污水处理自动控制系统的应用
1. 张 卫 2.陈文会
（１．山西大唐国际云冈热电有限责任公司 山西大同 ０３７０３９； ２．大同第一热电厂 山西大同 ０３７０３９）
摘要：介绍了ＰＬＣ自动控制系统结构及配置，并对控制系统的５种操作方式和控制程序的设计进行了论述。
关键词： ＰＬＣ； 污水处理； 控制系统 中图分类号： Ｘ７０３ 文献标识码： Ａ
随着我国工业化进程的迅速发展，自动控制系统已渐渐应用到污水处理工艺过程监测过程中，结束了以往污水处理全部用人工或简单的电器控制的落后局面。云冈热电 ２×２２０ ＭＷ 机组污水处理自动控制系统为了适应机组总体自动化水平的要求，在设计中采用了ＰＬＣ自动控制系统的设计方案，其工艺过程主要分为污水的引入处理、氧化沟生物反应池处理、沉淀池处理、污泥处理、过滤器及超滤处理等，其工艺流程见图１。
１ 控制系统结构及配置
由于该厂的污水处理设备相对比较分散，为减少大量现场走线、有效对生产过程进行监控、分析、管理和优化，自动控制系统采用“集中管理，分散控制”的原则，由中央控制室、２个ＰＬＣ现场控制站和工业以太网组成全厂计算机分布式控制系统， 其控制的系统结构见图２。
其中上位机、集线器 ＨＵＢ、打印机位于中央控制室，２个ＰＬＣ位于现场控制站。采用这种结构可以实现中央操作站两台上位机互为热备，主要现场控制站 ＰＬＣ１， ＰＬＣ２ 主机热备和电源热备以及工业以太网网络冗余。这种关键环节的冗余设计可以大大提高系统的可靠性和稳定性。 １．１ 可编程序控制器
１号和２号ＰＬＣ柜采用美国 Ｍｏｄｉｃｏｎ ＴＳＸＱｕａｎｔｕｍ 系列， 此系列的ＰＬＣ为满足开放的、基于标准的网络连接和现场总线连接等应用技术提供了多种网络选择， 支持具有较强的灵活性， 可实现双机热备和无扰切换，所有模块均能带电拔插， 能够确保无值守安全运行。这种可编程序控制器适用于中、小规模的过程自动化， 标准化的硬件技术、模块式结构和具有很强功能的编程器， 使得该自动化装置在实际应用时具有如下特点： 第一， 装配和连接简单， 容易使用； 第二， 采用插件式模板， 更换容易；第三， 通过各种不同的输入输出电压， 以及对输入点、输出点和存储器的精细分级， 使得该装置具有较强的配置适应能力； 第四， 在所有符合标准的应用中， 不需要通风冷却装置； 第五， 因程序在结构上进行了分块， 以及标准程序块的应用， 使得编程工作大大简化；
第六， 通过它自己的通信处理器和局部网， 可方便地同其他自动化装置及计算机进行通信。 现场各个监控点的参数， 包括水位、温度、流量、溶解氧浓度等模拟量，由对应的一次仪表传感器或变送器检测出来并转变为４ｍＡ～２０ｍＡ电流信号，经屏蔽电缆送至各个子系统的输入模件，由 ＰＬＣ通过各种模块接口采电流信号，同样模拟量控制信号由ＰＬＣ控制单元输出模件输出， 以后以 ４ ｍＡ～２０ ｍＡ 电流形式送到执行机构， 控制执行机构的动作。
１．２ 操作员工作站
操作员工作站硬件采用两台研华 ＩＰＣ—６１０ 工业计算机， 软件采用ＩＦＩＸ 软件。 ＩＦＩＸ 是 Ｉｎｔｅｌｌｕｔｉｏｎ Ｄｙｎａｍｉｃｓ 工业自动化软件解决方案家族中的ＨＭＩ／ＳＣＡＤＡ 软件组件。ＩＦＩＸ 专为 Ｗｉｎｄｏｗｓ ２０００ 而设计， 可以准确地监视和控制生产过程的所有环节。ＩＦＩＸ 可以实时收集数据并且将重要的信息传输给操作员和管理人员， 同时通过容易理解的画面将数据反映出来， 用户可对生产过程作出迅速有效的决定。 １．３ 系统网络通信
Ｍｏｄｉｃｏｎ ＴＳＸ Ｑｕａｎｔｕｍ 系 列 的 ＰＬＣ 模 块 兼 有 Ｅｔｈ．Ｅｍｅｔ， ＴＣＰ／ＩＰ 和Ｍｏｄｂｕｓ 三种开放的、通用的网络标准。上位机和各分控站之间通过总线冗余工业以太网进行通信， 网络通信协议采用 ＴＣＰ／ＩＰ。通信介质是抗干扰能力强的四芯多模光纤， 传输速度是 １００ Ｍｂ／ｓ。若系统需要扩展管理计算机， 只需增加 １ 个网络适配器， 便可与监控计算机共享资源。
１．４ 双机热备系统的实现
双机热备其实是一种容错冗余系统， 冗余系统按工作方式分为并联冗余和旁待冗余， 本系统上位机采用旁待冗余， 两套系统互为备份， 负责两个数据库， 主机和从机通过 ＴＣＰ／ＩＰ 网络连接， 正常情况下主机处于工作状态， 从机处于监视状态， 一旦从机发现主机异常， 就会在很短的时间内代替主机， 进行检测并保护历史数据。ＰＬＣ１ 和 ＰＬＣ２ 现场控制站各有两套硬件配置相同的系统， 分为主系统和后备系统， 正常情况下， 主系统进行控制工作，并通过 ＣＨＳ（ 热备处理模件） 把远程 Ｉ／Ｏ 数据和数据表数据送到后备系统中，使两个系统的数据库有相同的内容。当主系统发生故障时，ＣＨＳ 将在很短的时间内将控制工作从主系统切换到后备系统。切换之后，整个 ＰＬＣ系统进入备份系统进行工作。ＣＨＳ提供两个系统之间的高速通信和故障切换功能， 即负担着主处理器和后备处理器之间的数据传递和信息交换作用，确保后备系统中的数据表是主系统的拷贝。 ２ ＰＬＣ 系统控制模式及控制程序设计
２．１ 系统的控制模式
本控制系统采用程控、远控及就地操作相结合的控制方式， 程序控制设置必要分步， 成组或单独操作等功能， 还设有必要的步骤、时间和状态指示以及连锁和闭锁。 本控制系统共设就地手操、程控点操、步操、半自动、自动 ５ 种操作 方式。
（ １） 就地手操： 当就地手操时， 相应的设备可以从整个系统设备中解列出来， 由操作人员就地控制设备， 如泵动力柜、电磁阀箱上， 通过按钮进行现场设备的一对一操作。
（ ２） 程控点操： 操作人员可以通过键盘或鼠标， 对现场设备的阀门、泵、风机的开停进行一对一的远方操作。
（ ３） 程控步操： 操作人员可以通过键盘和鼠标实现现场设备步序的成组操作。
（ ４） 半自动： 操作人员可以在人工干预下， 通过键盘或鼠标进行选择操作。若是各床体运行失效选择再生程序， 能自动地从再生第一步到最后一步完成该段操作程序。
（ ５） 自动： 当系统启动以后， 按照系统的工艺流程和不同工艺状况， 通过执行与工艺要求一致的控制程序， 根据程序步和程序段的转换条件自动地进行转换， 实现水处理自动操作。在自动及半自动方式下， 各步序时间可由操作人员在 ＣＲＴ 上设置修改， 运行及再生时各步序时间将在 ＣＲＴ 上显示。
２．２ 控制程序设计
控制程序的设计是根据实际系统和工艺要求而定， 主要分粗细格栅控制、潜水泵控制、脱气絮凝池控制、生物反应池含氧量控制、过滤器的控制、超滤的控制、污泥回流控制等部分。本系统采用的 Ｃｏｎｃｅｐｔ ２．０ 编程软件是基于 Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｗｉｎｄｏｗｓ 下的 ＰＬＣ 编程软件套件， 借助于熟悉、标准的编辑器， 可在同一数据库中使 ＰＬＣ程序、通信、诊断等有机地结合在一起。
２．２．１ 进水的控制
通过在进水管中安装电磁流量计实时测量进水流量， 在现场及中央控制室的电脑显示器上显示预处理进水泵站的液位值， 并根据该液位值的高低控制３台进水提升泵的启停，使３台提升泵的运行时间基本保持平衡。在调节池中设置了 ｐＨ 计， 可以测定瞬时进水 ｐＨ 值， 以反映进水水质是否符合处理要求。进水 ｐＨ 值的设定要求范围是 ４．０～９．０， 当进水ｐＨ 值不在此范围内时， 中央控制室的电脑显示器会发出声光报警信号，并自动关闭进水闸门， 以保证出水水质。 ２．２．２ 粗细格栅的控制
在粗、细格栅前后均设置了超声波液位差计， 并在现场及中央控制室电脑显示器上实时显示粗、细格栅前后液面的液位差值。根据本厂的处理水质水量设定了工艺值， 当前后液位差值大于或等于该工艺值时，可以对粗、细格栅的连锁启停自动实现。 ２．２．３ 潜水泵的控制
本系统共有２台潜水泵， 考虑到其中一台长期工作， 易发生设备故障，故在实际使用中设置成轮流启动方式， 以达到既有备用， 又不让其长期搁置不用的目的。 ２．２．４ 生物反应池含氧量的控制
生物反应池中污水含氧量的控制是污水处理过程控制中比较关键的任务。在程序设计中，根据生物反应池运行的不同阶段，比较实测的污水溶解氧浓度与设定值，实现对生物反应池中曝气转刷的优化控制，自动调整转刷的高低速、运行台数和曝气时间，同时联动控制进、出水堰门的开启和关闭，使设备的运行在满足工艺要求、保证出水达标的前提下，最大限度地降低能耗，从而降低生产成本。生物反应
池溶解氧调节控制原理见图３。
２．２．５ 二沉池的控制
在二沉池中设置１台泥位计，当在线监测泥位值偏高时，可自动调节刮吸泥机、排泥设备，将剩余污泥外排，防止沉淀污泥发生腐烂。 ２．２．６ 过滤器的控制
按照工艺的要求， 在整个污水处理过程中， 过滤器起着非常重要的作用， 而过滤器的工作效果取决于滤料脏物的反洗控制。此工程共有 ３台过滤器， 每台过滤器均配置 ４ 个电控气动蝶阀：过滤进水阀、过滤出水阀、反洗进水阀、反洗出水阀及反洗电机， 其控制程序为：
首先打开过滤进水阀， 紧接着打开过滤出水阀，正常过滤。当过滤时间达到预先设定值或流量小于一定值时，手动强制反洗，则程序开始进行反洗。关闭过滤进水阀和出水阀， 启动反洗泵，打开反洗进水阀和出水阀，开始水洗， ３ｍｉｎ后启动反洗电机搅拌滤料，经７ ｍｉｎ停止反洗电机，１ｍｉｎ 后停止反洗泵， 关闭反洗进水阀， 靠余压排水和稳定滤料１ｍｉｎ后关闭反洗出水阀， 此时反洗结束。
基于以上控制要求， 采用可编程控制器进行控制， 将过滤、反洗及水量等控制进行全面考虑， 把这几种控制作为一个有机的整体进行统一控制。 ２．２．７ 超滤的控制
采用高分子材料制成的中空纤维式的超滤膜元件， 主要去除水中的大分子有机物和胶体物质， 部分降低水中的 ＣＯＤ 及细菌含量。悬浮物的去除率可达 １００％， 胶体铁的去除率一般达 ９９％， 微生物的去除率一般达９９．９％， 出水浊度一般小于 ０．１ ＮＴＵ， 出水一般 ＳＤＩ＜１。 采用超滤工艺有如下特点： 第一， 出水水质稳定， 基本不受原水水质波动的影响； 第二， 减少了药剂添加， 从而降低运行成本， 减少排放对环境造成的影响； 第三， 可延长反渗透膜的使用寿命， 降低清洗的频率； 第四，增大反渗透膜的通透率（ 常规预处理， 反渗透膜的通透率为 ８ ＧＦＤ），降低反渗透装置的投资费用； 第五， 操作简单、运行费用低。
经过以上工艺处理， 水中大部分的悬浮物、细菌、微生物、胶体等均被除去， 满足水质再利用要求。 ３ 结语
本系统投入运行以来， 运行稳定可靠， 处理后的污水可以回收再利用， 完全达到了最初设计的要求， 实现了对整个污水处理工艺的集散控制和管理。基于 ＰＬＣ 的计算机控制系统在污水处理中的运用大大满足了该厂的自动化水平要求， 提高了污水处理的质量，使排放的有害物量大大减少；同时降低了能耗，减轻了工人的劳动强度，提高了管理效率，取得了明显的经济效益和
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污水处理自动化监控系统 一、系统概述: 污水处理自控系统的控制级别设置为三层;第一层 现场手动控制:在各电气站点设置现场手动控制箱，可单独启停各测试设备及各执行机构。第二层 PLC逻辑联动控制:由PLC根据现场各测试设备采集的数据及系统设备运行逻辑关系，自动控制各站点内的电气设备运行状态。第三层 中央控制: 计算机监测、修改PLC控制参数、上位机点动控制，实现实时监控。手动控制及自动控制可以分别通过机房或中央控制室的“手自动转换开关”进行切换。这样的控制方式能最大限度地保证污水处理装置安全操作的需要。中央控制计算机能对整个系统的污水处理过程进行实时监测与控制，随时跟踪接收PLC的数据信号，能对各种类型模拟量进行巡回检测，对各种类型故障进行报警或不达标报警。并具备实时数据和历史数据的分析及处理能力，对主要工艺流程进行动态模拟、趋势分析、制表打印、绘制曲线；对主要数据永久性保存。且在CRT上显示整个工艺流程或局部环节的直观动态彩色画面，并通过嵌入式大屏幕，动态显示工艺流程各主要部件的运行状态。借助电话线路及MODEM卡或GPRS/CDMA网络实现远程监测，监视整个系统的运行状态，便于快速解决问题排除故障。二、PLC编程 在PC机上，根据工艺运行流程的逻辑关系，可借助SYSMAC支持软件及CVM1系列梯形图支持软件的程序和数据进行再次开发与编程。 内容包括： 磷盐加药量控制 根据电磁流量计输入量，由PLC的输出模块，控制调节池的磷营养盐加药量（控制定量投加泵），构成闭环控制。 pH值控制 由PLC根据在线PH计测定的输入量，控制纯碱加药量，构成闭环控制。 甲醇加药量控制 根据电磁流量计输入量，由PLC的输出模块，控制缺氧池的甲醇加药量（控制定量投加泵），构成闭环控制。 纯碱加药量控制 根据电磁流量计输入量，由PLC的输出模块，控制氧化池的纯碱加药量（控制定量投加泵），构成闭环控制。 进水氨氮浓度控
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