PLC和Control2000在三峡库区污水处理厂中的应用

　　[摘要]：我国城市污水任意排放日益严重，全面建立完善的自动检测监控系统势在必行。本文重点介绍西门子 PLC和上位机监控软件Control2000在三峡库区污水处理Orbal氧化沟工艺中的应用及其网络构成。PLC及监控软件的使用使得系统设备运行更加稳定、合理，有效的延长了设备使用寿命和节约了能源。
　　引言：
　　随着我国的社会和经济的高速发展，环境问题日益突出，尤其是城市水环境的恶化，加剧了水资源的短缺，严重影响着人民群众的身心健康，这些情况已经成为城市可持续发展的严重制约因素；我国现阶段很多大中型城市的废水排放量大，已造成城市地表水的严重污染；三峡库区水环境保护事关三峡工程长期安全运行和长江中下游地区经济社会的可持续发展，因此受到国内外广泛关注，但目前各城市仍然是直接排放污水或因水处理自控系统不完善没处理好就把污水排放了，很多操作和检测监控过程仍停留在人工阶段，监控时间覆盖率低，手工采集样品缺乏科学性和代表性，难以反映企业和城市污水处理及排放连续变化的情况。大范围的建立污水处理系统及在线自动控制监控体系，势在必行。
　　系统简介：
　　本文介绍的污水处理厂位于重庆某县城边缘，厂区紧邻长江流域，处于三峡库区腹地，该污水处理厂采用的是典型Orbal氧化沟工艺，日处理污水量5万吨，厂区主体构筑物有：综合楼、配电房、进水提升泵房、粗细格栅井及旋流沉砂装置、Orbal氧化沟、终沉池、污泥回流剩余泵井、脱水机房等；整个厂区设备及阀门均采用MCC和PLC两种控制方式，正常情况下可以实现仪表、PLC的完全自动检测控制及运行状况监控；下位机采用西门子400系列和300系列PLC，上位机采用北京华富Control2000监控软件。该厂自动控制系统于2004年12月全面完成调试，目前系统运行正常。
　　污水处理系统详述：
　　一、Orbal氧化沟工艺介绍如（图一）：

（图一）Orbal氧化沟工艺简图
　　Orbal氧化沟水处理工艺起源于南非，后经不断改进和推广，在全球范围得到广泛应用。城市污水由管道集中后，水流首先经过粗格栅，将粗的垃圾去除，然后由提升泵将污水提高水头（后面工艺要求有高水头），再经过细格栅及旋流沉砂池，进一步去除小的垃圾和泥砂，污水进入水处理主体结构——氧化沟，污水在“O”型的氧化沟中经过曝气机调节曝气，使得污水得到缺氧、氧化、硝化、反硝化等反应，在该过程中完成BOD（生物耗氧量）、COD（化学耗氧量）的去除及污水脱氮的功能，并为下一步水的沉淀作好准备，经过氧化沟处理的水流入终沉池，加入Fe3+、或Al3+ 使得水中的（PO4）3- 得以沉淀，充分沉淀后，清水最后经二氧化氯消毒后排入长江。沉淀的污泥经脱水机滤干后焚烧处理。
　　二、厂区主要设备控制要求
　　1、粗细格栅机及其附属输送压榨设备的控制
　　定时控制：根据外来污水状况和运行经验，通过设定相关定时参数，自动控制格栅机的启动时间和停止时间。
　　液位差控制：在格栅机的前后均设置一台超声波液位传感器，检测出格栅机的前后液位差。设定低液位差LDF2和高液位差LDF1，当检测到的液位差大于LDF1时，启动格栅机；当检测到的液位差低于LDF2时，停止格栅机（减少了运行时间，有效的节约能源）。控制过程如（图二）

（图二）

　　格栅附属设备的联动：
　　皮带输送机和压榨机作为格栅机的附属输送压榨设备，它们在定时或自动运行模式下，一般与格栅机联动。附属设备适当的提前或延时运行。

　　2、 提升泵的自动控制
　　控制描述如（图三）：
　　（1）变频器连接在第一台水泵电机上，需要加泵时，变频器停止运行，并由变频器的输出端口RO1～RO3输出信号到PLC，由PLC控制切换过程。
　　（2） PLC根据泵池液位高中低信号自动调节三台泵的启停；泵池水位到预设的低水位时启动1#泵，水位上升到预设的中水位时，1#泵由变频运行转换到工频运行，这时再变频启动2#泵，依次启动到3#泵。

（图三）

　　（3） 切换开始时，变频器停止输出(变频器设置为自由停车)，利用水泵的惯性将第一台水泵切换到工频运行，变频器连接到第二台水泵上起动并运行，照此，将第二台水泵切换到工频运行，变频器连接到第三台水泵上起动并运行。
　　（4） 水位下降需要减泵时，系统将第三台水泵停止，第二台水泵切换到变频调节状态。水位继续下降，系统将第二台水泵停止，第一台水泵切换到变频调节状态。
　　（5） 另外，设置软启动器作为备用。当变频器或PLC故障时，可用软起动器现场手动轮流起动各泵运行以保证供水。作为多台提升泵的自动控制，满足先启先停的原则，以优化资源的利用率；为了提升泵的安全，系统设置了提升泵的干运转保护；同时，系统还设置了泵的频繁启停保护，群启动保护等，以延长其使用寿命。
　　3、曝气系统的自动控制
　　生化池作为全厂污水处理的核心，具有举足轻重的作用。污水经过预处理后，在这里通过微生物吸附污水中的有机物，达到除磷脱氮的目的。对生化池的自动控制，主要是溶解氧浓度的控制。
　　曝气量自动控制系统作为一个恒值控制系统，系统给定一个保持不变的最佳溶解氧值，通过PLC控制调节输出量（即曝气机开启台数），使被控量（实测氧化沟溶解氧浓度）不断地接近给定值。在这个系统中，要求稳定性和动态特性良好，被控量向给定值过渡的时间短，同时过程平稳，振荡幅度小。
　　曝气供氧系统是由曝气机和溶解氧仪共同组成的闭环系统，为反应池好氧段提供氧气，并维持好氧过程的溶解氧浓度值。依照好氧过程的溶解氧浓度值控制曝气机开启台数，维持溶解氧浓度值在一定的范围内变动。控制流程如（图四）。

（图四）

　　三、控制模式
　　手动模式：手动模式又可以分为盘柜模式和就地模式。盘柜模式就是通过MCC上的按钮实现对设备的操作；就地模式就是通过现场控制箱上的按钮实现对设备的操作。
　　遥控模式：就是通过中心控制室上位操作站实现对设备的操作。
　　自动模式：设备的运行完全由各PLC根据污水厂的工况及工艺参数来完成对设备的启停控制，而不需要人工干予。
　　四、系统构成：如（图五）
　　通过前面的描述，部分设备的控制还是比较复杂的，为达到以上的设备自动控制要求，该工程基本构成如下：
　　下位机：选用了西门子400和300系列PLC来做系统
　　上位机：选用了北京华富Control2000软件
　　中间协议：采用Simatic TOP Server，衔接上、下位机，进行数据交换

（图五）

　　整个厂区共有2个PLC站及一个远程I/O站，硬件采用西门子400和300系列模块，分别用光纤及光纤交换机，采用星型连接方式构成以太网络连接至中控室，在PLC1站，CPU、电源模块及以太网模块采用400系列，就地I/O站ET200及I/O模块采用300系列模块构成；在PLC2站，同样CPU、电源模块及以太网模块采用400系列，就地I/O站、远程I/O站ET200及I/O模块采用300系列模块构成，两个站分别装有现场触摸屏终端。下位机编程软件采用Siemens的STEP7 V5.12来完成，根据控制要求开发程序，完全可以实现前面描述的控制要求。PLC1站处于配电房，有自己的就地I/O站和现场触摸屏控制终端；PLC2站处于回流泵井，有自己的就地I/O站和现场触摸屏控制终端，PLC2站的远程站处于进水提升泵房。


　　PLC系统模块主要配置如下表：

　　上位机有两套操作终端，共同反映现场情况，操作互不干扰，一套故障，另一套依然可以完成全部监控操作功能。监控软件采用华富Control2000来开发监控画面，根据工艺绘制流程图，显示所有相关测控仪表的实时值；建立全厂的中心监控系统平台，使操作员能随时监视全厂运行状态，并对设备操作发出控制指令；建立历史数据查询系统和重要数据保存系统，并能对日报表、月报表、年报表进行打印；建立全厂设备的安全报警系统；
　　上位机部分监控画面如下图：

（ 图六：厂区工艺流程图）

（图七：设备控制盘）

（图八：开发调试阶段报表查询数据示例）

　　下位机采用西门子400和300单元 PLC，上位机用北京华富的Control2000，二者之间的标签连接及数据通讯必须有一个统一的协议驱动，本工程采用的是SIMATICA TOP SERVER来实现的，报表查询系统采用VB6.0来开发外挂程序实现报表的实时查询。
　　五、该工程自控系统的特点
　　1、技术先进：现代化的工厂要求与时俱进，该自动化控制系统无论是从使用的profibus-DP现场总线、通讯网络、可编程控制器、组态软件，还是从自动化控制技术来讲，都具有时代领先性。
　　2、稳定可靠：选用的自动化产品来自国外知名品牌，建立的自动化控制平台，经过严格的测试，可以保证系统稳定可靠地运行。
　　3、自动化程度高，使用简单：对于全厂的控制中心——中心控制室上位界面，采用全中文的设计界面，立体三维流程图形来表达工艺，便于操作员掌握；同时下位机PLC采用西门子的PLC，系统稳定性好，自动化程度高，整个系统维护量小。
　　4、开放性：该系统采用的现场总线是国际通用的具有开放协议的现场总线和接口，同时各控制站均留有I/O余量，以便于以后系统的改造和扩展。
　　5、安全性：该系统采用全面的设备保护体系，包括潜水泵的干运转保护、自控平台的防雷保护、进水水质异常保护、报警系统等，以防止因为某些意外或操作员的疏忽而发生事故。
　　六、应用总结
　　该城市污水处理系统建成后，PLC系统运行稳定，采集数据准确快捷，控制的重要设备运行安全，程序开发好后，其维护量几乎为零，同时个人感觉该PLC现场安装、与其它设备的接口等均方便好用，系统投运后，自动化程度高，工作人员维护量小，出水水质能达到国家规定的标准，该系统的建成投运无疑给长江流域、三峡库区的环保事业作出了贡献，希望在长江流域沿线有更多的采用自动化控制的污水处理厂。该污水处理厂高程度的自动化系统的应用将是一个很好的榜样。