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郭陽陽 ，呂衛陽 ，李強 ，劉榮
(1.北京科技大學機械工程學院，北京100083；
2.北京和利時自動化驅動技術有限公司，北京100176)
摘要：本文主要介紹了海興縣汙水處理廠自動控製係統的架構、LK PLC係統配置及如何利用PLC實現全廠的自動控製。以和利時公司LK PLC作為控製器，中控室和全廠各主站之間采用光纖工業以太網通訊方式，主站和遠程I/O 站采用Profibus-DP 通訊方式。水廠的自動控製係統，保證了汙水生產運行的安全可靠，提高了汙水處理的自動化控製水平和管理水平，提高了生產效率。
關鍵詞：汙水處理；可編程控製器；自動控製係統
Application of Automation Control System Based on LK PLC in Sewage Treatment Plant
GUO Yang-yang, LV Wei-yang，LI Qiang，LIU Rong
(University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)
Abstract: This paper mainly introduces the automation system structure, LK PLC system configuration and how to utilize PLC to achieve automation control in sewage treatment plant. LK PLC made by Hollysys Company is adopted as the controller. Central control room comminutes with master stations via optical fiber industrial Ethernet, while Profibus-DP is utilized for the communication between master stations and remote I/O stations. The automation control system guarantees the stability of sewage treatment process and improves the level of automation control and management of waste water treatment and enhances productivity and efficiency.
Key words: Sewage Treatment; PLC; Automation Control System
1 引言
進入21世(shi)紀(ji)以(yi)來(lai)，我(wo)國(guo)人(ren)口(kou)數(shu)量(liang)快(kuai)速(su)增(zeng)長(chang)，用(yong)水(shui)需(xu)求(qiu)量(liang)明(ming)顯(xian)加(jia)大(da)，是(shi)我(wo)國(guo)城(cheng)市(shi)可(ke)持(chi)續(xu)發(fa)展(zhan)的(de)主(zhu)要(yao)矛(mao)盾(dun)之(zhi)一(yi)，因(yin)此(ci)解(jie)決(jue)城(cheng)市(shi)水(shui)資(zi)源(yuan)缺(que)乏(fa)和(he)水(shui)環(huan)境(jing)惡(e)化(hua)問(wen)題(ti)刻(ke)不(bu)容(rong)緩(huan)。而(er)隨(sui)著(zhe)自(zi)動(dong)化(hua)技(ji)術(shu)在(zai)各(ge)行(xing)業(ye)的(de)不(bu)斷(duan)發(fa)展(zhan)，汙(wu)水(shui)處(chu)理(li)行(xing)業(ye)的(de)自(zi)動(dong)化(hua)水(shui)平(ping)也(ye)在(zai)快(kuai)速(su)提(ti)高(gao)。目(mu)前(qian)，在(zai)汙(wu)水(shui)處(chu)理(li)行(xing)業(ye)中(zhong)多(duo)采(cai)用(yong)PLC控製器進行自動控製，上位計算機進行工藝參數監視和設置的係統控製模式[1]。本文以海興縣汙水處理廠為例進行係統組成、功能等介紹。
海興縣汙水處理廠設計規模為日處理汙水二萬噸，出水標準為一級A。水廠工程采用CASS+深度處理工藝，廠區主要由格柵及沉砂係統、提升泵房、CASS池生物反應係統、曝氣生物濾池係統、V型濾池係統及汙泥濃縮係統構成。
2 汙水處理控製係統的硬件設計
2.1 控製係統整體結構
汙水處理廠自動化控製係統分為三級管理，包括生產管理級(中央控製室)、現場控製級(PLC控製站)及就地控製級。現場各種數據通過PLC係統進行采集，並通過主幹通訊網絡――工業以太網傳送到中央控製室監控計算機集中監控和管理。同樣，中央控製室監控計算機的控製命令也通過上述通道傳送到PLC的測控終端，實施各單元的分散控製。
(1)生產管理級(中央控製室)
zhongkongshiguanlicengshixitongdehexin，wanchengduiwushuichuliguochenggebufendeguanlihekongzhi，bingshixianchangjidebangongzidonghua。tongguogaofenbianlvyejingxianshiqijitouyingyikezhiguandidongtaixianshiquanchanggegongyiliuchengduandeshishigongkuang、各工藝參數的趨勢畫麵，操作人員可及時掌握全廠運行情況。
(2)現場控製級(PLC站)
控製層是實現係統自動控製的關鍵。按照自動控製工藝要求，控製層的PLC通過程序控製整個汙水處理廠的設備，實現對現場設備運行狀態以及參數(如壓力、流量、溫度、PH值等)的采集，以及執行管理層的命令。
(3)就地控製級(設備層)
將現場控製箱上的“就地/遠程”旋鈕切換至“就地”位置，通過箱上的“啟動/停止”按鈕實現設備的就地啟停控製。
海興縣汙水廠控製係統的拓撲結構與功能配置如圖1 所示：
圖1 控製係統的拓撲結構與配置
Fig.1 structure and configuration of control system
2.2 下位PLC係統配置
海興縣汙水廠自動控製係統采用北京和利時公司的LK係列PLC作為主控製器對生產過程進行監視和控製。模塊式PLC控製係統的硬件部分主要包括CPU模塊、I/O模塊、通訊模塊、電源模塊、接口模塊等，根據控製功能的複雜程度和控製對象的點號統計進行相應的配置。據統計，整個汙水廠需要PLC控製的I/O點共829，共分四個PLC控製站：1#PLC站僅有一個主站；2#PLC站僅有一個主站；3#PLC站包括主站和一個遠程從站；4#PLC站包括主站和兩個遠程從站。各個控製站的功能和分別如下：
(1)汙泥脫水機房工作站――1#PLC控製站
負責采集水廠進水水質數據，以及格柵係統、旋流沉砂係統、汙泥濃縮係統設備的狀態采集和設備的控製。
(2)鼓風機房工作站――2#PLC控製站
負責采集CASS池水質數據，以及攪拌係統、潷水係統、曝氣係統設備狀態的采集和設備的控製。
(3)曝氣生物濾池工作站――3#PLC控製站
負責采集曝氣生物濾池水質數據，以及二次提升係統、曝氣係統、反衝洗係統設備狀態的采集和設備的控製。
(4)V型濾池工作站――4#PLC控製站
負責采集V型濾池水質數據，以及反衝洗係統、出水係統設備狀態的采集和設備的控製。
總而言之，PLC 控製係統實現了主站與從站的數據交換及數據處理，主站對各個從站的監控和人機交互的可視性。
2.3 上位監控係統硬件配置
工程師和操作員站設立在中控室，其主要由兩套互為冗餘的操作站、一套投影儀、一台故障打印機、一台圖表打印機、一套UPS電源組成。
中控室的兩台監控操作站，其中一台為係統監控管理計算機，可對在汙水處理廠的各類設備狀態、工藝過程參數進行實時檢測和監控，提供給操作人員、管理人員進行運行管理的人機界麵，另一台為信息監控管理計算機，負責實時和定時記錄以及報表的生產和打印。
3 汙水處理控製係統的軟件設計
3.1下位PLC控製程序開發
PLC程序設計采用北京和利時公司推出的Powerpro 下位機軟件，根據工藝要求，編寫格柵、提升泵房、旋流沉砂池、CASS池、二次提升泵、曝氣生物濾池、V型濾池等子程序。汙水處理工藝流程圖如圖2所示：
圖2 汙水處理工藝流程圖
Fig.2 Flow chart of sewage treatment process
(1)格柵係統控製
格柵係統主控對象為格柵機組、luoxuanshusongjiyijichaoshengboyeweiji。qikongzhikezaijiankongjisuanjishangshezhiyeweikongzhihedingshikongzhi，dangcaiyongyeweikongzhishi，shikaogezhadeqianhouyeweichalaikongzhigezhajideqiting，dangyeweichadadaoshedingdeshuiweishangxianshi，PLC控製器會發出命令啟動格柵設備；當水位差小於設置的下限時，格柵機組將接受到PLC控製器發出的停止的信號。操作人員可以在上位機上設定設備的啟停液位或者運行周期。
(2)提升泵控製
提ti升sheng泵beng的de控kong製zhi工gong藝yi要yao求qiu是shi根gen據ju液ye位wei的de高gao低di來lai自zi動dong控kong製zhi提ti升sheng泵beng的de啟qi停ting，項xiang目mu現xian場chang采cai用yong兩liang用yong一yi備bei方fang式shi。當dang其qi中zhong的de泵beng出chu現xian故gu障zhang時shi，故gu障zhang泵beng會hui自zi動dong切qie出chu自zi控kong程cheng序xu，備bei用yong泵beng會hui自zi動dong切qie入ru自zi控kong程cheng序xu。這zhe樣yang長chang期qi運yun行xing能neng保bao證zheng泵beng的de運yun行xing時shi間jian大da致zhi相xiang同tong。
(3)旋流沉砂池係統控製
旋流沉砂係統主控對象為攪拌器、羅茨風機和砂水分離器。係統工作原理如下：汙(wu)水(shui)從(cong)沉(chen)砂(sha)池(chi)的(de)切(qie)向(xiang)進(jin)入(ru)，具(ju)有(you)一(yi)定(ding)的(de)流(liu)速(su)，從(cong)而(er)對(dui)沙(sha)礫(li)產(chan)生(sheng)離(li)心(xin)力(li)，使(shi)較(jiao)重(zhong)的(de)沙(sha)礫(li)沿(yan)池(chi)壁(bi)沉(chen)降(jiang)到(dao)池(chi)底(di)集(ji)砂(sha)槽(cao)。攪(jiao)拌(ban)器(qi)的(de)槳(jiang)葉(ye)旋(xuan)轉(zhuan)形(xing)成(cheng)軸(zhou)向(xiang)渦(wo)流(liu)，產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)輕(qing)微(wei)的(de)上(shang)升(sheng)流(liu)動(dong)，從(cong)而(er)帶(dai)動(dong)汙(wu)水(shui)排(pai)出(chu)，流(liu)入(ru)下(xia)一(yi)道(dao)工(gong)藝(yi)流(liu)程(cheng)進(jin)行(xing)處(chu)理(li)。羅(luo)茨(ci)風(feng)機(ji)為(wei)旋(xuan)流(liu)沉(chen)砂(sha)池(chi)提(ti)供(gong)空(kong)氣(qi)，達(da)到(dao)氣(qi)提(ti)的(de)作(zuo)用(yong)，另(ling)外(wai)氣(qi)提(ti)直(zhi)接(jie)將(jiang)沉(chen)砂(sha)輸(shu)送(song)到(dao)砂(sha)水(shui)分(fen)離(li)器(qi)，實(shi)現(xian)沙(sha)礫(li)與(yu)汙(wu)水(shui)的(de)徹(che)底(di)分(fen)離(li)[2]。其控製工藝要求如下：攪拌器、風機和砂水分離器以一定周期運轉，通過工程師站可以設定運行時間。
(4) CASS池係統控製
CASS池係統操作周期分為四個步驟：曝氣階段，鼓風機向反應池內充氧，此時有機汙染物被微生物氧化分解；沉澱階段，微生物利用水中剩餘的DO進jin行xing進jin一yi步bu氧yang化hua分fen解jie，活huo性xing汙wu泥ni逐zhu漸jian沉chen澱dian到dao池chi底di，上shang層ceng水shui變bian清qing，汙wu泥ni回hui流liu泵beng將jiang部bu分fen活huo性xing汙wu泥ni送song回hui預yu反fan應ying區qu，剩sheng餘yu汙wu泥ni泵beng則ze將jiang反fan應ying池chi多duo餘yu汙wu泥ni抽chou到dao汙wu泥ni脫tuo水shui間jian；潷水階段，沉澱結束後，置於反應池末端的潷水器開始工作，自上而下逐漸排出上清液；閑置階段，潷水器上升到原始位置階段，等待下一周期潷水。根據上述工藝要求，對CASS工藝的各個階段編寫控製子程序。
(5)曝氣生物濾池係統控製
曝氣風機其控製工藝要求：曝氣風機為24小時運轉，每天中午12點更換一台風機，這樣可以保證三台風機運行的時間大體相等。
反衝洗係統控製主要是控製反洗風機、反洗泵以及閥門來實現反衝洗的功能，每兩天進行一次反衝洗。
(6)V型濾池係統控製
V型濾池係統的自動控製主要是濾池的自動反衝洗功能。子程序控製的主要設備有反洗泵、反洗風機、閥門以及儀表工藝參數，每兩天進行一次反衝洗。
3.2上位機監控係統的實現
本控製係統上位監控係統采用北京和利時公司的上位機軟件FacView。監控軟件將現場各分係統的運行狀態形象、直觀、實shi時shi地di顯xian示shi在zai中zhong控kong室shi的de工gong控kong機ji上shang，使shi操cao作zuo員yuan在zai中zhong控kong室shi能neng實shi時shi獲huo得de現xian場chang數shu據ju和he信xin息xi並bing對dui汙wu水shui處chu理li廠chang的de運yun行xing進jin行xing管guan理li。友you好hao的de人ren機ji界jie麵mian把ba分fen散san的de、單回路的測控係統進行了統一的管理，另外還有數據報警、曆史數據存儲、報表顯示、趨勢顯示等多種功能。
計算機監控畫麵主要包括全廠工藝圖、格柵及沉砂係統、CASS工藝、曝氣生物濾池、V型濾池、儀表數據圖、趨勢圖、報警圖、報表，各個畫麵之間可以實現自由切換，全廠工藝圖如圖3所示：
圖3 海興縣汙水廠全廠工藝圖
Fig.3 The flow chart of HaiXing County Sewage Treatment Plant
4 結語
該gai自zi動dong控kong製zhi係xi統tong實shi行xing集ji中zhong控kong製zhi，分fen散san管guan理li的de方fang式shi，把ba管guan理li層ceng和he控kong製zhi層ceng分fen開kai，通tong過guo對dui全quan過guo程cheng的de監jian控kong，實shi現xian了le汙wu水shui處chu理li整zheng個ge過guo程cheng的de全quan自zi動dong化hua運yun營ying，保bao證zheng了le汙wu水shui生sheng產chan運yun行xing的de安an全quan可ke靠kao，大da大da提ti高gao了le汙wu水shui處chu理li的de自zi動dong化hua控kong製zhi水shui平ping和he管guan理li水shui平ping，減jian輕qing了le勞lao動dong強qiang度du，從cong而er提ti高gao了le生sheng產chan效xiao率lv，降jiang低di了le水shui廠chang能neng耗hao。其qi中zhong，PLC 控kong製zhi器qi發fa揮hui了le相xiang當dang重zhong要yao的de作zuo用yong。自zi投tou產chan運yun行xing以yi來lai，控kong製zhi係xi統tong運yun行xing平ping穩wen，處chu理li水shui質zhi達da到dao排pai放fang標biao準zhun，不bu僅jin改gai善shan了le人ren們men的de生sheng活huo環huan境jing，而er且qie為wei社she會hui的de可ke持chi續xu發fa展zhan發fa揮hui了le積ji極ji的de作zuo用yong，取qu得de了le社she會hui和he經jing濟ji雙shuang重zhong效xiao益yi。
參考文獻
[1]羅春，馬立實，吳堅，周超平.論國內城市汙水處理現狀及發展趨勢.2007全國水處理技術研討會論文集. 2007：1
[2]李耀剛，劉學東，水蘭素.旋流沉砂池的PLC控製[J].機電工程技術，2003，32(4):58-59.
作者簡介：郭陽陽(1987-)，男，北京科技大學研究生，專業方向為自動化控製；呂衛陽(1971-)，男，北京科技大學機械工程學院副教授，主要研究工業控製及自動化；李強(1982-)，男，北京和利時自動化驅動技術有限公司中級工程師，主要從事工業控製及儀表自動化；劉榮，男，北京和利時自動化驅動技術有限公司中級工程師，主要從事工業自動化及部門管理工作。
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