基于PLC的電氣自動化控制水處理系統(tǒng)研究

周友志

摘 要：現(xiàn)階段，國內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展的同時，也帶來了較為嚴(yán)重的水污染問題，不利于經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展，因此，水處理問題已引發(fā)高度關(guān)注。本文對水處理中PLC技術(shù)的應(yīng)用做了全面的系統(tǒng)化分析，基于PLC技術(shù)對電氣自動化控制水處理系統(tǒng)進(jìn)行了硬件及軟件設(shè)計，結(jié)合實際應(yīng)用案例做了比較分析。

關(guān)鍵詞：PLC；自動化；控制；水處理

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

目前，經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展帶來了較為嚴(yán)重的水污染問題，伴隨生態(tài)環(huán)境的惡化，目前水污染問題也得到廣泛重視，并充分利用快速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)實現(xiàn)水污染問題的治理。在水處理問題中，PLC技術(shù)的應(yīng)用使得其電氣自動化水平有了整體提升，實踐表明，水處理效率得到極大改善，且有效地控制了能源消耗問題。隨著全球水資源供應(yīng)的緊張和對自動化要求的增加，水處理方式將朝著更加高效節(jié)能、高度自動化和無人值守的方向發(fā)展。目前，PLC在其穩(wěn)定性和高度自動化程度的不斷加強(qiáng)，使PLC成為在城市污水處理自動化方面的首選。

1 PLC在水處理中的功能

由PLC、在線監(jiān)測儀表等組成的污水處理廠綜合自動化系統(tǒng)，是污水工藝處理順利達(dá)到預(yù)期效果的重要手段。其實現(xiàn)的主要功能有3個方面：其一是保證工藝處理生產(chǎn)過程的高效，減輕勞動強(qiáng)度，改善操作環(huán)境；其二是實現(xiàn)工藝處理優(yōu)化運(yùn)行和生產(chǎn)智能化調(diào)度；其三是實現(xiàn)污水廠信息化管理，達(dá)到節(jié)能降耗、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

2 污水處理工藝流程

該污水處理廠設(shè)計日均處理污水10萬噸，采用MBR處理工藝，去除COD、BOD5、SS等污染指標(biāo)的同時，同步去除氮磷，使出水中的TN、NH3-N達(dá)到再生水出水水質(zhì)的要求。處理后出水再經(jīng)過臭氧接觸氧化等深度處理工藝，使有機(jī)物、嗅味、色度等污染指標(biāo)得到進(jìn)一步去除。工藝流程簡圖如圖1所示。

MBR處理工藝具有占地面積小、處理效果好、污泥性質(zhì)穩(wěn)定?？朔藗鹘y(tǒng)工藝中出水水質(zhì)不夠穩(wěn)定、污泥容易膨脹等不足，同時該污水處理系統(tǒng)出水水質(zhì)滿足《再生水回用于景觀水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，達(dá)到再生水水質(zhì)要求。

3 基于PLC的電氣自動化控制水處理系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)概述

污水處理廠自動化控制包含遠(yuǎn)程輸入輸出單元（RI/O）、PLC控制站（LCS）、中央監(jiān)控站（CCS）、數(shù)據(jù)服務(wù)器（SEV）以及工廠計算機(jī)管理系統(tǒng)（CMS），通過現(xiàn)場高速數(shù)據(jù)網(wǎng)及1000M光纖工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)組成全廠自控系統(tǒng)，完成對工藝過程的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控及管理。主要設(shè)備控制方式采用就地控制、遠(yuǎn)程手動控制、遠(yuǎn)程自動控制的3層控制模式?？刂萍墑e由低到高為現(xiàn)場手動控制、遠(yuǎn)程手動控制、自動控制。 在正常運(yùn)行狀態(tài)時，全廠采用遠(yuǎn)程自動運(yùn)行方式。

3.2 控制單元的劃分

根據(jù)工藝流程和總平面布置，以就近采集和單元控制為劃分子控制系統(tǒng)的原則，設(shè)有5個PLC控制站，分別為預(yù)處理控制站（粗格柵、提升泵房、細(xì)格柵、沉砂池、碳源投加間、膜格柵、進(jìn)廠水水質(zhì)監(jiān)測），變配電站控制站（生化池、鼓風(fēng)機(jī)房、變配電站等），脫水間控制站（污泥濃縮脫水間、貯泥池等），MBR控制站（膜設(shè)備間、膜池等），臭氧發(fā)生間控制站（臭氧發(fā)生間、臭氧接觸池、消毒接觸池、紫外消毒系統(tǒng)、出廠水水質(zhì)監(jiān)測等）。

3.3 硬件設(shè)計

PLC控制站采用西門子CPU 410 Smart控制器及ET 200 PA Smart系列IO模塊，有冗余及不冗余兩種解決方案。本工程中針對重要的MBR控制站采用冗余方案，其他PLC控制站采用非冗余方案。CPU 410 Smart配備有兩個獨立的Profibus IO接口，標(biāo)配帶防護(hù)涂層（防護(hù)級別G3），集成48MB的裝載儲存器，CPU主頻450MHz，平均處理時間110μs，最大IO尋址范圍16KB輸入/輸出。ET 200 PA支持Profibus總線冗余，通過兩個互為備份的接口模塊分別連接到兩個控制器下的總線中，兩個接口模塊可進(jìn)行無縫切換。

3.4 軟件設(shè)計

軟件部分采用PCS7 Smart軟件，包含工程組態(tài)系統(tǒng)和操作員系統(tǒng)。工程組態(tài)系統(tǒng)可組態(tài)基于CPU 410 Smart的控制平臺，并可充分使用APL功能庫、控制模板等完成項目程序的編寫；操作員系統(tǒng)可在工程組態(tài)中通過編譯自動生成基本數(shù)據(jù)，包括變量、消息及畫面操作圖元。污水處理軟件可以顯示整個污水處理廠工藝流程、設(shè)備操作、參數(shù)設(shè)定及生產(chǎn)現(xiàn)場情況，以促進(jìn)生產(chǎn)的順利和高效進(jìn)行。除污水處理所需的控制功能外，該系統(tǒng)還包含了生產(chǎn)管理功能，如歷史趨勢查詢，故障信息處理，生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理，報表生成和打印、網(wǎng)絡(luò)瀏覽功能、數(shù)據(jù)共享、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

4 實際應(yīng)用分析

以MBR控制站為例，其控制范圍包括：膜產(chǎn)水系統(tǒng)、維護(hù)行清洗系統(tǒng)、恢復(fù)性清洗系統(tǒng)、風(fēng)管反洗系統(tǒng)、剩余污泥系統(tǒng)、混合液回流系統(tǒng)、儀表風(fēng)系統(tǒng)。傳統(tǒng)控制中各MBR膜單元的產(chǎn)水管流量計與產(chǎn)水泵變頻器作PID控制，恒流量產(chǎn)水，操作人員根據(jù)來水情況手動設(shè)置膜單元的產(chǎn)水量。實際上市政污水處理廠的進(jìn)水量不穩(wěn)定，特別是夜間波動范圍大，導(dǎo)致班組操作人員夜間必需時刻關(guān)注來水水量，并根據(jù)來水情況手動調(diào)整各MBR膜單元的產(chǎn)水量，操作強(qiáng)度很大。本工程在各MBR膜單元的恒流量控制的基礎(chǔ)上，加入膜池的進(jìn)水渠液位控制，使膜池的進(jìn)水渠液位控制在設(shè)定范圍內(nèi)，MBR膜單元的產(chǎn)水量隨膜池的進(jìn)水渠液位變化而自動調(diào)節(jié)。由液位PID曲線（圖2）可見，設(shè)定的液位值與液位變送器的反饋值吻合度較好，能夠滿足實際運(yùn)行需求，減輕了操作人員工作強(qiáng)度并防止了不合理的膜單元產(chǎn)水量設(shè)定。

具體控制方法為：膜池的進(jìn)水渠液位設(shè)置在3.9～4.1，每隔一定時間（液位判斷周期）采集一次進(jìn)水渠液位計數(shù)值。在液位判斷周期內(nèi)，如果液位高于設(shè)定范圍，產(chǎn)水泵則按設(shè)定的流量增加值增加產(chǎn)水流量，反之則減少；如果液位在設(shè)定范圍內(nèi)，則產(chǎn)水泵流量不變。當(dāng)瞬時來水量變化較大時，產(chǎn)水增減量數(shù)值應(yīng)該變大，同時液位判斷周期縮短；反之當(dāng)瞬時來水量變化較小時，產(chǎn)水增減量數(shù)值應(yīng)該變小，同時液位判斷周期適當(dāng)延長。

結(jié)語

在水處理控制系統(tǒng)的應(yīng)用中目前主要采用以下三大類控制模式，即手動控制、半自動化控制以及全自動化控制，其對人力的依賴程度依次遞減，控制水平及精度依次提升，其中，全自動化控制借助于工業(yè)計算機(jī)控制技術(shù)實現(xiàn)水處理過程的信號及數(shù)據(jù)同步，可靠性較高。本文基于AS 410 PLC設(shè)計水處理控制系統(tǒng)，極大地提升了實際控制過程的精度以及自動化水平，大大提升了水處理效率。

參考文獻(xiàn)

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