PLC在污水深度處理控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言

大連開發(fā)區(qū)污水處理一廠于1988年建廠。污水廠分兩期實施建成，總設(shè)計規(guī)模8萬m3/d。一期工程設(shè)計規(guī)模3.5萬m3/d，二期工程設(shè)計規(guī)模4.5萬m3/d。一期工程設(shè)計出水達(dá)到二級標(biāo)準(zhǔn)。二期工程為升級改造工程，出水執(zhí)行的排放標(biāo)準(zhǔn)將由原二級標(biāo)準(zhǔn)提高到一級A標(biāo)準(zhǔn)，其主要控制指標(biāo)可達(dá)到“再生水用作工業(yè)用水水源的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)”以及“景觀環(huán)境用水的再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)”的觀賞性景觀環(huán)境用水中的河道類標(biāo)準(zhǔn)。該污水處理廠升級改造控制系統(tǒng)的全套硬件設(shè)備及軟件由和利時公司提供，系統(tǒng)設(shè)計工作由大連市市政設(shè)計研究院有限公司完成。

2 污水深度處理的工藝升級改造方案

大連開發(fā)區(qū)污水處理一廠的工藝升級改造方案由五部分組成：一級處理系統(tǒng)、二級處理系統(tǒng)、深度處理系統(tǒng)、污泥處理系統(tǒng)及除臭系統(tǒng)。一級處理系統(tǒng)包括總進(jìn)水閘門、粗格柵、進(jìn)水提升泵池、細(xì)格柵及曝氣沉砂池。

二級處理系統(tǒng)采用改良A2/O生物除磷脫氮處理工藝，并且不設(shè)置初沉池，以便提高生物池進(jìn)水中的碳源。生物反應(yīng)池采用預(yù)缺氧池、厭氧池、缺氧池、好氧池，進(jìn)水按一定的比例分別進(jìn)入到厭氧池和缺氧池中，這樣即使在進(jìn)水C/N比較低（2.3～3.0）的條件下，仍不需要外加的碳源就能達(dá)到脫氮的效果。在好氧池中填充采用特殊結(jié)構(gòu)的纖毛狀生物膜填料，使附著微生物濃度高，這樣能同時利用附著在纖毛狀生物膜填料上的固定相微生物和浮游流動相微生物，在較短的停留時間（HRT=5～7hr）內(nèi)去除有機(jī)物、氮和磷。纖毛狀生物膜填料呈直毛狀形態(tài)，微生物的附著和脫落達(dá)到動態(tài)平衡，不產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，固定世代繁殖時間長的硝化菌，提高硝化反應(yīng)速度。附著微生物中吞噬污泥的原生動物（vorticella、aspidisca等）和后生動物（rotaria、collurella等）共存，從而減少污泥量。這樣即使在冬季10℃以下的進(jìn)水溫度下，由于附著微生物的水膜現(xiàn)象，仍能有效地同步去除氮和磷。

深度處理系統(tǒng)采用渦旋混凝沉淀+轉(zhuǎn)盤過濾池處理工藝。處理后出水消毒，采用紫外消毒工藝。

污泥處理系統(tǒng)采用離心濃縮脫水一體機(jī)對污泥濃縮脫水后，外運填埋。

除臭系統(tǒng)由兩座土壤脫臭床組成，分別為粗格柵、進(jìn)水提升泵池、細(xì)格柵間及污泥脫水間服務(wù)。同時設(shè)置異味除臭機(jī)，作為輔助除臭設(shè)施。

3 污水深度處理控制系統(tǒng)的設(shè)計原則

基于LK系列PLC在污水處理廠升級改造污水深度處理控制系統(tǒng)中應(yīng)遵循以下設(shè)計原則。

（1）可用性和可靠性

系統(tǒng)組件的設(shè)計符合真正的工業(yè)等級，控制系統(tǒng)能在嚴(yán)格的工業(yè)環(huán)境下長期、穩(wěn)定地運行，盡可能降低控制系統(tǒng)故障風(fēng)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(wù)。

PLC控制站一般設(shè)于高電磁干擾環(huán)境，如提升泵房、鼓風(fēng)機(jī)房等，基于LK系列PLC的控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的電磁兼容性，系統(tǒng)采用各種隔離、抗干擾設(shè)計，保證系統(tǒng)能在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中穩(wěn)定運行。

水處理環(huán)境可能因遭受污染并加速設(shè)備中電子元件的老化，基于LK系列PLC可提供特殊的保護(hù)工藝（保護(hù)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(jī)，降低維護(hù)成本。

（2）開放性和兼容性

基于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的通訊網(wǎng)絡(luò)可非常方便地將第三方設(shè)備接入，如加藥系統(tǒng)、紫外線消毒、及污泥脫水機(jī)等，允許大量過程反饋信息傳輸，支持設(shè)備參數(shù)訪問功能，可提高系統(tǒng)的性能與診斷能力。

該控制系統(tǒng)不僅支持與各種上位監(jiān)控軟件的通訊，例如iFIX、INTOUCH、組態(tài)王、MCGS、力控等，而且支持與主流品牌觸摸屏的通訊，例如Pro-Face、HITECH、eView、Weinview、nTou。只要HMI支持標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議，都可以很方便的進(jìn)行連接。

強(qiáng)大的擴(kuò)展功能可為遠(yuǎn)期擴(kuò)容、升級改造預(yù)留接口及容量。

（3）過程診斷和在線維護(hù)

提供的強(qiáng)大診斷功能，能夠方便、高效訪問相關(guān)信息，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致故障的根本原因以及需要修正的過程參數(shù)等，以便提前發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中存在的問題，可以避免設(shè)備意外停機(jī)，從而降低運營成本。

操作站安裝上位監(jiān)控組態(tài)軟件HollyView6.53及LK編程軟件PowerPro V4，具有強(qiáng)大的功能，可方便、直觀地進(jìn)行上位機(jī)組態(tài)和PLC編程，且支持在線下載、在線修改以及離線仿真調(diào)試等功能。

4 污水深度處理控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

4.1概述

污水處理廠升級改造控制系統(tǒng)設(shè)計基于現(xiàn)代先進(jìn)控制思想，采用分散控制、集中監(jiān)測管理的控制方式，以和利時公司LK系列PLC為核心的控制系統(tǒng)。基于LK系列PLC應(yīng)用于污水處理廠，完全能滿足A2/O生物除磷脫氮處理工藝控制的要求，提供了一種高可靠性、低成本、更優(yōu)化的控制方案。

LK系列PLC是和利時公司在總結(jié)十多年控制系統(tǒng)設(shè)計和幾千個工程項目實施經(jīng)驗基礎(chǔ)上推出的適用于中、高性能控制領(lǐng)域的產(chǎn)品，CPU模塊集成工業(yè)級處理器（主頻可達(dá)533MHz），指令處理速度可達(dá)13ns。相對傳統(tǒng)PLC而言，LK可編程控制器充分融合了DCS和PLC的優(yōu)點，采用了高性能的模擬量處理技術(shù)、小型化的結(jié)構(gòu)設(shè)計、開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、通用的系統(tǒng)平臺、使產(chǎn)品不僅具有強(qiáng)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。

4.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，系統(tǒng)由1個中央控制室和6個現(xiàn)場PLC控制站組成?，F(xiàn)場PLC控制站，由PLC系統(tǒng)及檢測儀表組成，對各工藝過程進(jìn)行分散控制；再由中央控制室，對全廠實行集中管理。中央控制室、PLC控制站之間的數(shù)據(jù)通訊采用高速的、實時的工業(yè)以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為星形，通訊速率為100Mbps，傳輸介質(zhì)為光纖。

6個現(xiàn)場PLC控制站分配如表1所示。

整個系統(tǒng)采用二級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即生產(chǎn)管理網(wǎng)和生產(chǎn)控制網(wǎng)，將過程實時數(shù)據(jù)、運行操作監(jiān)視數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)。有效地提高了通訊的效率，降低了通訊負(fù)荷。生產(chǎn)管理網(wǎng)采用工業(yè)以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為星形，傳輸介質(zhì)為光纖。生產(chǎn)控制網(wǎng)采用現(xiàn)場總線形式，采用PROFIBUS國際通用的開放式現(xiàn)場總線，傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線。

污水處理廠升級改造控制系統(tǒng)設(shè)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(yuǎn)程手動、遠(yuǎn)程自動。

PLC控制站主要監(jiān)控參數(shù)有：溫度、壓力、流量、液位、pH值、ORP（氧化還原）、DO（溶解氧）、COD（化學(xué)需氧量）、MLSS（污泥濃度）、設(shè)備運行狀態(tài)及設(shè)備運行控制等。

4.3系統(tǒng)功能及軟件實現(xiàn)

和利時公司的上位監(jiān)控組態(tài)軟件HollyView6.53及LK編程軟件PowerPro V4提供了強(qiáng)大的軟件編程及系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。

（1）權(quán)限管理

操作員進(jìn)入系統(tǒng)使用密碼：系統(tǒng)提供分級的用戶進(jìn)入密碼系統(tǒng)，所以低級操作員只能進(jìn)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(jìn)入不同的系統(tǒng)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(quán)限不能發(fā)生變化。

（2）流程圖

LCD畫面為操作員了解生產(chǎn)過程狀態(tài)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(tǒng)各設(shè)備，裝置，區(qū)域的運行狀態(tài)以及全部過程參數(shù)變量的狀態(tài)，測量值、設(shè)定值、控制方式（手動/自動狀態(tài)）、高低報警等信息，從各顯示塊可以調(diào)出其它畫面。

分組畫面：以模擬儀表的表盤形式按事先設(shè)定的分組，同時顯示幾個回路的信息，如過程參數(shù)變量的測量值，調(diào)節(jié)器的設(shè)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，操作員可從分組畫面調(diào)出任一變量（模擬量或離散量）的詳細(xì)信息。

單點畫面（調(diào)整畫面）：顯示一個參數(shù)，控制點的全部信息以及實時趨勢和歷史趨勢，從調(diào)整畫面也可直接對模擬回路進(jìn)行設(shè)定，調(diào)整操作。