基于PLC的污水處理中心自控及監(jiān)控系統(tǒng)

李曉輝，鄭 晟，孫彥鵬

（太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）

近年我國的污水處理行業(yè)雖然取得了較大發(fā)展，但仍然存在污水處理廠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低、設(shè)備和工藝技術(shù)落后等問題。污水處理工藝與其他工藝過程相似，需要在一定的溫度、壓力、流量、液位等工藝條件下進(jìn)行。污水處理的可變因素較多，水量、濃度、溫度、氣量、微生物狀態(tài)、機(jī)械運(yùn)行和系統(tǒng)控制情況等，都會(huì)影響污水處理效率以及功能，因此盡快建立自動(dòng)化程度較高的污水處理廠并高效運(yùn)作已經(jīng)成為當(dāng)下刻不容緩的任務(wù)[1]。

根據(jù)污水處理中心綜合情況，結(jié)合國際國內(nèi)的先進(jìn)技術(shù)以及經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步強(qiáng)化污水處理中心自控和計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能夠即時(shí)監(jiān)控污水處理的每道工序，即控工藝。監(jiān)控泵站設(shè)備運(yùn)行，使機(jī)組能達(dá)到計(jì)算機(jī)控制優(yōu)化運(yùn)行；組建上位機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)過上位機(jī)將泵站運(yùn)行參數(shù)、污水濃度、排水流量、水位高低等工情以及水情信息形象展示出來。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)還能夠以視頻形式全方位的監(jiān)視污水處理中心重點(diǎn)區(qū)域，為操作員及時(shí)作出反應(yīng)提供技術(shù)保障。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

1）強(qiáng)化泵站自控系統(tǒng)，增強(qiáng)泵站自控可靠性，提高自控水平，達(dá)到泵站優(yōu)化運(yùn)行的目的，運(yùn)用組態(tài)軟件 （ACCRDB9.0）監(jiān)控工藝流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2）建立廠區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，使管理者能實(shí)時(shí)了解廠區(qū)重點(diǎn)區(qū)域的情況。

2 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)

污水處理中心自控系統(tǒng)包含兩個(gè)子系統(tǒng)，泵站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)與廠區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1 泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)

工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Flow chart of production process

根據(jù)污水處理工藝流程圖，整個(gè)泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)分為3個(gè)站，站間相互獨(dú)立地構(gòu)成各自系統(tǒng)，最后各個(gè)站的信息全部通過交換機(jī)送達(dá)上位機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和管理。泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)包括11臺(tái)變頻器和3臺(tái)PLC控制箱以及所屬配電柜。

2.1.1 1號(hào)現(xiàn)場(chǎng)控制站

1號(hào)現(xiàn)場(chǎng)控制站主要控制設(shè)備包括城區(qū)管網(wǎng)污水進(jìn)水管的4個(gè)電動(dòng)閥，粗格柵提升泵房（6臺(tái)泵，3臺(tái)變頻控制，3臺(tái)軟啟動(dòng)控制）中3臺(tái)變頻控制泵，細(xì)格柵間的1個(gè)空壓機(jī)、3臺(tái)泵和3個(gè)電動(dòng)進(jìn)水閥，沉砂池的5臺(tái)電動(dòng)排泥調(diào)節(jié)閥，1臺(tái)沙水分離器，變頻泵能根據(jù)工藝要求設(shè)定成液位控制方式和流量控制方式[2]。

本系統(tǒng)所采用控制器為西門子S7-300控制器，控制信息通過工業(yè)以太網(wǎng)模塊傳到上位機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用以太網(wǎng)模塊管理，變頻器速度給定和調(diào)節(jié)閥開口度在上位機(jī)直接給定，上位機(jī)能實(shí)時(shí)讀出變頻器反饋速度與調(diào)節(jié)閥開口度，每個(gè)泵的開啟都可以在上位機(jī)上面進(jìn)行[3]。很多重要信息都能夠在上位組態(tài)畫面很直觀的顯示出來，如泵的運(yùn)行信號(hào)、污水濃度、變頻器故障信號(hào)、流量大小、液位高低、閥的開關(guān)到位信號(hào)等。

2.1.2 2號(hào)現(xiàn)場(chǎng)控制站

2號(hào)PLC控制站主要控制設(shè)備包括厭氧池潛水?dāng)嚢杵?臺(tái)，氧化溝表面曝氣機(jī)12臺(tái)，根據(jù)水中溶解氧的濃度測(cè)定來控制污泥回流泵房的5臺(tái)回流泵，3臺(tái)排泥泵，二沉池的2臺(tái)刮泥機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)采用控制器為西門子S7-300控制器與一個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，本站控制原理與1號(hào)站相同。

2.1.3 3號(hào)現(xiàn)場(chǎng)控制站

3號(hào)PLC控制站主要控制設(shè)備有接觸池反沖洗泵3臺(tái)，污泥泵房的帶式壓濾機(jī)2臺(tái)等。該站需完成兩項(xiàng)任務(wù)：一是對(duì)SBR輸出水進(jìn)一步加藥處理，除去水中有害微生物，使水質(zhì)達(dá)標(biāo)；二是將排出的污泥進(jìn)行加藥處理，并加入適量化肥進(jìn)行烘干[4]。

系統(tǒng)采用西門子S7-200控制器[5]，控制信息通過工業(yè)以太網(wǎng)模塊傳到上位機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用以太網(wǎng)模塊管理，能夠在上位機(jī)直接控制泵的起停，監(jiān)視泵的起停狀態(tài)。 兩臺(tái)上位機(jī)位于中控室中，依據(jù)實(shí)際工藝流程繪制相應(yīng)組態(tài)畫面，對(duì)污水處理工藝流程進(jìn)行監(jiān)控。

2.2 廠區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

隨著經(jīng)濟(jì)水平和科技的飛速發(fā)展，人們對(duì)安全的要求也原來越高，因此監(jiān)控行業(yè)在全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展，監(jiān)控技術(shù)也得到進(jìn)一步發(fā)展[6]。根據(jù)污水處理中心現(xiàn)實(shí)情況，在中心的4個(gè)角落安裝4臺(tái)，厭氧池1臺(tái)，氧化溝2臺(tái)，沉砂池1臺(tái)，綜合樓1臺(tái)，共9臺(tái)攝像頭建立廠區(qū)視屏監(jiān)控系統(tǒng)，管理者可以足不出戶實(shí)時(shí)監(jiān)控重點(diǎn)區(qū)域。

2.2.1 攝像部分

攝像部分是監(jiān)控系統(tǒng)的“眼睛”，它布置在被監(jiān)視場(chǎng)所的特定位置上，使其視場(chǎng)角能覆蓋整個(gè)被監(jiān)視的各個(gè)部位。在攝象機(jī)上加裝電動(dòng)的（可遙控的）可變焦距（變倍）鏡頭，使攝象機(jī)所能觀察的距離更遠(yuǎn)、更清楚，攝象機(jī)安裝在電動(dòng)云臺(tái)上，用控制器控制，可以使云臺(tái)帶動(dòng)攝象機(jī)進(jìn)行水平及垂直方向的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使攝象機(jī)能覆蓋的視覺面積達(dá)到最大。最后把監(jiān)視內(nèi)容轉(zhuǎn)換為圖象信號(hào)，傳輸給控制中心的監(jiān)視器。

圖2 PLC控制流程圖Fig.2 PLC flow chart

2.2.2 傳輸部分

傳輸部分是系統(tǒng)圖象、聲音、控制等信號(hào)的通道，采用光纖方式傳輸，要求圖像信號(hào)經(jīng)過傳輸系統(tǒng)不能產(chǎn)生明顯失真（色度信號(hào)與亮度信號(hào)均不產(chǎn)生明顯的失真），保證原始圖像的灰度和清晰度不能有明顯下降。

2.2.3 控制部分

控制部分是整個(gè)系統(tǒng)的指揮中心，控制部分主要由總控制臺(tái)（有些系統(tǒng)包含副控制臺(tái)）組成，總控臺(tái)主要功能：視頻信號(hào)放大與分配、圖象信號(hào)切換、圖象信號(hào)校正與補(bǔ)償、圖象信號(hào)記錄等；對(duì)攝象機(jī)、電動(dòng)變焦鏡頭、云臺(tái)等進(jìn)行遙控，達(dá)到對(duì)所監(jiān)視場(chǎng)所全面、細(xì)致的了解；對(duì)系統(tǒng)防區(qū)進(jìn)行布防、撤防等。當(dāng)防區(qū)出現(xiàn)非法入侵，報(bào)警信號(hào)立刻傳送到總控制臺(tái)，能夠顯示報(bào)警防區(qū)、閃光燈、聯(lián)動(dòng)警號(hào)、前端燈光等設(shè)備。

2.3 系統(tǒng)軟件及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

ACC-RDB9.0監(jiān)控組態(tài)軟件開發(fā)過程采用先進(jìn)軟件工程方法：“測(cè)試驅(qū)動(dòng)開發(fā)”，使產(chǎn)品品質(zhì)得到了充分的保證，單臺(tái)服務(wù)器處理點(diǎn)數(shù)可達(dá)100 000點(diǎn)，支持多臺(tái)服務(wù)器相互通信，具有控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù) 、報(bào)警、記錄、趨勢(shì)、報(bào)表生成等功能。交換機(jī)選用4臺(tái)MOXA工業(yè)以太網(wǎng)冗余交換機(jī)組成以太環(huán)網(wǎng)，MOXA支持SNMP協(xié)議，可方便地通過串口、telnet進(jìn)行管理。專用網(wǎng)管軟件Kyvision3.0能夠觀察網(wǎng)絡(luò)上每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)置，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)全面監(jiān)視，可以實(shí)現(xiàn)全面的負(fù)載和故障分析，Kyvision3.0的交互式用戶界面如圖3所示，以及設(shè)備圖案化使網(wǎng)絡(luò)管理更直接、更方便、更易于理解，工作組方式的管理，使VLAN的劃分以及管理更方便。污水處理中心自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖4所示。

3 結(jié) 論

圖3 Kyvision網(wǎng)絡(luò)管理軟件主界面Fig.3 Kyvision host interface

圖4 污水處理中心自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.4 Automatic network topology of sewage disposal

文中構(gòu)建了以西門子S7-300為控制核心的污水處理自控及監(jiān)控系統(tǒng)，描述了工藝設(shè)計(jì)和自動(dòng)控制及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)工藝流程整個(gè)泵站控制部分分為3個(gè)站，站間相互獨(dú)立構(gòu)成系統(tǒng)，各個(gè)站的全部信息經(jīng)過交換機(jī)最后到達(dá)上位進(jìn)行統(tǒng)一管理，根據(jù)污水處理中心實(shí)際情況，布設(shè)9臺(tái)攝像頭組成廠區(qū)視屏監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管理者能在中控室內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控廠區(qū)的各個(gè)角落。該系統(tǒng)有較好的擴(kuò)展功能，實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)型，實(shí)現(xiàn)了集中管理，分散控制，使系統(tǒng)的可靠性增強(qiáng)，危險(xiǎn)性降低。

[1]王東云，牛正光.CompactLogix PLC在污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008（6）：88-93.WANG Dong-yun，NIU Zheng-guang.Application of Compact Logix PLC in sewage disposal system [J].Application of Electronic Technique，2008（6）:88-93.

[2]趙曙光.可編程邏輯器件原理、開發(fā)與應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

[3]廖常初.S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.

[4]周文明，鄒曉嵐，熊勝利.自動(dòng)控制系統(tǒng)在水廠中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化博覽，1999（3）:18-19.ZHOU Wen-ming，ZOU Xiao-lan，XIONG Sheng-li.Application of automatic control system in water plant[J].Automation Panorama，1999（3）:18-19.

[5]Siemens.西門子S7-200可編程控制器系統(tǒng)手冊(cè)[EB/OL]（2004-06）[2011-08-16].http://www.processtext.com/abcpdfmg.htm l.

[6]Schulzrinne H，Casner S，F(xiàn)rederich R，et al.RTP:A transport protocol for real-time applications[J].RFC 1889，1996（1）:1-79.