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(yuǎn)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(jìn)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(jìn)行自動控制,，上位計算機進(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(jìn)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(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)設(shè)備的就地啟?？刂啤?br />
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(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)雜程度和控制對象的點號統(tǒng)計進(jìn)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(yuǎn)程從站；4#PLC站包括主站和兩個遠(yuǎn)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(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(jìn)行實時檢測和監(jiān)控,，提供給操作人員、管理人員進(jìn)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(dá)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(jìn)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(jìn)行處理,。羅茨風(fēng)機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(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(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(jìn)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(jìn)行管理。友好的人機界面把分散的,、單回路的測控系統(tǒng)進(jìn)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(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(xiàn)
[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.