介紹基于lk系列和利時plc的自動化控制系統(tǒng)在污水處理廠的應用案例。
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、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。
關鍵詞：污水處理；可編程控制器；自動控制系統(tǒng)

1 引言
進入21世紀以來，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控制器進行自動控制，上位計算機進行工藝參數(shù)監(jiān)視和設置的系統(tǒng)控制模式[1]。本文以海興縣污水處理廠為例進行系統(tǒng)組成、功能等介紹。
海興縣污水處理廠設計規(guī)模為日處理污水二萬噸，出水標準為一級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)構成。

2 污水處理控制系統(tǒng)的硬件設計

2.1 控制系統(tǒng)整體結構
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�，F(xiàn)場各種數(shù)據(jù)通過plc系統(tǒng)進行采集，并通過主干通訊網(wǎng)絡——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備，實現(xiàn)對現(xiàn)場設備運行狀態(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(設備層)
將現(xiàn)場控制箱上的“就地/遠程”旋鈕切換至“就地”位置，通過箱上的“啟動/停止”按鈕實現(xiàn)設備的就地啟停控制。
海興縣污水廠控制系統(tǒng)的拓撲結構與功能配置如圖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)控制功能的復雜程度和控制對象的點號統(tǒng)計進行相應的配置。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程從站；4#plc站包括主站和兩個遠程從站。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
負責采集水廠進水水質數(shù)據(jù)，以及格柵系統(tǒng)、旋流沉砂系統(tǒng)、污泥濃縮系統(tǒng)設備的狀態(tài)采集和設備的控制。
  
(2)鼓風機房工作站——2#plc控制站
   負責采集cass池水質數(shù)據(jù)，以及攪拌系統(tǒng)、潷水系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)設備狀態(tài)的采集和設備的控制。
  
(3)曝氣生物濾池工作站——3#plc控制站
   負責采集曝氣生物濾池水質數(shù)據(jù)，以及二次提升系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、反沖洗系統(tǒng)設備狀態(tài)的采集和設備的控制。
  
(4)v型濾池工作站——4#plc控制站
   負責采集v型濾池水質數(shù)據(jù)，以及反沖洗系統(tǒng)、出水系統(tǒng)設備狀態(tài)的采集和設備的控制。
  
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備狀態(tài)、工藝過程參數(shù)進行實時檢測和監(jiān)控，提供給操作人員、管理人員進行運行管理的人機界面，另一臺為信息監(jiān)控管理計算機，負責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)的軟件設計
3.1下位plc控制程序開發(fā)
plc程序設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)控計算機上設置液位控制和定時控制，當采用液位控制時，是靠格柵的前后液位差來控制格柵機的啟停，當液位差達到設定的水位上限時www.1000ji.com，plc控制器會發(fā)出命令啟動格柵設備；當水位差小于設置的下限時，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定設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行處理。羅茨風機為旋流沉砂池提供空氣，達到氣提的作用，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、風機和砂水分離器以一定周期運轉，通過工程師站可以設定運行時間。

(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，鼓風機向反應池內(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進行進一步氧化分解，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反應區(qū)，剩余污泥泵則將反應池多余污泥抽到污泥脫水間；潷水階段，沉淀結束后，置于反應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
曝氣風機其控制工藝要求：曝氣風機為24小時運轉，每天中午12點更換一臺風機，這樣可以保證三臺風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機、反洗泵以及閥門來實現(xiàn)反沖洗的功能，每兩天進行一次反沖洗。

(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備有反洗泵、反洗風機、閥門以及儀表工藝參數(shù)，每兩天進行一次反沖洗。

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行管理。友好的人機界面把分散的、單回路的測控系統(tǒng)進行了統(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)，處理水質達到排放標準，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
[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全國水處理技術研討會論文集. 2007：1
[2]李耀剛，劉學東，水蘭素.旋流沉砂池的plc控制[j].機電工程技術，2003，32(4):58-59.