PLC在污水深度處理控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言

大連開發(fā)區(qū)污水處理一廠于1988年建廠。污水廠分兩期實(shí)施建成，總設(shè)計(jì)規(guī)模8萬m3/d。一期工程設(shè)計(jì)規(guī)模3.5萬m3/d，二期工程設(shè)計(jì)規(guī)模4.5萬m3/d。一期工程設(shè)計(jì)出水達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。二期工程為升級(jí)改造工程，出水執(zhí)行的排放標(biāo)準(zhǔn)將由原二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)提高到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，其主要控制指標(biāo)可達(dá)到“再生水用作工業(yè)用水水源的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)”以及“景觀環(huán)境用水的再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)”的觀賞性景觀環(huán)境用水中的河道類標(biāo)準(zhǔn)。該污水處理廠升級(jí)改造控制系統(tǒng)的全套硬件設(shè)備及軟件由和利時(shí)公司提供，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作由大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司完成。

2 污水深度處理的工藝升級(jí)改造方案

大連開發(fā)區(qū)污水處理一廠的工藝升級(jí)改造方案由五部分組成：一級(jí)處理系統(tǒng)、二級(jí)處理系統(tǒng)、深度處理系統(tǒng)、污泥處理系統(tǒng)及除臭系統(tǒng)。一級(jí)處理系統(tǒng)包括總進(jìn)水閘門、粗格柵、進(jìn)水提升泵池、細(xì)格柵及曝氣沉砂池。

二級(jí)處理系統(tǒng)采用改良A2/O生物除磷脫氮處理工藝，并且不設(shè)置初沉池，以便提高生物池進(jìn)水中的碳源。生物反應(yīng)池采用預(yù)缺氧池、厭氧池、缺氧池、好氧池，進(jìn)水按一定的比例分別進(jìn)入到厭氧池和缺氧池中，這樣即使在進(jìn)水C/N比較低（2.3～3.0）的條件下，仍不需要外加的碳源就能達(dá)到脫氮的效果。在好氧池中填充采用特殊結(jié)構(gòu)的纖毛狀生物膜填料，使附著微生物濃度高，這樣能同時(shí)利用附著在纖毛狀生物膜填料上的固定相微生物和浮游流動(dòng)相微生物，在較短的停留時(shí)間（HRT=5～7hr）內(nèi)去除有機(jī)物、氮和磷。纖毛狀生物膜填料呈直毛狀形態(tài)，微生物的附著和脫落達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，不產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，固定世代繁殖時(shí)間長的硝化菌，提高硝化反應(yīng)速度。附著微生物中吞噬污泥的原生動(dòng)物（vorticella、aspidisca等）和后生動(dòng)物（rotaria、collurella等）共存，從而減少污泥量。這樣即使在冬季10℃以下的進(jìn)水溫度下，由于附著微生物的水膜現(xiàn)象，仍能有效地同步去除氮和磷。

深度處理系統(tǒng)采用渦旋混凝沉淀+轉(zhuǎn)盤過濾池處理工藝。處理后出水消毒，采用紫外消毒工藝。

污泥處理系統(tǒng)采用離心濃縮脫水一體機(jī)對(duì)污泥濃縮脫水后，外運(yùn)填埋。

除臭系統(tǒng)由兩座土壤脫臭床組成，分別為粗格柵、進(jìn)水提升泵池、細(xì)格柵間及污泥脫水間服務(wù)。同時(shí)設(shè)置異味除臭機(jī)，作為輔助除臭設(shè)施。

3 污水深度處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

基于LK系列PLC在污水處理廠升級(jí)改造污水深度處理控制系統(tǒng)中應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則。

（1）可用性和可靠性

系統(tǒng)組件的設(shè)計(jì)符合真正的工業(yè)等級(jí)，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(yùn)行，盡可能降低控制系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)，保證能源收益，確保水處理廠7×24小時(shí)的不間斷供水服務(wù)。

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(jì)，保證系統(tǒng)能在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)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。

（2）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、nTou。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(jí)改造預(yù)留接口及容量。

（3）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(yùn)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。

4 污水深度處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1概述

污水處理廠升級(jí)改造控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于現(xiàn)代先進(jìn)控制思想，采用分散控制、集中監(jiān)測(cè)管理的控制方式，以和利時(shí)公司LK系列PLC為核心的控制系統(tǒng)?；贚K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。

LK系列PLC是和利時(shí)公司在總結(jié)十多年控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和幾千個(gè)工程項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上推出的適用于中、高性能控制領(lǐng)域的產(chǎn)品，CPU模塊集成工業(yè)級(jí)處理器（主頻可達(dá)533MHz），指令處理速度可達(dá)13ns。相對(duì)傳統(tǒng)PLC而言，LK可編程控制器充分融合了DCS和PLC的優(yōu)點(diǎn)，采用了高性能的模擬量處理技術(shù)、小型化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、通用的系統(tǒng)平臺(tái)、使產(chǎn)品不僅具有強(qiáng)大的功能和卓越的性能，而且具有更高的可靠性、更佳的開放性和易用性。

4.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，系統(tǒng)由1個(gè)中央控制室和6個(gè)現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站組成?，F(xiàn)場(chǎng)PLC控制站，由PLC系統(tǒng)及檢測(cè)儀表組成，對(duì)各工藝過程進(jìn)行分散控制；再由中央控制室，對(duì)全廠實(shí)行集中管理。中央控制室、PLC控制站之間的數(shù)據(jù)通訊采用高速的、實(shí)時(shí)的工業(yè)以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為星形，通訊速率為100Mbps，傳輸介質(zhì)為光纖。

6個(gè)現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站分配如表1所示。

整個(gè)系統(tǒng)采用二級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即生產(chǎn)管理網(wǎng)和生產(chǎn)控制網(wǎng)，將過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、運(yùn)行操作監(jiān)視數(shù)據(jù)信息同非實(shí)時(shí)信息及共享資源信息分開，分別使用不同的網(wǎng)絡(luò)。有效地提高了通訊的效率，降低了通訊負(fù)荷。生產(chǎn)管理網(wǎng)采用工業(yè)以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為星形，傳輸介質(zhì)為光纖。生產(chǎn)控制網(wǎng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線形式，采用PROFIBUS國際通用的開放式現(xiàn)場(chǎng)總線，傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線。

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

PLC控制站主要監(jiān)控參數(shù)有：溫度、壓力、流量、液位、pH值、ORP（氧化還原）、DO（溶解氧）、COD（化學(xué)需氧量）、MLSS（污泥濃度）、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及設(shè)備運(yùn)行控制等。

4.3系統(tǒng)功能及軟件實(shí)現(xiàn)

和利時(shí)公司的上位監(jiān)控組態(tài)軟件HollyView6.53及LK編程軟件PowerPro V4提供了強(qiáng)大的軟件編程及系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。

（1）權(quán)限管理

操作員進(jìn)入系統(tǒng)使用密碼：系統(tǒng)提供分級(jí)的用戶進(jìn)入密碼系統(tǒng)，所以低級(jí)操作員只能進(jìn)入基本操作功能，同時(shí)較高級(jí)別的操作人員，按照不同的密碼，可進(jìn)入不同的系統(tǒng)組態(tài)功能。

提供12級(jí)的密碼：一旦操作員提供了正確的密碼，他可以修改他的密碼，而他的權(quán)限不能發(fā)生變化。

（2）流程圖

LCD畫面為操作員了解生產(chǎn)過程狀態(tài)提供了顯示窗口，并能支持以下幾類畫面：

總貌畫面：顯示系統(tǒng)各設(shè)備，裝置，區(qū)域的運(yùn)行狀態(tài)以及全部過程參數(shù)變量的狀態(tài)，測(cè)量值、設(shè)定值、控制方式（手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)）、高低報(bào)警等信息，從各顯示塊可以調(diào)出其它畫面。

分組畫面：以模擬儀表的表盤形式按事先設(shè)定的分組，同時(shí)顯示幾個(gè)回路的信息，如過程參數(shù)變量的測(cè)量值，調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，輸出值控制方式等。變量每秒更新一次，分組可任意進(jìn)行，操作員可從分組畫面調(diào)出任一變量（模擬量或離散量）的詳細(xì)信息。

單點(diǎn)畫面（調(diào)整畫面）：顯示一個(gè)參數(shù)，控制點(diǎn)的全部信息以及實(shí)時(shí)趨勢(shì)和歷史趨勢(shì)，從調(diào)整畫面也可直接對(duì)模擬回路進(jìn)行設(shè)定，調(diào)整操作。