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案例頻道 （北京和利時自動化驅動技術有限公司，北京 100176） 胡漢青，于進
胡漢青 男，北京和利時自動化驅動技術有限公司項目銷售部總經理，多年來一直致力于市政行業自動化系統的應用，曾擔任和利時公司水務總監。
摘要：根據污水處理廠工藝要求，文章提供了一種降低成本、節省空間、更優化的控制方案，介紹了控制系統組成和軟件設計思路。
關鍵詞：LK PLC；污水處理廠自控系統
1 引言
二十一世紀被稱為“水的世紀”，水資源的日趨匱乏已成為影響各國經濟發展和社會安定的戰略性問題。水資源的短缺，已經把污水處理行業的發展提升到了前所未有的高度，推動著污水處理產業的進一步發展與市場化。
永安污水處理廠是咸寧市城區繼溫泉污水處理廠后的第二個BOT項目。由業內知名企業天津創業環保股份有限公司投資8000萬元建設，并獲得該廠30年特許經營權。永安污水處理廠位于咸安區向陽湖鎮，占地144畝。一期工程建設規模為6萬噸/日，二期建成后總規模將達到12萬噸/日。建成投入運營后，咸寧市污水集中處理量將由3萬噸/日提高到9萬噸/日，污水處理工藝為改良型氧化溝，廠內主要構筑物包括粗格柵間、進水泵房、細格柵間、旋流沉沙池、改良型氧化溝、配水排泥井及污泥泵房、二次沉淀池、接觸消毒池、出水泵房和污泥濃縮及脫水車間。
2 控制系統設計
2.1 概述
污水處理廠的控制系統設計基于現代先進控制思想，采用分散控制、集中監測管理的控制方式，以和利時公司LK系列可編程控制器（PLC）為核心的控制系統。LK自動化控制系統應用于污水處理廠，完全能滿足污水處理工藝的要求，提供了一種高可靠性、低成本、更優化的控制方案。
LK是和利時公司在總結十多年控制系統設計和幾千個工程項目實施經驗基礎上推出的適用于中、高性能控制領域的產品，CPU模塊集成工業級處理器（主頻可達533MHz），指令處理速度可達13ns。相對傳統PLC而言，LK可編程控制器充分融合了DCS和PLC的優點，采用了高性能的模擬量處理技術、小型化的結構設計、開放的工業標準、通用的系統平臺，使產品不僅具有強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。
2.2 系統結構
圖1 系統結構圖
整個系統由1個中央控制室、3個現場P LC控制站組成?，F場PLC控制站，由PLC系統及檢測儀表組成，對污水處理廠各工藝過程進行分散控制；再由中央控制室（CCR）對全廠實行集中管理。中央控制室、PLC控制站之間的數據通訊采用高速的、實時的工業以太網，網絡結構為環形，通訊速率為100Mbps，傳輸介質為光纖。中央控制站設于綜合樓中控室；現場控制站設3個，分別位于進水泵房（1＃PLC控制站）、氧化溝（2＃PLC控制站）、出水泵房（3＃PLC控制站），均采用和利時公司LK系列PLC。
整個系統采用二級網絡結構，即生產管理網和生產控制網，將過程實時數據、運行操作監視數據信息同非實時信息及共享資源信息分開，分別使用不同的網絡。有效地提高了通訊的效率，降低了通訊負荷。生產管理網采用工業以太網，網絡結構為環形，傳輸介質為光纖。生產控制網采用現場總線形式，采用PROFIBUS國際通用的開放式現場總線，傳輸介質為屏蔽雙絞線。
污水處理廠自動化控制系統設計為三種控制方式，三種方式的級別由高到低依次為就地手動、遠程手動、遠程自動。
2.3 工藝控制策略
☆ 粗格柵控制
粗格柵間設有粗格柵2臺及皮帶輸送機1臺、液位差計兩套、電動閘門4套。
中央控制室可以對粗格柵實現遠程監視與遠程控制，開、關控制信號由上位機給出，監視信號包括運行、故障和自動狀態。
對于粗格柵的控制方法包括：1）時間間隔控制；2）根據粗格柵前后液位差計的測量值，當液位差大于設定值（200mm）時，格柵開始運行，直到液位差恢復為正常設定值時，粗格柵停止運行；3）兩種自動控制方式中，以液位差控制優先；4）同時要求粗格柵與進水泵的開停實現聯鎖控制，即當進水泵由全停狀態進入開啟狀態（任意一臺水泵開啟）后，開始執行時間間隔控制，而當進水泵由開啟狀態（任意一臺水泵開啟或幾臺水泵同時開啟）進入全部停止狀態時，粗格柵退出時間間隔控制，進入待機狀態。5）時間及液位控制參數可在上位機設定。6）可以對粗格柵的運行臺時累計。7）粗格柵與皮帶輸送機聯鎖控制，啟動時先啟動皮帶輸送機，再啟動格柵機；停止時先停止格柵機，再停止皮帶輸送機。格柵前后的電動閘門可實現遠程監視與遠程控制，開、關控制信號由上位機給出，監視信號包括：故障、開到位、關到位和自動狀態。
☆ 進水泵房
進水泵房設有進水泵3臺、超聲波液位計1套和電動閥門一套。
中央控制室可以對進水泵實現遠程監視與遠程控制，控制信號由上位機給出，監視信號包括：運行、停止、故障（包括溫度報警、濕度報警、泄漏報警等）和急停。水泵可以手動也可由PLC1自動控制。在自動控制狀態下，以液位計測量值控制水泵開停，液位設定值可在上位機設定?？梢愿鶕颗_進水泵的累計運行時間，自動輪換運行水泵，并避免同一水泵在短時間內頻繁開停。可以使用液位開關為進水泵設置干運轉保護?？梢栽谥锌厥以O置高低水位的聲光報警。電動閘門的控制和粗格柵間電動閘門控制相同。
☆ 細格柵間及旋流沉砂池
細格柵間設有細格柵系統（含無軸螺旋輸送機）和1臺pH計，細格柵控制同粗格柵控制相同。旋流沉砂池控制系統由廠家提供，只對其運行狀態給予監視，不實行遠控，就地可控制。監視信號包括：綜合運行、綜合故障和急停。旋流沉砂池系統與進水泵的開?？梢詫崿F聯鎖控制，即當進水泵由全停狀態進入開啟狀態（任意一臺水泵開啟）后，開啟旋流沉砂池系統，而當進水泵由開啟狀態（任意一臺水泵開啟或幾臺水泵同時開啟）進入全部停止狀態時，旋流沉砂池系統退出運行狀態，進入待機狀態。
可以實現對旋流沉砂池系統的運行臺時進行累計。超越管處安裝有電動閘門，控制要求和進水泵房電動閘門相同?？偱潆娛遗粤髁坑嬀惭b有一臺進水流量計。
☆ 改良型氧化溝
改良型氧化溝設有轉碟曝氣機7套、溶解氧儀2套、攪拌器10套、電動閘門2套和電動閥門4套。溶解氧儀分別安裝在氧化溝缺氧區和出水位置處。用于監測各溝道的溶解氧濃度，并控制轉碟的開停，可以設置溶解氧濃度高、低報警。中央控制室可以對轉碟曝氣機實現遠程監視與遠程控制，控制信號由上位機給出，監視信號包括運行、故障、急停和自動控制。各溝道內轉碟最少要有對稱的兩組轉碟運行以維持各溝道內的水流，且這兩組轉碟是輪流交替運行的。轉碟包括兩種控制方案：
轉碟控制方案一：
以生物池溶氧值作為控制參數，溶氧值設定點應由工藝提出，通常情況缺氧區、好氧區溶氧值分別設定為0.5mg/L、2mg/L左右。
測定的溶氧值為上位機對溶氧儀在一段時間（1小時）內連續監測的結果求取的平均值。上位機設定每小時求取一次平均值，并與設定的溶氧值進行比較，當測定的溶氧值低于設定值時應增加轉碟的運行臺數（對稱轉碟）；當測定的溶氧值高于設定值時應減少轉碟的運行臺數（對稱轉碟）。溶解氧的控制滯后時間一般為20min～30min，控制的非穩定性狀態時常出現，采用離散的步進調節方法可避免轉碟的頻繁起動。轉碟起動次數不大于4次/小時。
轉碟控制方案二：
根據工藝要求使用時間間隔控制曝氣轉碟。
同時系統可以對轉碟曝氣機的運行臺時進行累計。
可以對攪拌器實現遠程監視與遠程控制，控制信號由上位機給出，監視信號包括：運行、故障（包括溫度報警、泄漏報警等）、急停和自動狀態，可以對攪拌器的運行臺時進行累計。
電動閘門的控制和粗格柵處相同。
☆ 配水井及污泥泵房
配水井及污泥泵房設有電動閘門2套、回流污泥泵3臺、剩余污泥泵2臺和1套分體式超聲波液位計。電動閘門控制方式同粗格柵電動閘門。中央控制室可以對回流污泥泵實現遠程監視與遠程控制，控制信號由上位機給出，監視信號包括：運行、故障（包括溫度報警、濕度報警、泄漏報警等）、急停和自動狀態。對于回流泵，可以根據時間控制，可由上位機根據工藝要求設定回流泵的開停時間，并使用污泥泵房的液位開關為回流泵設置干運轉保護。可以根據每臺回流泵的運行時間，自動輪換運行泥泵，使各泥泵的運行時間均等，避免同一泥泵在短時間內頻繁開停。系統可以對回流泵的運行臺時進行累計。剩余污泥泵可以實現遠程監視和控制，剩余污泥泵的運行時間進行累計，并使用污泥泵房的液位開關為剩余污泥泵設置干運轉保護。剩余污泥泵可以與儲泥池的液位計實現聯動，當儲泥池液位計高位報警時，關閉剩余污泥泵。超聲波液位計用于監測污泥泵池的泥位，可以設置高、低泥位報警。
☆ 二沉池
二沉池設有一套刮泥機，刮泥機連續運行?？梢詫挝鄼C實現遠程監視與遠程控制，控制信號由上位機給出。監視信號包括：運行、故障、急停和自動狀態，可以對刮吸泥機的運行臺時進行累計。
☆ 污泥脫水機房及儲泥池
該工藝段設有攪拌器1臺、分體式超聲波液位計1套和污泥脫水系統一套。刮泥機連續運行?？梢詫嚢杵鲗崿F遠程監視與遠程控制，控制信號由上位機給出。監視信號包括：運行、故障（包括溫度報警、泄漏報警等）、急停和自動狀態?？梢詫嚢杵鞯倪\行臺時進行累計，并使用儲泥池的液位計為攪拌器設置低液位保護。超聲波分體液位計用于監測儲泥池泥位，設置高、低液位報警；
在液位低于剩余污泥泵工作液位報警時，停止剩余污泥泵。
污泥脫水控制系統由脫水機廠家提供，只對其運行狀態進行監視，不實行遠控，并及時提供報警信息，以確保脫水系統正常運行。監視信號包括：1#帶機綜合運行和1#帶機綜合故障，可以對脫水系統的運行臺時進行累計。
☆ 加氯間
加氯間全套控制系統由廠家提供。上位機只監測加氯系統的運行狀態，不實行遠控。監視信號包括綜合運行和綜合故障?？梢詫勇乳g的運行臺時進行累計。
☆ 出水泵房
出水泵房設有排放泵3臺、回用水泵2臺、分體超聲波液位計1臺和出水流量計1臺?？梢詫ε欧疟脤崿F遠程監視與遠程控制，控制信號由上位機給出。監視信號包括：運行、故障、急停和自動狀態?？梢愿鶕颗_排放泵的累計運行時間，自動輪換運行水泵，使各水泵的運行時間均等，避免同一水泵在短時間內頻繁開停。排放泵開啟可根據排放泵房液位進行控制。在自動控制狀態下，只有當排放泵房出現高液位時，方可運行排放泵。超高液位報警?？梢詫ε欧疟玫倪\行臺時進行累計，并使用液位開關為排放泵設置干運轉保護?；赜盟每梢詫崿F遠程監視和遠程控制，可以對回用水泵的運行臺時進行累計，并使用液位開關為回用水泵設置干運轉保護。分體式超聲波液位計用于監測排放泵池液位，并控制排放泵的開啟，可設置高、低液位報警。出水流量計安裝于總出水管上，監測污水廠出水流量。
☆ 總變高壓柜
只對其運行狀況進行監測，不進行遠控。
1#進線柜，監視信號包括：電流、有功功率、COSФ、事故跳閘、手車工作位置、斷路器合閘等；2#進線柜，監視信號包括：電流、有功功率、COSФ、事故跳閘、手車工作位置、斷路器合閘等。 1#計量柜，監視信號包括：手車工作位置等，2#計量柜，監視信號包括：手車工作位置等；1#變壓器出線柜，監視信號包括：電流、有功功率、無功功率、事故跳閘、手車工作位置、斷路器合閘、接地刀合閘。1#變壓器溫度及高溫報警等；2#變壓器出線柜，監視信號包括：電流、有功功率、無功功率、事故跳閘、手車工作位置、斷路器合閘、接地刀合閘、2#變壓器溫度及高溫報警等。母聯柜，監視信號包括：電流、事故跳閘、手車工作位置、斷路器合閘等。隔離柜，監視信號包括：手車工作位置等。1#電壓互感器柜，監視信號包括：電壓等；2#電壓互感器柜，監視信號包括：電壓等。同時可以在上位機上實現總變運行報表自動生成及打印。
2.4 系統功能
☆ 權限管理
圖2 權限管理界面
操作員進入系統使用密碼：系統提供分級的用戶進入密碼系統，所以低級操作員只能進入基本操作功能，同時較高級別的操作人員，按照不同的密碼，可進入不同的系統組態功能。
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，而他的權限不能發生變化。
☆ 流程圖顯示
圖3 LCD界面圖
LCD畫面為操作員了解生產過程狀態提供了顯示窗口，并能支持以下幾類畫面：
總貌畫面：顯示系統各設備，裝置，區域的運行狀態以及全部過程參數變量的狀態，測量值，設定值，控制方式（手動/自動狀態），高低報警等信息，從各顯示塊可以調出其它畫面。如圖4所示。
分組畫面：以模擬儀表的表盤形式按事先設定的分組，同時顯示幾個回路的信息，如過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，分組可任意進行，操作員可從分組畫面調出任一變量（模擬量或離散量）的詳細信息。
單點畫面（調整畫面）：顯示一個參數，控制點的全部信息以及實時趨勢和歷史趨勢，從調整畫面也可直接對模擬回路進行設定，調整操作。
☆ 趨勢功能
操作員可通過菜單或按鈕進入實時曲線畫面或歷史曲線畫面，可選擇需要的工藝參數查看實時曲線或歷史曲線，可同時顯示多條實時曲線，可對曲線進行放大或縮小，可任意選擇需要查看的時間段。
根據采集到的信息，建立各類信息數據庫并對各類工藝參數值作出趨勢曲線（含歷史數據），供調度員分析比較，以便找出污水處理廠的最佳運行規律，分析事故原因，改進管理方法，保證出水水質，提高經濟效益。
記錄生產所要求的所有參數的歷史數據，記錄時間不小于一個月，并可根據要求任意設置。對重要的數據進行在線存儲?？梢酝ㄟ^歷史報表或者歷史趨勢曲線的方式來檢索歷史數據。
☆ 報警功能
報警設有優先級管理，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面的頂部或底部應設置一個報警條。在報警條內顯示最近三個報警未消失未被確認報警的詳細內容，操作員通過畫面切換選擇報警表，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；
每個“未消失”的報警發生時間；
每個“消失”的報警發生時間及“消失”的時間；
每個“已確認”報警的確認時間和用戶；
當報警出現時，報警打印機立即打印報警信息。
☆ 操作記錄
系統發生的較大情況（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，可通過事件記錄功能記錄下這些情況和操作過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、事件發生時的用戶、事件發生的時間等。
☆ 報表打印
系統自動記錄各種工藝運行數據，將所有數據歸納匯總形成報表，報表可定時打印或召喚打印，操作員也可通過菜單或按鈕進入報表畫面查看歷史報表。如表1所示。
表1 歷史報表
自動生成的生產報表（班/日/月）供生產管理之用，機內存儲六個月的信息量。采用了DDE技術，從而使用戶能夠直接使用Excel編制報表，借助Excel的強大功能，用戶可以隨心所欲地編制各種各樣的報表?？梢允菍崟r數據的報表，也可以是歷史數據的報表。
☆ 數據上傳
咸寧市永安污水廠自控控制系統與天津創業環保股份有限公司運營調度監控中心及武漢天創環保有限公司運營部實現實時通訊，將咸寧市永安污水處理廠的內部生產動態、設備狀態、實時數據等傳送至創業環保公司運營調度監控中心，并配合天津創業環保股份有限公司ERP系統完成工業數據庫和管理數據庫之間的數據交換與數據存儲，實現公司內部的遠程動態監控和網上信息發布。
3 應用特點
基于LK系列PLC的污水處理系統具有如下特點：
☆ 可用性和可靠性
系統組件的設計符合真正的工業等級，控制系統能在嚴格的工業環境下長期、穩定地運行，盡可能降低控制系統故障風險，保證能源收益，確保水處理廠7×24小時的不間斷供水服務。
LK冗余方案可確保工藝過程高度可靠地運行，如果主CPU模塊出現故障，系統將會自動快速、穩定地無擾切換到備用CPU模塊，可以避免因為控制層出現問題而導致的負面效應以及生產過程停頓。
PLC控制站一般設于高電磁干擾環境，如提升泵房、鼓風機房、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境中穩定運行。
水處理環境可能因遭受污染并加速設備中電子元件的老化，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品和腐蝕性環境中的使用壽命，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成本的1/3，主要耗電設備為水泵和風機，可提供優化的變頻控制方案，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，可提供工藝優化控制庫，如定時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創建報告，并分析過程數據，從而對過程進行優化與改進，最終降低電能消耗。
☆ 開放性和兼容性
基于標準協議的通訊網絡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，可以顯著提高針對復雜工藝過程的控制能力，且允許大量過程反饋信息傳輸，支持設備參數訪問功能，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支持標準的通訊協議，都可以很方便的進行連接。
強大的擴展功能可為遠期擴容、升級改造預留接口及容量。
☆ 過程診斷和在線維護
提供的強大診斷功能，能夠方便、高效訪問相關信息，發現導致故障的根本原因以及需要修正的過程參數等，以便提前發現生產過程中存在的問題，可以避免設備意外停機，從而降低運營成本。
所有模塊支持帶電插拔，可以在系統運行狀態下更換故障模塊，不會因為單個模塊的更換而使整個系統停機等待，大大降低了系統的維護成本。
防混銷設計防止插錯模塊引起不必要的損壞，確保系統順利運行，且更換模塊時只需直接更換模塊，無需重新接線，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軟件及LK編程軟件Powe rProV4，具有強大的功能，可方便、直觀地進行上位機組態和PLC編程，且支持在線下載、在線修改以及離線仿真調試等功能。
4 結語
本文論述了基于LK系列PLC的污水處理廠自動控制系統的設計與實現，充分發揮了LK可編程控制器配置靈活、控制可靠、開放性強和在線維護方便等優點，為整個系統的安全穩定運行提供了可靠保障?；贚K的自動控制系統已在多個污水處理廠得到實際應用，為企業帶來了可觀的經濟效益和良好的社會效益。
參考文獻：
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[ 4 ] 顧戰松. 可編程控制器原理與應用[M]. 國防工業出版社.
摘自《自動化博覽》2010年第八期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號