1 引言
紀莊子污水處理廠(chǎng)位于天津市河西區衛津河以西、津港運河以北、紀莊子排污河以南的區域，占地面積30公頃。紀莊子污水處理廠(chǎng)的污水處理工藝采用多級AO處理工藝。紀莊子污水處理廠(chǎng)升級改造工程是天津市污水處理工程項目之一，主要內容包括污水處理廠(chǎng)的工藝設備、電氣設備和自控儀表設備等的升級改造。紀莊子污水處理廠(chǎng)服務(wù)于天津市紀莊子排水系統，升級改造工程的設計處理能力為45萬(wàn)噸/日。
紀莊子污水處理廠(chǎng)升級改造工程的工作內容包括改造老系統曝氣沉淀池、改造老系統初次沉淀池集配水井、改造老系統初次沉淀池、改造老系統初次沉淀池為厭氧池、改造老系統生物池、改造老系統污泥泵房、新建老系統接觸池、改造老系統加氯間、改造擴建系統初次沉淀池為厭氧池、改造擴建系統生物池、新建擴建系統接觸池、改造擴建系統污泥泵房、新建加藥及碳源投加間、新增除臭系統。污水和污泥的處理工藝流程如圖1所示。
2 污水處理自控系統的總體設計
2.1 系統總體設計
為了保證生產(chǎn)過(guò)程的安全可靠性和生產(chǎn)連續性，兩個(gè)增補站繼續使用歐姆龍CS1系列PLC，兩個(gè)新增站采用基于和利時(shí)LK系列PLC的集中和分散相結合的自動(dòng)化控制系統，實(shí)現對全廠(chǎng)工藝參數、電氣參數和設備運行狀態(tài)的監測、控制、連鎖、報警以及報表打印等。通過(guò)主站和遠程站間的通訊，完成整個(gè)工藝流程所必需的數據采集、數據通訊、順序控制、時(shí)間控制、回路調節、上位監視和管理等功能。不僅滿(mǎn)足了工藝流程的要求，而且還能實(shí)現安全生產(chǎn)，提高生產(chǎn)管理水平。整個(gè)系統由1個(gè)中央控制室和4個(gè)現場(chǎng)控制站組成?，F場(chǎng)控制站由PLC系統和檢測儀表組成，對各個(gè)工藝過(guò)程進(jìn)行分散控制，再由中央控制室對全廠(chǎng)實(shí)行集中管理。
2.2 系統網(wǎng)絡(luò )結構
本系統的網(wǎng)絡(luò )通訊結構具有簡(jiǎn)明、高效﹑開(kāi)放的特點(diǎn)，將以前的五層通訊結構簡(jiǎn)化為管理層﹑控制層和設備層等具有優(yōu)異通信功能的三層網(wǎng)絡(luò )，如圖2所示。管理層采用Ethernet網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現PLC與上位機之間、PLC與第三方設備之間的數據通信?？刂茖硬捎肞rofibus-DP網(wǎng)絡(luò )，負責各個(gè)控制器與IO模塊的通訊。
設備層可以采用串行總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、Ethernet網(wǎng)絡(luò )或Profibus-DP網(wǎng)絡(luò )等多種。
設備層網(wǎng)絡(luò )用于實(shí)現開(kāi)關(guān)﹑儀表和人機界面等現場(chǎng)設備與PLC之間的通信。
就地控制具有最高的控制權限。當自控系統由于一些不可抗力導致無(wú)法正常運行時(shí)，可以通過(guò)就地控制保證污水處理過(guò)程的連續性。將現場(chǎng)控制箱上的“就地/遠程”旋鈕切換至“就地”位置，通過(guò)箱上的“啟動(dòng)/停止”按鈕實(shí)現就地手動(dòng)控制。
2.3 系統結構與配置
根據污水處理工藝的控制要求，污水處理工程自動(dòng)化控制系統分為三級管理，包括生產(chǎn)管理級（中央控制室）、現場(chǎng)控制級（PLC控制站）和就地控制級?，F場(chǎng)各種數據通過(guò)PLC系統進(jìn)行數據采集，并通過(guò)主干通訊網(wǎng)絡(luò )傳送到中央控制室的監控計算機，實(shí)現集中監控和管理。中央控制室和PLC控制站之間的數據通訊采用高速實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò )結構為環(huán)形，傳輸介質(zhì)為光纖，通訊速率為100Mbps。同樣，中央控制室監控計算機的控制命令也通過(guò)上述網(wǎng)絡(luò )傳送到PLC，實(shí)施對各單元的分散控制。污水廠(chǎng)自動(dòng)化控制系統拓撲結構與功能配置如圖3所示。
3 污水處理自控系統的結構與配置
3.1 生產(chǎn)管理級（中央控制室）
中央控制室設有兩臺監控操作站、一臺工程師站、兩臺數據服務(wù)器、一臺視頻監視服務(wù)器、一套DLP拼接屏、一臺故障打印機、一臺圖表打印機、UPS電源、一臺網(wǎng)絡(luò )機柜。中央控制室主要完成對生產(chǎn)過(guò)程的管理、調度、集中操作、監視、系統功能組態(tài)、控制參數在線(xiàn)修改和設置、記錄、報表生成及打印、故障報警及打印，對實(shí)時(shí)采集的數據進(jìn)行處理，控制操作以及分析統計等功能。通過(guò)高分辨率液晶顯示器及DLP拼接屏可直觀(guān)地動(dòng)態(tài)顯示全廠(chǎng)各工藝流程段的實(shí)時(shí)工況、各工藝參數的趨勢畫(huà)面，使操作人員及時(shí)掌握全廠(chǎng)運行情況。同時(shí)，中央控制室還配置了專(zhuān)業(yè)的工業(yè)數據庫軟件King Historian，該項目需要進(jìn)行歷史數據存儲的變量點(diǎn)數達8000多點(diǎn)，同時(shí)對數據的存儲頻率要求很高，普通變量要求30秒鐘記錄一個(gè)數據，對于數據精度要求較高的變量，例如“瞬時(shí)流量”，要求10秒鐘記錄一次。所存儲的數據包括各監測點(diǎn)水質(zhì)數據、瞬時(shí)流量、累計流量，提升泵、閘門(mén)、污泥泵、刮泥機、攪拌機、鼓風(fēng)機等各設備電壓、電流、功率、耗電量，各設備啟停時(shí)間、啟停次數、累計運行時(shí)間、故障次數等。
3.2 現場(chǎng)控制級（PLC控制站或控制層）
控制層是實(shí)現系統自動(dòng)控制的關(guān)鍵，控制層的PLC通過(guò)程序控制整個(gè)污水處理廠(chǎng)設備按照工藝要求自動(dòng)運轉，并實(shí)現對現場(chǎng)設備運行狀態(tài)的采集，現場(chǎng)參數有壓力、流量、溫度、PH值等，采集到的數據上傳至管理層，并最終通過(guò)工業(yè)數據庫軟件King Historian進(jìn)行存儲。
按照工藝流程和構筑物分布特點(diǎn)，廠(chǎng)內現有4套不同規模的分控站（PLC1~4）。根據工程改造內容、工藝及控制對象的功能、設備量，以及工藝流程、平面布置、現有控制站布局，將更新現有分控站PLC2和PLC3，調改現有分控站PLC1和PLC4，各PLC分別負責各自范圍內工藝參數的采集和設備運行的控制。具體內容如表1所示：
4 污水處理自控系統的主要功能
基于LK冗余系統的污水處理自控系統具有很高的自動(dòng)化程度，系統功能完善，具有良好的操作和使用性能。
4.1 權限管理
操作員進(jìn)入系統使用密碼：系統提供分級的用戶(hù)進(jìn)入密碼系統，所以低級操作員只能進(jìn)入基本操作功能，同時(shí)較高級別的操作人員，按照不同的密碼，可進(jìn)入不同的系統組態(tài)功能。
提供12級的密碼：一旦操作員提供了正確的密碼，他可以修改他的密碼，而他的權限不能發(fā)生變化。
4.2 流程圖顯示
LCD畫(huà)面為操作員了解生產(chǎn)過(guò)程狀態(tài)提供了顯示窗口，并能支持以下幾類(lèi)畫(huà)面：
總貌畫(huà)面：顯示系統各設備，裝置，區域的運行狀態(tài)以及全部過(guò)程參數變量的狀態(tài)，測量值，設定值，控制方式（手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)），高低報警等信息，從各顯示塊可以調出其它畫(huà)面。
分組畫(huà)面：以模擬儀表的表盤(pán)形式按事先設定的分組，同時(shí)顯示幾個(gè)回路的信息，如過(guò)程參數變量的測量值，調節器的設定值，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(huà)面調出任一變量（模擬量或離散量）的詳細信息。
單點(diǎn)畫(huà)面（調整畫(huà)面）：顯示一個(gè)參數，控制點(diǎn)的全部信息以及實(shí)時(shí)趨勢和歷史趨勢，從調整畫(huà)面也可直接對模擬回路進(jìn)行設定，調整操作。
4.3 趨勢功能
操作員可通過(guò)菜單或按鈕進(jìn)入實(shí)時(shí)曲線(xiàn)畫(huà)面或歷史曲線(xiàn)畫(huà)面，可選擇需要的工藝參數查看實(shí)時(shí)曲線(xiàn)或歷史曲線(xiàn)，可同時(shí)顯示多條實(shí)時(shí)曲線(xiàn)，可對曲線(xiàn)進(jìn)行放大或縮小，可任意選擇需要查看的時(shí)間段。
根據采集到的信息，建立各類(lèi)信息數據庫并對各類(lèi)工藝參數值作出趨勢曲線(xiàn)（含歷史數據），供調度員分析比較，以便找出污水處理廠(chǎng)的最佳運行規律，分析事故原因，改進(jìn)管理方法，保證出水水質(zhì)，提高經(jīng)濟效益。
記錄生產(chǎn)所要求的所有參數的歷史數據，記錄時(shí)間不小于三年，并可根據要求任意設置。對重要的數據進(jìn)行在線(xiàn)存儲?？梢酝ㄟ^(guò)歷史報表或者歷史趨勢曲線(xiàn)的方式來(lái)檢索歷史數據。
4.4 報警功能
報警設有優(yōu)先級管理，任意管理均在屏幕上顯示，顯示所有報警列表及報警的詳細內容。監控計算機的顯示畫(huà)面的頂部或底部應設置一個(gè)報警條。在報警條內顯示最近三個(gè)報警未消失未被確認報警的詳細內容，操作員通過(guò)畫(huà)面切換選擇報警表，報警表內顯示中控操作站計算機中配置的所有報警列表及報警的詳細內容。報警的詳細內容包括：
報警的當前狀態(tài)；
每個(gè)“未消失”的報警發(fā)生時(shí)間；
每個(gè)“消失”的報警發(fā)生時(shí)間及“消失”的時(shí)間；
每個(gè)“已確認”的報警的確認時(shí)間和用戶(hù)；
當報警出現時(shí)，報警打印機立即打印報警信息。
4.5 操作記錄
系統發(fā)生的較大情況（如設備故障、越限報警、大型設備的啟停等情況）或操作人員對設備的操作、參數的調整，可通過(guò)事件記錄功能記錄下這些情況和操作過(guò)程作為今后分析事故的基礎資料。事件記錄的內容包括各種事件信息、事件發(fā)生時(shí)的用戶(hù)、事件發(fā)生的時(shí)間等。
4.6 報表打印
系統自動(dòng)記錄各種工藝運行數據，將所有數據歸納匯總形成報表，報表可定時(shí)打印或召喚打印，操作員也可通過(guò)菜單或按鈕進(jìn)入報表畫(huà)面查看歷史報表。
自動(dòng)生成的生產(chǎn)報表（班/日/月）供生產(chǎn)管理之用，機內存儲六個(gè)月的信息量。采用了DDE技術(shù)，從而使用戶(hù)能夠直接使用Excel編制報表，借助Excel的強大功能，用戶(hù)可以隨心所欲地編制各種各樣的報表。無(wú)論是實(shí)時(shí)數據的報表，還是歷史數據的報表均可以實(shí)現。
5 污水處理自控系統的應用特點(diǎn)
基于LK系列PLC的污水處理系統具有如下特點(diǎn)：
可用性和可靠性
系統組件的設計符合真正的工業(yè)等級，控制系統能在嚴格的工業(yè)環(huán)境下長(cháng)期、穩定地運行，盡可能降低控制系統故障風(fēng)險，保證能源收益，確保水處理廠(chǎng)7×24小時(shí)的不間斷供水服務(wù)。
LK冗余方案可確保工藝過(guò)程高度可靠地運行，如果主CPU模塊出現故障，系統將會(huì )自動(dòng)快速、穩定地無(wú)擾切換到備用CPU模塊，可以避免因為控制層出現問(wèn)題而導致的負面效應以及生產(chǎn)過(guò)程停頓。
PLC控制站一般設于高電磁干擾環(huán)境，如提升泵房、鼓風(fēng)機房、變配電所等，我們的控制系統具有較強的電磁兼容性，系統采用各種隔離、抗干擾設計，保證系統能在強電磁干擾環(huán)境中穩定運行。
PLC控制站與遠程IO站之間距離較遠，本系統PLC鼓風(fēng)機房控制站與4個(gè)生物池遠程IO站采用DP光纖網(wǎng)絡(luò )通訊，由于采用光纖通訊，大大提高了通訊的可靠性。LK的DP光纖通訊模塊可以實(shí)現PLC控制主站與遠程IO站的4級冗余通訊，每一級的通訊距離可以達到5KM，能夠充分滿(mǎn)足大型污水處理廠(chǎng)PLC控制主站與遠程IO站通訊距離遠的需求。
水處理環(huán)境可能因遭受污染并加速設備中電子元件的老化，我們可提供特殊的保護工藝（保護涂層）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，降低維護成本。
節能降耗方案
電能成本占水處理設施總運營(yíng)成本的1/3，主要耗電設備為水泵和風(fēng)機，我們可提供優(yōu)化的變頻控制方案，使被損耗的電能可以降低到額定值的50%到80%。
對于非變頻電機設備，如格柵、螺旋輸送器、攪拌器，我們可提供工藝優(yōu)化控制庫，如定時(shí)控制與設定參數相結合的控制，使這些設備在相應工藝條件下，發(fā)揮最大的效率，最大程度地降低電能的損耗。
在數據采集與監控層（SCADA），可以使用數據分析等工具來(lái)創(chuàng )建報告，并分析過(guò)程數據，從而對過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，最終降低電能消耗。
開(kāi)放性和兼容性
基于標準協(xié)議的通訊網(wǎng)絡(luò )可非常方便地將第三方設備接入，如污泥脫水機、加氯加藥系統、變配電系統，可以顯著(zhù)提高針對復雜工藝過(guò)程的控制能力，且允許大量過(guò)程反饋信息傳輸，支持設備參數訪(fǎng)問(wèn)功能，可提高系統的性能與診斷能力。
支持與各種上位監控軟件（如iFIX、INTOUCH、組態(tài)王、MCGS、力控等），以及主流品牌觸摸屏（如Pro-Face、HITECH、eView、Weinview、nTouch）通訊，只要HMI支持標準的通訊協(xié)議，都可以很方便的進(jìn)行連接。
強大的擴展功能可為遠期擴容、升級改造預留接口及容量。
過(guò)程診斷和在線(xiàn)維護
提供的強大診斷功能，能夠方便、高效訪(fǎng)問(wèn)相關(guān)信息，發(fā)現導致故障的根本原因以及需要修正的過(guò)程參數等，以便提前發(fā)現生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題，可以避免設備意外停機，從而降低運營(yíng)成本。
所有模塊支持帶電插拔，可以在系統運行狀態(tài)下更換故障模塊，不會(huì )因為單個(gè)模塊的更換而使整個(gè)系統停機等待，大大降低了系統的維護成本。
防混銷(xiāo)設計防止插錯模塊引起不必要的損壞，確保系統順利運行，且更換模塊時(shí)只需直接更換模塊，無(wú)需重新接線(xiàn)，維護更方便。
支持SD卡功能，在不方便使用計算機的情況下，可進(jìn)行系統恢復、升級，使維護更加方便、快捷。
操作站安裝上位監控組態(tài)軟件及LK編程軟件PowerPro V4，具有強大的功能，可方便、直觀(guān)地進(jìn)行上位機組態(tài)和PLC編程，且支持在線(xiàn)下載、在線(xiàn)修改以及離線(xiàn)仿真調試等功能。
6 結束語(yǔ)
本文論述了基于LK系列PLC的污水處理廠(chǎng)自動(dòng)控制系統的設計與實(shí)現，充分發(fā)揮了LK可編程控制器配置靈活、控制可靠、開(kāi)放性強和在線(xiàn)維護方便等優(yōu)點(diǎn)，為整個(gè)系統的安全穩定運行提供了可靠保障?；贚K的自動(dòng)控制系統已在多個(gè)污水處理廠(chǎng)得到實(shí)際應用，為企業(yè)帶來(lái)了可觀(guān)的經(jīng)濟效益和良好的社會(huì )效益。
參考文獻
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