態(tài)軟件HollyView6.53及LK編程軟件PowerPro V4，具有強(qiáng)大的功能，可方便、直觀地進(jìn)行上位機(jī)組態(tài)和PLC編程，且支持在線下載、在線修改以及離線仿真調(diào)試等功能。

 

5  結(jié)論

基于LK系列PLC在污水處理廠控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，充分發(fā)揮了LK系列PLC配置靈活、控制可靠、開放性強(qiáng)和在線維護(hù)方便等優(yōu)點，為整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供了可靠保障。

 

參考文獻(xiàn)：

[1]  LK大型可編程控制器硬件手冊[M].北京：北京和利時集團(tuán)，2011

[2]  LK系列可編程控制器選型樣本[M].北京：北京和利時集團(tuán)，2011

[3]  水處理行業(yè)自動化解決方案[M].北京：北京和利時集團(tuán)，2010