基于LK PLC的自動控制系統在污水處理廠的應用

1 引言

進入21世紀以來，我國人口數量快速增長，用水需求量明顯加大，是我國城市可持續發展的主要矛盾之一，因此解決城市水資源缺乏和水環境惡化問題刻不容緩。而隨著自動化技術在各行業的不斷發展，污水處理行業的自動化水平也在快速提高。目前，在污水處理行業中多采用PLC控制器進行自動控制，上位計算機進行工藝參數監視和設置的系統控制模式[1]。本文以海興縣污水處理廠為例進行系統組成、功能等介紹。

海興縣污水處理廠設計規模為日處理污水二萬噸，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系統、提升泵房、CASS池生物反應系統、曝氣生物濾池系統、V型濾池系統及污泥濃縮系統構成。

2 污水處理控制系統的硬件設計

2.1 控制系統整體結構

污水處理廠自動化控制系統分為三級管理，包括生產管理級(中央控制室)、現場控制級(PLC控制站)及就地控制級。現場各種數據通過PLC系統進行采集，并通過主干通訊網絡——工業以太網傳送到中央控制室監控計算機集中監控和管理。同樣，中央控制室監控計算機的控制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制。

(1)生產管理級(中央控制室)

中控室管理層是系統的核心，完成對污水處理過程各部分的管理和控制，并實現廠級的辦公自動化。通過高分辨率液晶顯示器及投影儀可直觀地動態顯示全廠各工藝流程段的實時工況、各工藝參數的趨勢畫面，操作人員可及時掌握全廠運行情況。

(2)現場控制級(PLC站)

控制層是實現系統自動控制的關鍵。按照自動控制工藝要求，控制層的PLC通過程序控制整個污水處理廠的設備，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)就地控制級(設備層)

將現場控制箱上的“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制。

海興縣污水廠控制系統的拓撲結構與功能配置如圖1 所示：

圖1 控制系統的拓撲結構與配置

2.2 下位PLC系統配置

海興縣污水廠自動控制系統采用北京和利時公司的LK系列PLC作為主控制器對生產過程進行監視和控制。模塊式PLC控制系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，根據控制功能的復雜程度和控制對象的點號統計進行相應的配置。據統計，整個污水廠需要PLC控制的I/O點共829，共分四個PLC控制站：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。各個控制站的功能和分別如下：

(1)污泥脫水機房工作站——1#PLC控制站

負責采集水廠進水水質數據，以及格柵系統、旋流沉砂系統、污泥濃縮系統設備的狀態采集和設備的控制。

(2)鼓風機房工作站——2#PLC控制站

負責采集CASS池水質數據，以及攪拌系統、潷水系統、曝氣系統設備狀態的采集和設備的控制。

(3)曝氣生物濾池工作站——3#PLC控制站

負責采集曝氣生物濾池水質數據，以及二次提升系統、曝氣系統、反沖洗系統設備狀態的采集和設備的控制。

(4)V型濾池工作站——4#PLC控制站

負責采集V型濾池水質數據，以及反沖洗系統、出水系統設備狀態的采集和設備的控制。

總而言之，PLC 控制系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 上位監控系統硬件配置

工程師和操作員站設立在中控室，其主要由兩套互為冗余的操作站、一套投影儀、一臺故障打印機、一臺圖表打印機、一套UPS電源組成。

中控室的兩臺監控操作站，其中一臺為系統監控管理計算機，可對在污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面，另一臺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 污水處理控制系統的軟件設計

3.1下位PLC控制程序開發

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。污水處理工藝流程圖如圖2所示：

圖2 污水處理工藝流程圖

(1)格柵系統控制

格柵系統主控對象為格柵機組、螺旋輸送機以及超聲波液位計。其控制可在監控計算機上設置液位控制和定時控制，當采用液位控制時，是靠格柵的前后液位差來控制格柵機的啟停，當液位差達到設定的水位上限時，PLC控制器會發出命令啟動格柵設備；當水位差小于設置的下限時，格柵機組將接受到PLC控制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)提升泵控制

提升泵的控制工藝要求是根據液位的高低來自動控制提升泵的啟停，項目現場采用兩用一備方式。當其中的泵出現故障時，故障泵會自動切出自控程序，備用泵會自動切入自控程序。這樣長期運行能保證泵的運行時間大致相同。

(3)旋流沉砂池系統控制

旋流沉砂系統主控對象為攪拌器、羅茨風機和砂水分離器。系統工作原理如下：污水從沉砂池的切向進入，具有一定的流速，從而對沙礫產生離心力，使較重的沙礫沿池壁沉降到池底集砂槽。攪拌器的槳葉旋轉形成軸向渦流，產生一個輕微的上升流動，從而帶動污水排出，流入下一道工藝流程進行處理。羅茨風機為旋流沉砂池提供空氣，達到氣提的作用，另外氣提直接將沉砂輸送到砂水分離器，實現沙礫與污水的徹底分離[2]。其控制工藝要求如下：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池系統控制

CASS池系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，此時有機污染物被微生物氧化分解；沉淀階段，微生物利用水中剩余的DO進行進一步氧化分解，活性污泥逐漸沉淀到池底，上層水變清，污泥回流泵將部分活性污泥送回預反應區，剩余污泥泵則將反應池多余污泥抽到污泥脫水間；潷水階段，沉淀結束后，置于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制子程序。

(5)曝氣生物濾池系統控制

曝氣風機其控制工藝要求：曝氣風機為24小時運轉，每天中午12點更換一臺風機，這樣可以保證三臺風機運行的時間大體相等。

反沖洗系統控制主要是控制反洗風機、反洗泵以及閥門來實現反沖洗的功能，每兩天進行一次反沖洗。

(6)V型濾池系統控制

V型濾池系統的自動控制主要是濾池的自動反沖洗功能。子程序控制的主要設備有反洗泵、反洗風機、閥門以及儀表工藝參數，每兩天進行一次反沖洗。

3.2上位機監控系統的實現

本控制系統上位監控系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系統的運行狀態形象、直觀、實時地顯示在中控室的工控機上，使操作員在中控室能實時獲得現場數據和信息并對污水處理廠的運行進行管理。友好的人機界面把分散的、單回路的測控系統進行了統一的管理，另外還有數據報警、歷史數據存儲、報表顯示、趨勢顯示等多種功能。

計算機監控畫面主要包括全廠工藝圖、格柵及沉砂系統、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，各個畫面之間可以實現自由切換，全廠工藝圖如圖3所示：

圖3 海興縣污水廠全廠工藝圖

Fig.3 The flow chart of HaiXing County Sewage Treatment Plant

4 結語

該自動控制系統實行集中控制，分散管理的方式，把管理層和控制層分開，通過對全過程的監控，實現了污水處理整個過程的全自動化運營，保證了污水生產運行的安全可靠，大大提高了污水處理的自動化控制水平和管理水平，減輕了勞動強度，從而提高了生產效率，降低了水廠能耗。其中，PLC 控制器發揮了相當重要的作用。自投產運行以來，控制系統運行平穩，處理水質達到排放標準，不僅改善了人們的生活環境，而且為社會的可持續發展發揮了積極的作用，取得了社會和經濟雙重效益。

參考文獻

[1]羅春，馬立實，吳堅，周超平.論國內城市污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控制[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制；呂衛陽(1971-)，男，北京科技大學機械工程學院副教授，主要研究工業控制及自動化；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，主要從事工業控制及儀表自動化；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。