1 引言
近年來我國(guó)集約化大規(guī)模現(xiàn)代化污水處理廠自動(dòng)化程度要求越來越高，污水處理的自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)具有全自動(dòng)的邏輯控制，系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期安全無故障的運(yùn)行，且具有很高的可靠性。本文介紹的污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)用siemens的s7-400系列、webaccess組態(tài)軟件和profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線來構(gòu)建一個(gè)分布式的自動(dòng)控制系統(tǒng)，從而提高了污水處理的自動(dòng)化程度和系統(tǒng)的高可靠性。
2 工藝流程
該水廠占地120多萬平方米，一期工程設(shè)計(jì)處理能力為8萬噸/天，二期工程完工后將達(dá)到12萬噸/天。鑒于水質(zhì)的特點(diǎn)，該水廠采用的是奧貝爾氧化溝工藝。工藝流程如圖1所示。
首先來自城市污水管網(wǎng)的污水經(jīng)過水廠的污水進(jìn)水管道進(jìn)入粗格柵，在粗格柵，比較大的懸浮物被攔截，以保護(hù)后續(xù)的動(dòng)力設(shè)備。然后經(jīng)提升泵提升，以提高水的重力勢(shì)能，從而使水可以依靠重力的作用流過后續(xù)各個(gè)構(gòu)筑物。接著污水進(jìn)入細(xì)格柵，在細(xì)格柵較小的懸浮物進(jìn)一步被攔截。然后流入回旋沉砂池，進(jìn)行砂水分離。然后污水進(jìn)入二級(jí)處理階段：污水首先進(jìn)入?yún)捬醭嘏渌谶@里污水與活性污泥完成混合后被均勻的分配到兩座厭氧池中，污水會(huì)在這里流動(dòng)大約6小時(shí)，并在厭氧池內(nèi)高活性厭氧微生物的作用下，將廢水中的大分子、難降解的有機(jī)物降解為小分子、易降解的有機(jī)物(多為甲烷和乙酸)，并將大部分的磷去除。緊接著污水進(jìn)入下一構(gòu)筑物——氧化溝，氧化溝是污水生化反應(yīng)的主要階段。污水在這里流動(dòng)大約9小時(shí)，這時(shí)大量的空氣被表曝機(jī)曝入水體，在高活性好氧微生物的作用下，污水中幾乎所有的有機(jī)物得到進(jìn)一步降解，絕大多數(shù)有機(jī)物被分解完畢。其中污水中的氮也主要是在這個(gè)階段被除去。接下來污水和部分活性污泥一起流入綜合井，通過綜合井被均勻的分配到四個(gè)二沉池中。在二沉池中處理好的污水和活性污泥分離，活性污泥達(dá)到一定濃度后一部分被泵送到生物反應(yīng)池前端和流入的污水再次混合。另外一部分送入儲(chǔ)泥池，為防止磷二次釋放，仍要對(duì)污泥進(jìn)行二次曝氣，然后送到脫水間脫水，脫水后送出廠外掩埋。而沉淀好的清水則流入加氯接觸池進(jìn)行深度處理以滿足水體受納標(biāo)準(zhǔn)，最后排放出去。
圖1 工藝流程
3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)根據(jù)該污水廠工藝要求和設(shè)計(jì)要求，考慮到系統(tǒng)的可靠性、開放性、易維護(hù)性和可擴(kuò)展性，按“集中管理，分散控制”的原則，采用了分布式結(jié)構(gòu)。該水廠的自動(dòng)控制系統(tǒng)由中央控制室、各分布plc控制站和現(xiàn)場(chǎng)儀表及電控柜構(gòu)成三級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
控制系統(tǒng)共2臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)，其中一臺(tái)備用。還有3個(gè)plc控制主站。通過現(xiàn)場(chǎng)總線將控制主站和中央控制室的上位工程師站相連接，便于監(jiān)控。并將上位工程師站、操作員站、總工程師站與廠長(zhǎng)室的計(jì)算機(jī)接入以太網(wǎng)，由管理機(jī)完成各項(xiàng)管理功能。這樣整個(gè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)便構(gòu)成了scada遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理、監(jiān)視及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制等功能。
3.2 控制方式
該系統(tǒng)中主要工藝設(shè)備采用三種控制模式,即就地手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程plc控制和自動(dòng)控制。現(xiàn)場(chǎng)的泵類、表曝機(jī)和設(shè)備開啟關(guān)閉等開關(guān)信號(hào)、各構(gòu)筑物模擬信號(hào)(如do、t-p、ph、tss、等)全部經(jīng)過plc在上位機(jī)上顯示。現(xiàn)場(chǎng)各監(jiān)控點(diǎn)的物理參數(shù)，均通過profibus總線與plc主站相連。
3.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
(1)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能。上位機(jī)采用了兩臺(tái)研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，通過工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)的plc主站相連。上位機(jī)操作系統(tǒng)采用的是windows xp，監(jiān)控軟件采用的是webaccess。上位機(jī)的主要功能是對(duì)污水處理廠的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；完成控制系統(tǒng)的組態(tài)，同時(shí)可以進(jìn)行在線、離線編程及設(shè)定參數(shù)的修改；通過顯示的控制過程畫面和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)來監(jiān)控生產(chǎn)過程；能對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和儲(chǔ)存并且能夠完成報(bào)表打印。另外在工廠局域網(wǎng)內(nèi)接入了inte-rnet，從而實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)、本地網(wǎng)、遠(yuǎn)程網(wǎng)的跨區(qū)域遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)控功能。這樣管理者可以隨時(shí)隨地的通過各種上網(wǎng)方式獲得水廠的信息，將范圍擴(kuò)展到了工廠監(jiān)控級(jí)，實(shí)現(xiàn)了上層信息網(wǎng)和控制網(wǎng)相結(jié)合。
(2) 單元控制站。根據(jù)工藝的要求，全廠共設(shè)有3個(gè)單元控制站，分別為plc1站、plc2站和plc3站。單元控制站選用simatic s7-400系列的plc。cpu選用了cpu414-3dp，該cpu具有中等性能，適用于對(duì)程序規(guī)模、指令處理速度及通訊要求較高的場(chǎng)合。它帶有一個(gè)mpi/dp接口，一個(gè)dp接口，還有一個(gè)profinet接口，同時(shí)為dp接口和profinet接口分配的分布式i/o點(diǎn)地址分別為8kb。單元控制站在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行參數(shù)檢測(cè)，設(shè)備運(yùn)行信號(hào)的采集、檢測(cè)和控制，并可通過該站的人機(jī)界面對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，同時(shí)向上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)。上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)定的控制參數(shù)通過光纖以太網(wǎng)傳送給單元控制站，然后由單元控制站完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。單元控制站也對(duì)自身模板進(jìn)行監(jiān)控，其診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和過程的功能,記錄錯(cuò)誤和特定系統(tǒng)事件。如果出現(xiàn)診斷報(bào)文事件，那么模板將會(huì)觸發(fā)一個(gè)診斷中斷，此后單元控制站中斷用戶程序的執(zhí)行，執(zhí)行相應(yīng)的診斷中斷模塊。
4 單元控制站設(shè)計(jì)
4.1 plc1站
plc1站主要負(fù)責(zé)粗格柵、進(jìn)水泵房、細(xì)格柵和旋流沉砂池等設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場(chǎng)控制柜以及電動(dòng)閘門的開啟。本站主要配備1塊cpu414-3dp模塊、2塊ps407 10a電源模塊、1塊cp 443-1通訊處理器、2塊im 460-0接口模塊、5個(gè)16路di模塊、3個(gè)16路do模塊、5個(gè)8路ai模塊、1個(gè)8路ao模塊和一個(gè)擴(kuò)展機(jī)架。本站對(duì)粗格柵、細(xì)格柵的控制采用液位差和時(shí)間控制。即當(dāng)格柵前后液位差大于設(shè)定值后啟動(dòng)格柵機(jī)，或者當(dāng)距離上次格柵運(yùn)行的時(shí)間大于設(shè)定值時(shí)也要啟動(dòng)格柵機(jī)。這兩種控制方式中液位差控制的優(yōu)先級(jí)比時(shí)間控制的優(yōu)先級(jí)高。格柵機(jī)的控制流程圖，如圖3所示。
圖 3格柵機(jī)的控制流程圖
對(duì)提升泵的控制是根據(jù)液位的高低決定泵的啟停，其控制流程圖如圖4所示。
圖4 提升泵控制流程圖
4.2 plc2站
plc2站主要負(fù)責(zé)厭氧池配水井、厭氧池和氧化溝等構(gòu)筑物上的設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、現(xiàn)場(chǎng)控制柜的操作以及電動(dòng)閘門的開啟。本站對(duì)各個(gè)電動(dòng)閘門一般采取就地控制或者是遠(yuǎn)程控制，只有對(duì)氧化溝上的do含量的控制實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制。同時(shí)對(duì)于其它參數(shù)如nh3-n、ss、氧化還原電位、液位、溫度等實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)采集并通過plc上傳中控室。本站主要配備3個(gè)擴(kuò)展機(jī)架、1塊cpu414-3dp模塊、3塊ps407 10a電源模塊、1塊cp 443-1通訊處理器、3塊im 460-0接口模塊、20個(gè)16路di模塊、9個(gè)16路do模塊、4個(gè)8路ai模塊、1個(gè)8路ao模塊。其組態(tài)圖如圖5所示。
圖5 plc2站組態(tài)圖
4.3 plc3站
plc3站負(fù)責(zé)二沉池、接觸池、加氯間、儲(chǔ)泥池和脫水間，這些構(gòu)造物上各種設(shè)備的啟停，數(shù)據(jù)的采集和傳輸。主要內(nèi)容包括：對(duì)刮稀泥機(jī)的控制；對(duì)剩余污泥泵的啟停控制及狀態(tài)檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制；對(duì)污泥流量的測(cè)量及流量值的累計(jì)、對(duì)排放水加氯量的控制以及對(duì)脫水機(jī)房脫水機(jī)和其他電機(jī)的啟停控制。本站主要配備3個(gè)擴(kuò)展機(jī)架、1塊cpu414-3dp模塊、3塊ps407 10a電源模塊、1塊cp 443-1通訊處理器、3塊im 460-0接口模塊、20個(gè)16路di模塊、9個(gè)16路do模塊、4個(gè)8路ai模塊、1個(gè)8路ao模塊。本站對(duì)污泥回流泵的控制是根據(jù)液位的變化來實(shí)現(xiàn)的，其控制要求與提升泵是一樣的。因此其程序流程圖可以借鑒提升泵的設(shè)計(jì)。
5 結(jié)束語
以 webaccess、profibus-dp和 s7-400plc 構(gòu)建的污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)，在可靠性、自動(dòng)化程度上滿足了現(xiàn)代水處理的要求。該水廠自5月份開始試運(yùn)行以來，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，設(shè)備工作狀況良好，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，設(shè)備的利用率得到提高，操作人員的工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，在一定程度上解決了污水處理廠設(shè)備分散、復(fù)雜、難以控制的難題，使出水水質(zhì)達(dá)到國(guó)家二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，出水水質(zhì)如下：ss為26mg/l左右，bod為17mg/l左右，氨氮為54mg/l左右，總磷為0.3mg/l左右，cod在53mg/l左右。取得了較好的效益。