G3系統(tǒng)控制在污水處理的應(yīng)用

肖學(xué)賓，徐 勇，萬(wàn) 杰

（1.四川瀘天化環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，四川 瀘州 646000；2.浙江中控技術(shù)股份有限公司，杭州 310051）

0 引言

新建污水處理廠，采用一體化MBR工藝，污水經(jīng)格柵攔截污水中大部分固體污染物和浮渣后進(jìn)入調(diào)節(jié)池，在調(diào)節(jié)池內(nèi)調(diào)節(jié)水量，均衡水質(zhì)；污水經(jīng)泵提升到一體化裝置缺氧池，在缺氧條件下，兼性異養(yǎng)細(xì)菌利用或部分利用污水中的有機(jī)碳原子為電子供體，以硝酸鹽替代分子氧作電子受體，進(jìn)行無(wú)氧呼吸，分解有機(jī)質(zhì)；同時(shí)，將硝酸鹽中氮還原成氣態(tài)氮，至此完成硝化反應(yīng)，污水自流入好氧池；好氧池內(nèi)設(shè)有微孔曝氣系統(tǒng)及滿足好氧菌生長(zhǎng)的生物載體，微生物附著生長(zhǎng)于生物載體之上，將污水中的CODcr、BOD5等絕大部分污染物去除后，污水自留進(jìn)入膜池；膜池內(nèi)利用膜分離組建分離出清液，同時(shí)配以除磷加藥裝置，以保證穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。出水通過(guò)產(chǎn)水泵進(jìn)入過(guò)渡池，流經(jīng)水過(guò)濾器，最后進(jìn)入紫外線消毒渠后，污水達(dá)標(biāo)排放。生活污水處理后出水可達(dá)城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB18918-2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

中心村污水處理廠分別在城鎮(zhèn)不同地域，距離遠(yuǎn)、測(cè)點(diǎn)較少，控制點(diǎn)數(shù)多為DI/DO為主，模擬量相對(duì)較少，系統(tǒng)以測(cè)點(diǎn)監(jiān)控為主，無(wú)復(fù)雜聯(lián)鎖控制。為滿足污水處理廠生產(chǎn)管理和工藝過(guò)程對(duì)自動(dòng)化的要求，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守運(yùn)行，采用具備實(shí)用性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、開放性的G3 PLC控制系統(tǒng)滿足污水處理廠工藝監(jiān)控、控制要求。

1 G3控制系統(tǒng)

圖1 硬件構(gòu)成配置圖Fig.1 Hardware composition configuration diagram

表1 硬件配置Table 1 Hardware configuration

G3分布式測(cè)控系統(tǒng)以一體化控制器為核心單元，具有控制運(yùn)算、數(shù)據(jù)采集和通訊處理等功能。實(shí)用的模塊化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，用戶可根據(jù)需求選配所需功能模塊，包括報(bào)表、報(bào)警、事件記錄、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)等，最大程度上滿足用戶各種定制方案，可廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域及環(huán)境監(jiān)測(cè)、污水處理等環(huán)保新興領(lǐng)域[1]。同時(shí)具有遠(yuǎn)程訪問能力強(qiáng)、安裝靈活、環(huán)境適應(yīng)性高，系統(tǒng)快速性、簡(jiǎn)單靈活性特點(diǎn)。部件采用 UCP 統(tǒng)一控制協(xié)議與過(guò)程控制層相連，接收相關(guān)的管理命令，向上傳遞工藝裝置的特性數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層設(shè)備實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。

1.1 硬件構(gòu)成

G3控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)小點(diǎn)數(shù)單機(jī)控制，并支持現(xiàn)場(chǎng)各種惡劣環(huán)境及小型空間的安裝，以控制器GCU331為核心的控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)由主模塊、從模塊和終端模塊組成。污水處理廠G3系統(tǒng)配置硬件組成：主模塊為控制器GCU331，7塊DIO331從模塊，2塊DI311從模塊、終端模塊固定不變，用于實(shí)現(xiàn)總線終端匹配功能。一臺(tái)嵌入式一體機(jī)作為上位機(jī)系統(tǒng)，是操作人員完成過(guò)程監(jiān)控管理任務(wù)的人機(jī)界面。操作平臺(tái)采用中控自主開發(fā)的VxSCADA監(jiān)控軟件，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，人機(jī)界面友好，操作方便，可完成數(shù)據(jù)、報(bào)警狀態(tài)的顯示及記錄。硬件構(gòu)成配置見圖1。

PLC配置：主控制器、從模塊、終端模塊。硬件配置見表1。

1.2 軟件構(gòu)成

軟件配置：GCSContrix系統(tǒng)軟件包包括：控制站組態(tài)軟件GCSContrix、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組態(tài)軟件GCSSysbuilder、設(shè)備管理軟件GCSManager，以及其他系統(tǒng)工具等。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)GCS控制器系統(tǒng)工程配置、系統(tǒng)組態(tài)、實(shí)時(shí)通信、任務(wù)配置、系統(tǒng)管理、故障診斷、在線調(diào)試等一系列豐富的功能[2]。

VxSCADA綜合監(jiān)控軟件是一款大規(guī)模分布式綜合監(jiān)控軟件。軟件在常規(guī)的分布式生產(chǎn)信息采集、監(jiān)視功能基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地引入對(duì)象概念，支持對(duì)象化建模和靈活的腳本開發(fā)，使傳統(tǒng)組態(tài)開發(fā)從以工程為單位模式向系統(tǒng)化、模塊化發(fā)展[3]。用戶可根據(jù)需求選配（綜合監(jiān)控軟件、報(bào)表軟件、遠(yuǎn)程報(bào)警通知軟件、組態(tài)軟件、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)軟件）等所需功能模塊，最大程度上滿足用戶各種定制方案，通過(guò)I/O總線將現(xiàn)場(chǎng)信息向主控制器傳送；通過(guò)監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)多種工況綜合監(jiān)控，明確故障信息，保障工藝系統(tǒng)或設(shè)備安全。

2 網(wǎng)絡(luò)通訊

G3一體化控制器支持MODBUS TCP、MODBUS RTU、DNP3通訊協(xié)議和自定義通訊協(xié)議。開放的通訊接口容易和任何智能設(shè)備進(jìn)行通訊，同時(shí)也容易集成到公司的大數(shù)據(jù)平臺(tái)信息系統(tǒng)中。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 I/O組態(tài)

系統(tǒng)I/O組態(tài)是對(duì)一體化控制器GCU311、從模塊（輸入/輸出）、OPC服務(wù)器等硬件、軟件進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置組態(tài)。

污水處理廠的I/O組態(tài)包括模擬量AI、數(shù)字量（DI、DO）、OPC-Server通訊進(jìn)行卡件設(shè)置、通道分配，除設(shè)置位號(hào)、描述及報(bào)警狀態(tài)外，根據(jù)信號(hào)類型及工藝參數(shù)的不同，對(duì)信號(hào)類型、屬性等參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)組態(tài)設(shè)置。I/O點(diǎn)配置情況見表2。

3.2 控制方案簡(jiǎn)介

G3系統(tǒng)提供強(qiáng)大組態(tài)功能軟件，針對(duì)污水處理工藝編程，提供FBD功能塊就能滿足要求。針對(duì)機(jī)泵特殊的功能需求，需要自定義控制方案，自定義特殊的FBD功能塊，通過(guò)控制站編譯的FBD功能塊編程語(yǔ)言和LD梯形圖編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)機(jī)泵的順序控制、聯(lián)鎖邏輯控制等功能。

3.2.1 機(jī)泵控制

圖2 機(jī)泵控制功能塊圖Fig.2 Machine pump control function block diagram

圖3 正常模式順控Fig.3 Normal mode control

圖4 提升泵聯(lián)鎖Fig.4 Lifting pump interlock

表2 I/O點(diǎn)配置情況Table 2 I/O Point configuration

每個(gè)機(jī)泵都有3種控制方式：就地、手動(dòng)、自動(dòng)。當(dāng)自動(dòng)控制時(shí)，可完全實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)邏輯控制，無(wú)需人工任何操作。當(dāng)工藝發(fā)生異常變化或機(jī)泵故障時(shí)，可及時(shí)手動(dòng)或就地人工干預(yù)，操作人員根據(jù)監(jiān)控參數(shù)及機(jī)泵運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)兼顧現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，人工調(diào)整，及時(shí)消除缺陷，解決異常工況故障，恢復(fù)正常工藝運(yùn)行。機(jī)泵控制功能塊見圖2。

3.2.2 順控邏輯

污水處理MBR膜工藝順控邏輯控制有3種模式：正常模式、異常模式、反洗模式。本文以正常運(yùn)行模式為例。

正常模式：當(dāng)污水經(jīng)調(diào)節(jié)池泵提升到一體化MBR設(shè)備后，經(jīng)過(guò)厭氧、富氧及膜分離、除磷等產(chǎn)水工藝處理，相應(yīng)自吸產(chǎn)水泵根據(jù)MBR膜的特性要求，設(shè)置適當(dāng)運(yùn)行、靜默時(shí)間，同時(shí)對(duì)應(yīng)電動(dòng)閥同步啟閉及除磷加藥泵及攪拌器同步啟停。正常模式順控邏輯見圖3。

3.2.3 聯(lián)鎖

污水處理MBR工藝聯(lián)鎖邏輯比較簡(jiǎn)單、功能少，主要涉及調(diào)節(jié)池提升泵啟停、產(chǎn)水泵啟停、過(guò)渡池提升泵啟停等邏輯聯(lián)鎖。本文以一體化MBR工藝設(shè)備調(diào)節(jié)池提升啟停為例。

1）調(diào)節(jié)池提升泵啟動(dòng)：調(diào)節(jié)池液位正常，且膜區(qū)液位計(jì)低液位。

2）滿足任意一項(xiàng)條件，調(diào)節(jié)池提升泵停泵：① 膜區(qū)液位超高，調(diào)節(jié)池提升泵停止運(yùn)行；② 調(diào)節(jié)池低液位，調(diào)節(jié)池提升泵停止運(yùn)行。提升泵聯(lián)鎖邏輯見圖4。

3.3 上位機(jī)畫面

VxSCADA 畫面與監(jiān)控組態(tài)，可以對(duì)測(cè)控點(diǎn)分散的過(guò)程或設(shè)備進(jìn)行本地或遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能。污水處理廠上位機(jī)監(jiān)控畫面分5頁(yè)：主畫面、參數(shù)設(shè)置、設(shè)備操作、趨勢(shì)、報(bào)警。現(xiàn)場(chǎng)操作人員通過(guò)“主畫面”流程圖監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制點(diǎn)異常狀況，通過(guò)“參數(shù)設(shè)置”界面設(shè)置合適的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)“設(shè)備操作”界面實(shí)施機(jī)泵手自動(dòng)切換，通過(guò)“趨勢(shì)、報(bào)警”界面查詢現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備異常狀態(tài)及報(bào)警信息，及時(shí)提供準(zhǔn)確診斷，利于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安全維護(hù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

G3分布式控制系統(tǒng)是面向廣泛自動(dòng)化測(cè)控應(yīng)用，支持復(fù)雜的組網(wǎng)和分布式應(yīng)用，并易和通用監(jiān)控軟件構(gòu)建綜合集成控制系統(tǒng)。人機(jī)界面友好，操作比較簡(jiǎn)單，上機(jī)熟悉快。具有操作簡(jiǎn)單，安全性高，可靠性強(qiáng)，智能化等特點(diǎn)。針對(duì)污水處理廠位置分散、距離遠(yuǎn)、巡檢難、人員素質(zhì)普遍不高情況下，在調(diào)試運(yùn)行過(guò)程中，突出了高度的智能化控制，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，避免了人為的操作失誤，提高生產(chǎn)效率，確保污水處理廠安全運(yùn)行。