火力發(fā)電廠污水處理監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

摘    要：本文采用Siemens公司S7－300型PLC和相應(yīng)的I/O控制模塊、MicroMaster變頻器、SIPAN 32液體分析儀和標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)組態(tài)軟件WinCC等組建了一套分布式污水處理監(jiān)控系統(tǒng)，并采用Profibus－DP作為現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。
關(guān)鍵詞： PLC；分布式控制系統(tǒng)；Profibus

本設(shè)計(jì)根據(jù)一熱電廠的特點(diǎn)及污染物的監(jiān)測(cè)結(jié)果，采用了Siemens公司的模塊化、小型PLC系統(tǒng)S7-300以及相應(yīng)的I/O模塊、MicroMaster通用變頻器和專用于污水分析的SIPAN 32液體分析儀，組建了一套污水排放處理與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該污水處理系統(tǒng)采用現(xiàn)代控制技術(shù)和科學(xué)的污水處理方法，可隨時(shí)調(diào)整設(shè)備及工藝過(guò)程參數(shù)。

污水處理工藝
污水處理主要利用生物化學(xué)的方法并采用氧化溝工藝完成，由預(yù)處理系統(tǒng)、物化處理系統(tǒng)、生化處理系統(tǒng)和污泥處理系統(tǒng)等四個(gè)分系統(tǒng)構(gòu)成。其工藝流程見(jiàn)圖1所示。
圖1中設(shè)備均有現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)和自動(dòng)工作方式供選擇。當(dāng)選擇自動(dòng)工作方式時(shí),其所有動(dòng)作均由PLC完成，且上位機(jī)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)控制。

污水處理監(jiān)控系統(tǒng)組成
污水處理采用分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理方式，各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制單元可以獨(dú)立運(yùn)行，并將采集到的液位、pH值、流量、各種運(yùn)行狀態(tài)量以及電機(jī)、泵的運(yùn)行健康狀態(tài)等信息通過(guò)ProfiBus總線上傳到中控室，以備工作人員監(jiān)視。調(diào)試中控室的操作人員也可通過(guò)ProfiBus將必要的控制參數(shù)下傳到各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制單元，以調(diào)整控制和工藝參數(shù)。同時(shí)，為備現(xiàn)場(chǎng)操作，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元均有手動(dòng)/自動(dòng)按鈕，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)控操作，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、安全性以及運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。另外，為便于與整個(gè)熱電廠的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)管控一體化，污水監(jiān)控系統(tǒng)還通過(guò)Ethernet經(jīng)廠數(shù)據(jù)交換機(jī)與熱電廠整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)。
污水處理監(jiān)控系統(tǒng)將ProfiBus－DP現(xiàn)場(chǎng)總線作為現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，采用單主站/多從站方式。包括現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化單元、集控單元和現(xiàn)場(chǎng)總線通訊三個(gè)部分，配置圖如圖2所示。
現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化單元的組成
一般地，污水處理系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化單元安裝在比較潮濕的環(huán)境中，通過(guò)采用溫控除濕和柜子頂部通風(fēng)等措施以防潮。其核心采用Siemens的高可靠性可編程控制器S7-300。該可編程控制器采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，配有CPU模塊、開(kāi)關(guān)量輸入DI模塊、開(kāi)關(guān)量輸出DO模塊、模擬量AI模塊和通訊模塊，并采用STEP7 5.1軟件對(duì)PLC各個(gè)模塊的參數(shù)進(jìn)行組態(tài)。液位信號(hào)的檢測(cè)采用硬件冗余措施，即傳感器模擬采樣和水位接點(diǎn)檢測(cè)同時(shí)進(jìn)行，以保證檢測(cè)的可靠性。
單元的設(shè)置
粗細(xì)格柵程控系統(tǒng)
粗細(xì)格柵均采用液位差控制，在粗細(xì)格柵前后裝有超聲波液位探頭，由變送器將0~10V的液位差信號(hào)送到PLC模擬量輸入模塊，當(dāng)液位差超過(guò)設(shè)定值時(shí)，PLC強(qiáng)制啟動(dòng)格柵進(jìn)行清渣，否則按預(yù)定周期清渣。為保證控制可靠運(yùn)行，需定期對(duì)超聲波液位計(jì)進(jìn)行維護(hù)和校正。格柵程控系統(tǒng)根據(jù)格柵前后的水位差，自動(dòng)控制柵耙，按預(yù)定周期運(yùn)行，以保證格柵正常工作，格柵調(diào)節(jié)有現(xiàn)場(chǎng)控制(手動(dòng))和遠(yuǎn)程控制(自動(dòng))兩種模式。
水泵程控系統(tǒng)
水泵程控系統(tǒng)按水泵池的液位經(jīng)過(guò)MicroMaster通用變頻器，并采用數(shù)字增量式PID方式控制水泵的轉(zhuǎn)數(shù)和流量。每臺(tái)泵房均有主運(yùn)行泵、備用泵，以備不測(cè)。對(duì)每個(gè)泵的控制，同樣有現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程控制兩種模式。
氧化溝空氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)
氧化溝是污水進(jìn)行生化反應(yīng)的場(chǎng)所，主要通過(guò)轉(zhuǎn)刷控制污水的曝氣時(shí)間。每條氧化溝設(shè)有8臺(tái)轉(zhuǎn)刷，并在出水堰口設(shè)有溶解氧儀、氧化還原電位計(jì)和污泥濃度計(jì)、SIPAN 32液體分析儀。溶解氧儀和氧化還原電位計(jì)輸入信號(hào)連接在PLC不同的輸入模塊上，以免由于模塊損壞造成控制失調(diào)。曝氣空氣量的調(diào)整，采用控制鼓風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉片的方式，即通過(guò)改變鼓風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉片的角度來(lái)改變空氣量，從而保證溶解氧的需求量。
回流污泥量調(diào)節(jié)系統(tǒng)
回流污泥量的調(diào)節(jié)是為了將氧化溝中的懸浮污泥濃度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，其調(diào)節(jié)采用數(shù)字式增量PID控制方式，按進(jìn)入氧化溝的水量控制回流污泥泵的開(kāi)啟臺(tái)數(shù)和回流污泥管道上閥門(mén)的角度，以保證回流污泥管道上閥門(mén)的合適比例，所有泵的調(diào)節(jié)均由變頻器控制。
泥溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)
其任務(wù)是為了控制污泥溝中的泥溫在允許范圍內(nèi)，以保證其在35℃內(nèi)充分發(fā)酵。泥溫調(diào)節(jié)采用熱平衡控制方式，即改變換熱器的熱水溫度或流量來(lái)改變換熱量，以實(shí)現(xiàn)污泥溫度的調(diào)節(jié)。對(duì)每個(gè)泵的控制，也都有現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程控制兩種模式。 
清化調(diào)節(jié)系統(tǒng)
清化調(diào)節(jié)系統(tǒng)由沼氣攪拌程控系統(tǒng)、消化池配泥程控系統(tǒng)、濾池程控系統(tǒng)等組成，主要完成水質(zhì)的清化過(guò)程，滿足環(huán)保要求。
若以上各現(xiàn)場(chǎng)控制單元PLC任何一臺(tái)出現(xiàn)故障，現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警信號(hào)立即通過(guò)網(wǎng)絡(luò)反饋到中控監(jiān)視室，并在監(jiān)視屏上顯示故障位置，同時(shí)聲光報(bào)警，操作人員便可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行操作，排除故障或自動(dòng)啟動(dòng)備用泵。
上位中控監(jiān)視計(jì)算機(jī)
由于單純的PLC無(wú)法實(shí)現(xiàn)工藝的最佳控制，如確定轉(zhuǎn)刷運(yùn)行方式和加藥量的控制等，必須有上位機(jī)參與控制。上位機(jī)在本系統(tǒng)中不再單純地以信息采集為主要功能，污水處理廠在運(yùn)行穩(wěn)定后，它可運(yùn)用歷史數(shù)據(jù)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及先進(jìn)的控制手段進(jìn)一步提高處理的自動(dòng)化水平，以達(dá)到降低能耗的最佳控制，并可實(shí)現(xiàn)企業(yè)的管控一體化。
中控監(jiān)視計(jì)算機(jī)采用工業(yè)計(jì)算機(jī)，并用大型電子投影儀作為電子屏。本工控機(jī)采用PCA6181/1GHz CPU和256M內(nèi)存。為滿足數(shù)據(jù)備份的需要，集控站配有雙硬盤(pán)，容量均為40G，人體工程鍵盤(pán)以及3D鼠標(biāo)給用戶提供了友好的人機(jī)信息交互界面。
現(xiàn)場(chǎng)總線
現(xiàn)場(chǎng)總線采用Profibus-DP，其物理層采用EIA-RS-485協(xié)議，通信板卡采用CP5611用于Profi bus-DP的主站和從站之間通訊。CP5611的傳輸速率從9.6k bit/s 到12M bit/s，每個(gè)字符為11個(gè)位。在CP5611通信軟卡安裝時(shí)，與Softnet-DP (Softnet-DP V5.3)軟件配套使用；應(yīng)用于從站時(shí)，必須與Softnet-DP Slave軟件包配套使用。

監(jiān)視軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)采用Windows 2000 Professional為操作系統(tǒng)，并采用WinCC組態(tài)軟件。該工控組態(tài)軟件是一個(gè)集成的HMI系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)，其特性之一是全面開(kāi)放。各系統(tǒng)集成商可用WinCC作為其系統(tǒng)擴(kuò)展的基礎(chǔ)，通過(guò)開(kāi)放接口開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用軟件。本系統(tǒng)將WinCC與STEP7配合使用。因?yàn)樵赟TEP7中定義的變量可以在WinCC中直接使用，從而節(jié)省了工程開(kāi)發(fā)時(shí)間。另外，WinCC中的Ｃ語(yǔ)言腳本及提供的與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的接口更增加了其應(yīng)用功能，可滿足用戶的復(fù)雜要求。

結(jié)語(yǔ)
本系統(tǒng)通過(guò)可編程控制器與變頻調(diào)速技術(shù)在污水處理系統(tǒng)中的配合使用，提高了整個(gè)污水處理系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。同時(shí)，由于PLC模塊化的特性，軟件采用WinCC，若處理規(guī)模加大，只需增加相應(yīng)的功能模塊，增加適當(dāng)?shù)能浖δ芫涂稍谳^小的投入下很方便地實(shí)現(xiàn)規(guī)模擴(kuò)展。該控制系統(tǒng)通用性好，擴(kuò)展性強(qiáng)，對(duì)于我國(guó)中小型熱電廠污水處理的自動(dòng)化建設(shè)具有一定的推廣價(jià)值。■

參考文獻(xiàn)
1 鐵道部標(biāo)準(zhǔn)處.污水處理技術(shù)與應(yīng)用.北京. 中國(guó)鐵道出版社，1987.2
2 于海生等.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù).北京：清華大學(xué)出版社，1999.6

作者簡(jiǎn)介：
王緒軍，高級(jí)工程師，主要從事生產(chǎn)過(guò)程計(jì)算機(jī)控制、現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用等方面的研究工作。