1 引言
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)人口數(shù)量快速增長(zhǎng)，用水需求量明顯加大，是我國(guó)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(wèn)題刻不容緩。而隨著自動(dòng)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(dòng)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(jìn)行自動(dòng)控制，上位計(jì)算機(jī)進(jìn)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(jìn)行系統(tǒng)組成、功能等介紹。
海興縣污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為日處理污水二萬(wàn)噸，出水標(biāo)準(zhǔn)為一級(jí)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(jì)
2.1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
污水處理廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)分為三級(jí)管理，包括生產(chǎn)管理級(jí)(中央控制室)、現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)(PLC控制站)及就地控制級(jí)。現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)通過(guò)PLC系統(tǒng)進(jìn)行采集，并通過(guò)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(jì)算機(jī)集中監(jiān)控和管理。同樣，中央控制室監(jiān)控計(jì)算機(jī)的控制命令也通過(guò)上述通道傳送到PLC的測(cè)控終端，實(shí)施各單元的分散控制。
(1)生產(chǎn)管理級(jí)(中央控制室)
中控室管理層是系統(tǒng)的核心，完成對(duì)污水處理過(guò)程各部分的管理和控制，并實(shí)現(xiàn)廠級(jí)的辦公自動(dòng)化。通過(guò)高分辨率液晶顯示器及投影儀可直觀地動(dòng)態(tài)顯示全廠各工藝流程段的實(shí)時(shí)工況、各工藝參數(shù)的趨勢(shì)畫(huà)面，操作人員可及時(shí)掌握全廠運(yùn)行情況。
(2)現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)(PLC站)
控制層是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制的關(guān)鍵。按照自動(dòng)控制工藝要求，控制層的PLC通過(guò)程序控制整個(gè)污水處理廠的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)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(jí)(設(shè)備層)
將現(xiàn)場(chǎng)控制箱上的“就地/遠(yuǎn)程”旋鈕切換至“就地”位置，通過(guò)箱上的“啟動(dòng)/停止”按鈕實(shí)現(xiàn)設(shè)備的就地啟停控制。
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(dòng)控制系統(tǒng)采用北京和利時(shí)公司的LK系列PLC作為主控制器對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)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(duì)象的點(diǎn)號(hào)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的配置。據(jù)統(tǒng)計(jì)，整個(gè)污水廠需要PLC控制的I/O點(diǎn)共829，共分四個(gè)PLC控制站：1#PLC站僅有一個(gè)主站；2#PLC站僅有一個(gè)主站；3#PLC站包括主站和一個(gè)遠(yuǎn)程從站；4#PLC站包括主站和兩個(gè)遠(yuǎn)程從站。各個(gè)控制站的功能和分別如下：
(1)污泥脫水機(jī)房工作站——1#PLC控制站
負(fù)責(zé)采集水廠進(jìn)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(jī)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(shí)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(duì)各個(gè)從站的監(jiān)控和人機(jī)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(tái)故障打印機(jī)、一臺(tái)圖表打印機(jī)、一套UPS電源組成。
中控室的兩臺(tái)監(jiān)控操作站，其中一臺(tái)為系統(tǒng)監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)，可對(duì)在污水處理廠的各類設(shè)備狀態(tài)、工藝過(guò)程參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和監(jiān)控，提供給操作人員、管理人員進(jìn)行運(yùn)行管理的人機(jī)界面，另一臺(tái)為信息監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)和定時(shí)記錄以及報(bào)表的生產(chǎn)和打印。
3 污水處理控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
3.1下位PLC控制程序開(kāi)發(fā)
PLC程序設(shè)計(jì)采用北京和利時(shí)公司推出的Powerpro 下位機(jī)軟件，根據(jù)工藝要求，編寫(xiě)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(duì)象為格柵機(jī)組、螺旋輸送機(jī)以及超聲波液位計(jì)。其控制可在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上設(shè)置液位控制和定時(shí)控制，當(dāng)采用液位控制時(shí)，是靠格柵的前后液位差來(lái)控制格柵機(jī)的啟停，當(dāng)液位差達(dá)到設(shè)定的水位上限時(shí)，PLC控制器會(huì)發(fā)出命令啟動(dòng)格柵設(shè)備；當(dāng)水位差小于設(shè)置的下限時(shí)，格柵機(jī)組將接受到PLC控制器發(fā)出的停止的信號(hào)。操作人員可以在上位機(jī)上設(shè)定設(shè)備的啟停液位或者運(yùn)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(lái)自動(dòng)控制提升泵的啟停，項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)采用兩用一備方式。當(dāng)其中的泵出現(xiàn)故障時(shí)，故障泵會(huì)自動(dòng)切出自控程序，備用泵會(huì)自動(dòng)切入自控程序。這樣長(zhǎng)期運(yùn)行能保證泵的運(yùn)行時(shí)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(duì)象為攪拌器、羅茨風(fēng)機(jī)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(jìn)入，具有一定的流速，從而對(duì)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(gè)輕微的上升流動(dòng)，從而帶動(dòng)污水排出，流入下一道工藝流程進(jìn)行處理。羅茨風(fēng)機(jī)為旋流沉砂池提供空氣，達(dá)到氣提的作用，另外氣提直接將沉砂輸送到砂水分離器，實(shí)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(jī)和砂水分離器以一定周期運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)工程師站可以設(shè)定運(yùn)行時(shí)間。
(4) CASS池系統(tǒng)控制
CASS池系統(tǒng)操作周期分為四個(gè)步驟：曝氣階段，鼓風(fēng)機(jī)向反應(yīng)池內(nèi)充氧，此時(shí)有機(jī)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(jìn)行進(jìn)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(kāi)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(duì)CASS工藝的各個(gè)階段編寫(xiě)控制子程序。
(5)曝氣生物濾池系統(tǒng)控制
曝氣風(fēng)機(jī)其控制工藝要求：曝氣風(fēng)機(jī)為24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，每天中午12點(diǎn)更換一臺(tái)風(fēng)機(jī)，這樣可以保證三臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的時(shí)間大體相等。
反沖洗系統(tǒng)控制主要是控制反洗風(fēng)機(jī)、反洗泵以及閥門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)反沖洗的功能，每?jī)商爝M(jìn)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(dòng)控制主要是濾池的自動(dòng)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(jī)、閥門(mén)以及儀表工藝參數(shù)，每?jī)商爝M(jìn)行一次反沖洗。
3.2上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
本控制系統(tǒng)上位監(jiān)控系統(tǒng)采用北京和利時(shí)公司的上位機(jī)軟件FacView。監(jiān)控軟件將現(xiàn)場(chǎng)各分系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)形象、直觀、實(shí)時(shí)地顯示在中控室的工控機(jī)上，使操作員在中控室能實(shí)時(shí)獲得現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和信息并對(duì)污水處理廠的運(yùn)行進(jìn)行管理。友好的人機(jī)界面把分散的、單回路的測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了統(tǒng)一的管理，另外還有數(shù)據(jù)報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)表顯示、趨勢(shì)顯示等多種功能。
計(jì)算機(jī)監(jiān)控畫(huà)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(shì)圖、報(bào)警圖、報(bào)表，各個(gè)畫(huà)面之間可以實(shí)現(xiàn)自由切換，全廠工藝圖如圖3所示：
4 結(jié)語(yǔ)
該自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)行集中控制，分散管理的方式，把管理層和控制層分開(kāi)，通過(guò)對(duì)全過(guò)程的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了污水處理整個(gè)過(guò)程的全自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)，保證了污水生產(chǎn)運(yùn)行的安全可靠，大大提高了污水處理的自動(dòng)化控制水平和管理水平，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)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(yùn)行以來(lái)，控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，處理水質(zhì)達(dá)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(huì)的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮了積極的作用，取得了社會(huì)和經(jīng)濟(jì)雙重效益。
參考文獻(xiàn)
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[2]李耀剛，劉學(xué)東，水蘭素.旋流沉砂池的PLC控制[J].機(jī)電工程技術(shù)，2003，32(4):58-59.
作者簡(jiǎn)介：郭陽(yáng)陽(yáng)(1987-)，男，北京科技大學(xué)研究生，專業(yè)方向?yàn)樽詣?dòng)化控制；呂衛(wèi)陽(yáng)(1971-)，男，北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授，主要研究工業(yè)控制及自動(dòng)化；李強(qiáng)(1982-)，男，北京和利時(shí)自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司中級(jí)工程師，主要從事工業(yè)控制及儀表自動(dòng)化；劉榮，男，北京和利時(shí)自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司中級(jí)工程師，主要從事工業(yè)自動(dòng)化及部門(mén)管理工作。
