引言

污水的處理過程比較復雜,一些大型污水處理廠處理過程更為復雜,需要多個控制站對整個污水處理廠設備進行控制,采用大量的在線分析儀表對溫度、液位、pH值、溶解氧濃度等進行監(jiān)測,機械設備通常根據在線分析儀表檢測的數據進行運行狀態(tài)調整。一般來說,一個中小型污水處理廠需要控制的設備的點就有上百個甚至數百個。因此,為了使污水廠在最佳條件下運行,以及減少人力、物力的消耗,應對污水廠控制系統(tǒng)進行合理設計,以有效降低運行成本和管理成本。

為了提高整個污水廠的污水處理效率,降低運行成本,在上位機自動化監(jiān)控界面對污水廠的生產工藝過程及主要設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)視和控制,并將一些在線分析儀表的模擬量數據采集到上位機監(jiān)控界面進行實時顯示,這就需要把整個污水廠的機械設備和儀表按一定的邏輯和順序與PLC相連,把機械設備和儀表的運行數據通過PLC控制站采集到上位機監(jiān)控界面進行顯示。根據設計要求,控制系統(tǒng)最后決定采用IPC+PLC的集散控制系統(tǒng),把監(jiān)控技術、計算機技術、控制技術和顯示技術融合于控制系統(tǒng)的設計中。

1控制系統(tǒng)結構設計

污水處理廠整體工藝流程圖如圖1所示。

污水處理廠的儀器儀表和機械設備一般是購置于不同的生產設備廠商,而且還要考慮污水廠的后期擴建和升級改造,因此,在本項目中采用適用于中小型控制系統(tǒng)的IPC+PLC集散控制系統(tǒng),把監(jiān)控技術、計算機技術、控制技術和顯示技術融合在一起,來完成對整個污水處理廠的運行和管理。

污水處理廠控制系統(tǒng)的整體結構如圖2所示,系統(tǒng)自上而下由三層構成,分別是中央控制室、現(xiàn)場控制站以及就地控制站。

1.1中央控制室

中央控制室屬于監(jiān)控管理層,通常稱為上位機,對污水處理廠的生產過程和工藝參數集成于組態(tài)軟件iF1x上顯示,便于對整個污水處理廠的運行狀態(tài)進行監(jiān)視和控制。

1.2現(xiàn)場控制站

根據污水處理過程的工藝要求以及本系統(tǒng)所采用的集散控制原則,在生產區(qū)內設置了兩個控制站,分別負責各生產工藝階段的參數采集以及設備運行控制。PLC1控制站和PLC2控制站使用工業(yè)以太網進行數據交換和共享,其中PLC1站使用的是西門子的s7一400PLC,PLC2的主站使用的是s7一300PLC。中控室配備有UPs電源進行持續(xù)不間斷供電。

1.2.1第一分控站(PLC1)

PLC控制柜置于變電所中。PLC1控制站主要負責粗格柵、細格柵、進水泵房、沉砂池、氧化溝、消毒車間等工藝流程的自動化控制及數據采集。

1.2.2第二分控站(PLC2)

PLC控制柜置于污泥脫水車間。PLC2控制系統(tǒng)的組成相對復雜,涉及中央控制柜和控制子系統(tǒng)之間的通信,PLC2控制系統(tǒng)主要負責脫水車間儀器儀表設備、板框壓濾機、石灰投加系統(tǒng)的自動化控制和儀器儀表數據采集。在PLC2控制系統(tǒng)中PLC2為主控PLC,負責第二分控站的整體過程工藝控制,從圖2中可以看到,板框壓濾機自帶西門子s7一300PLC,石灰投加系統(tǒng)自帶西門子s7一200PPC,兩個子系統(tǒng)和主控PPC2之間通過ProfiBus一DP通信。觸摸屏和主控PPC2之間的通信方式為工業(yè)以太網,使用觸摸屏可以方便地在污泥脫水車間對現(xiàn)場的設備進行控制以及對工藝參數進行設定和修改。

1.3就地控制站

就地控制站主要包括一些執(zhí)行單元以及各種在線儀器儀表,它們分散于不同的工藝流程中。執(zhí)行單元受就地控制按鈕箱、PPC控制柜上的按鈕開關以及觸摸屏的控制。在線分析儀表將現(xiàn)場采集到的流量、濃度、pH值信號轉換為4~20mA的電流信號送到PPC模擬量輸入模塊(AI)端口,也可以使用ModBus數據采集模塊通過Rs485通信方式對模擬量和數字量信號進行采集,通過AI或者ModBus模塊將模擬量轉換為CPU可以直接處理的數字量信號,然后送到中控室上位機顯示。高壓綜合繼電保護裝置和低壓綜合智能測量裝置通過標準MoDBUsTCPsPAVE連接到工業(yè)以太網,與計算機系統(tǒng)進行通信,將功耗信息采集到上位機組態(tài)界面,顯示主要用電設備的功耗數據和污水廠的總功耗等。

2PLC1控制站系統(tǒng)設計

PPC1控制站設在變配電所,主要負責對粗格柵、提升泵房、細格柵、沉砂池、鼓風機房等生產工藝環(huán)節(jié)的控制,包括對各個車間內的儀器儀表進行數據采集等,主要控制的污水廠設備有:粗格柵機、提升泵、鼓風機等。

2.1PLC1主程序結構

在PPC1主程序中采用了子程序塊調用的模塊化設計,s7一400PPC工作方式為不斷循環(huán)執(zhí)行用戶程序。PPC從sToP模式切換到RUN模式時,CPU執(zhí)行啟動操作程序。程序循環(huán)掃描過程如圖3所示。

2.2粗格柵的控制

粗格柵間是污水處理的第一階段,主要是攔截污水中的塊狀雜物,去除污水中的漂浮物和懸浮狀污染物,調節(jié)污水的pH值,對污水進行初步凈化,以減輕后續(xù)的污水處理負荷。

粗格柵間工作過程中有兩個設備需要聯(lián)動,一臺是粗格柵機,另一臺是螺旋輸送機,其作用分別是過濾雜質及運輸雜質。工作過程如下:通過超聲波液位計測量液位差,把超聲波液位計輸出的4~20mA標準模擬量信號采集到PPC1控制站的AI模塊,CPU模塊對相應的程序和數據進行處理,和格柵間液位差的設定值進行對比,當所采集到的液位差達到設定值后,控制系統(tǒng)會自動開啟粗格柵機進行除渣操作。在粗格柵間,螺旋輸送機和粗格柵機聯(lián)動運行,粗格柵機運行之前螺旋輸送機按照編寫的程序自動開啟,螺旋輸送機在粗格柵機停止一段時間之后自動停止。

粗格柵運行方式:

(1)液位差控制方式:粗格柵運行條件為采集到的格柵液位差計工程信號大于等于0.3m,當液位差降低至0.2m及其以下時,粗格柵機停止運行。

(2)時間控制方式:粗格柵機停止運行達到2h之后,再次開始運轉,運轉2h之后粗格柵機再停止運轉2h,如果粗格柵機還是處于自動位置,控制方式為時間控制,往復按照此規(guī)律運行。

粗格柵機和螺旋輸送機聯(lián)動運行,啟動粗格柵機時,按照編寫的程序首先自動啟動螺旋輸送機,延時40s后粗格柵機啟動;當粗格柵機停止工作之后,螺旋輸送機延時80s停止運轉。

當粗格柵機發(fā)生電機過載故障時,粗格柵機會將故障信號發(fā)送至PPC1控制站,在PPC1控制站和中央控制室均發(fā)出聲光報警信號,出現(xiàn)故障的粗格柵機首先停止運轉,延時80s后螺旋輸送機停止運轉,并關閉進水閘門,防止液位差超過允許上限。當螺旋輸送機發(fā)生故障時,故障信號會發(fā)送至PPC1控制站,立即輸出控制信號使粗格柵機停止運行,發(fā)出聲光報警信號。粗格柵時間控制運行方式流程圖如圖4所示。

2.3提升泵的控制

提升泵房內有兩臺提升泵,其安裝于進水池的底部,在提升泵房設有一套超聲波液位計,用來監(jiān)測提升泵房的液位信號,測量的液位信號以4~20mA的模擬量信號形式輸入到PPC1控制站的AI模塊,PPC控制系統(tǒng)會根據提升泵房內的液位變化來控制提升泵的開啟數量。對提升泵開啟數量的控制是通過事先在PPC中編好的程序來實現(xiàn)的,當泵房水位高于或低于某個設定值時,PPC控制系統(tǒng)將根據軟件程序自動增加或減少水泵的運行臺數。同時,系統(tǒng)也會自動累計每臺提升泵的運行時間,自動對提升泵的運行進行輪換,保證泵的總運行時間基本相等,使兩臺提升泵始終處于最佳運行狀態(tài),延長泵的使用壽命。

污水提升泵的主回路系統(tǒng)中采用三相五線制供電方式,電動機均設置了良好的接地。提升泵電機的控制方式分為手動、自動兩種,手動方式又分為現(xiàn)場控制箱按鈕手動和監(jiān)控手動,正常運行情況下,電機會進行PLC自動控制。

2.4鼓風機的控制

好氧池的溶氧儀實時測量污水中的Do濃度,然后將溶氧儀測量的模擬信號采集到PLC的AI,經過CPU比較、邏輯運算,輸出信號控制鼓風機的開啟和關閉。設定的氧化溝好氧池理想溶解氧濃度為2mg/L,對氧化溝好氧池的控制流程圖如圖5所示。

3PLC2控制站系統(tǒng)設計

PLC2控制站位于脫水車間,主要負責對來自二沉池的污泥進行污泥制備、脫水、泥餅外運處理,脫水車間內的主要設備有板框壓濾機、污泥進料螺桿泵、污泥混凝池攪拌機、傾斜輸送機、FeC13投加泵等。

3.1PLC2控制站電氣原理設計

本污水處理系統(tǒng)嚴格按照GB50054一1995《低壓配電設計規(guī)范》國家標準進行電氣原理圖設計,按照工藝流程中各個設備在車間的分布,分塊設計電氣原理圖。

本系統(tǒng)采用三相五線供電方式,現(xiàn)場所有電機設備都有兩種控制方式:就地按鈕箱控制方式和自動控制方式。就地按鈕箱控制方式需要在現(xiàn)場手動按下運行/停止按鈕,正常情況下電機設備設置為自動控制方式。圖6為PLC2控制站的動力柜電氣原理圖。

圖6中,浪涌保護器用于對間接雷電和直接雷電影響或其他瞬時過壓的電涌進行保護,注意其回路在布置時要與其他回路保持一定的距離:熔斷器的作用是防止三相電壓不平衡時擊穿電源指示燈以及sw1旋轉開關的觸點:電壓選擇開關的作用是分別監(jiān)視相電壓和線電壓的值是否處于正常范圍:電流選擇開關的作用是監(jiān)視U、V、w各相電流值。

3.2板框壓濾機邏輯控制

板框壓濾機是脫水車間PLC2控制站的最主要工藝設備,可以對制備好的污泥進行脫水、壓縮和泥餅外運處理。板框壓濾機(PLC21從站)自帶西門子s7-300PLC,通過ProfiBus-DP網絡和主控PLC1進行通信。板框壓濾機的控制分為四個控制流程,分別為進泥、污泥脫水、卸泥和濾布清洗。總的步序流程圖如圖7所示。

(1)板框壓濾機準備就緒時,發(fā)送就緒信號至PLC2主控站,PLC2發(fā)起啟動命令,并啟動相應的污泥泵。當注泥壓力達到設定值、污泥池液位過低、攪拌泵電機故障或者污泥螺桿泵慢速時,由PLC2控制停止污泥進料,結束進泥。

(2)脫水流程:脫水機啟動隔膜擠壓泵,進行污泥脫水,脫水結束之后進行泄壓。

(3)卸泥流程:卸泥過程中不需要人工進行干預,板框壓濾機PLC21自動完成,板框壓濾機自帶監(jiān)控報警系統(tǒng)。

(4)濾布清洗流程:高壓清洗泵處于自動控制狀態(tài)時,由板框壓濾機PLC21發(fā)出請求信號,PLC2主控站啟動高壓清洗泵,清洗結束時停止。若在運行過程中,清洗水箱處于低液位,則停止高壓清洗泵,并發(fā)出報警。旁通閥處于自動控制狀態(tài)時,由板框壓濾機PLC21發(fā)出請求信號開啟,在濾布清洗時打開,清洗結束后關閉。

3.3脫水車間PLC2控制站軟件實現(xiàn)

PLC2控制站的PLC主程序設計結構和PLC1控制站基本相同,都是采用子程序塊調用的模塊化設計。

脫水車間PLC2控制站主要是對開關量和模擬量的數據采集和輸出控制,開關量的控制主要是根據用戶編寫的程序對車間的各個設備進行邏輯控制。本項目中主要是實現(xiàn)主控PLC對變頻器和電磁流量計模擬信號的采集以及PLC模擬量輸出控制變頻器的頻率,其中模擬量輸入/輸出信號均采用4~20mA的標準電流信號。

據圖8可以得出PLC對1#污泥泵變頻器數據采集、處理和輸出過程。首先變頻器4~20mA輸出信號輸入到PLC的AI模塊,經過A/D轉換為整形數(存放于PIw304中),在PLC程序內部對相應的信號進行處理之前,需要將該整形數轉換成對應變頻器量程的實際物理值MОoHОZU(位于DB1數據塊內),此時需要FC105功能塊實現(xiàn)其功能。然后,當實際物理值處理完畢輸出時,需要把實際的物理值MОoHОZU轉換為整形數(存放于P0w320中),此時需要FC106功能塊實現(xiàn)其功能。最后,經過AО模塊的D/A轉換器將數字量信號轉換為4~20mA標準信號輸出到變頻器,根據變頻器頻率的變化來控制污泥泵設備。

3.4上位機監(jiān)控系統(tǒng)設計

上位機實時監(jiān)控界面是本污水處理控制系統(tǒng)主要的人機交互界面。污水廠控制系統(tǒng)設計項目所使用的上位機組態(tài)軟件為GE公司的iFIx4.0,實現(xiàn)了生產現(xiàn)場的可視化。

實現(xiàn)iFIx上位機監(jiān)控軟件與西門子PLC的通信,通常是使用ОPC服務器收集現(xiàn)場設備PLC的數字量信號和模擬量信號,通過標準的ОPC接口把數據信息傳送到ОPC客戶端。iFIx和西門子s7-300/400PLC的通信是通過simaticNetОPC服務器來實現(xiàn)的。

4結語

污水處理自動控制技術是國家大力發(fā)展的有效保護生態(tài)環(huán)境的重要技術,污水處理廠作為工業(yè)生產和城市污水處理的重要部門,對水資源的保護和污水的循環(huán)利用起到了非常重要的作用。本文結合實際污水處理項目,從系統(tǒng)的整體結構、軟硬件配置,主要機械設備的工作流程圖、控制程序以及上位機組態(tài)界面運行實現(xiàn)等幾個方面,對污水處理控制系統(tǒng)的設計進行了全面闡述。本項目中的污水處理控制系統(tǒng)達到了預期效果,對整個污水處理生產工藝過程實現(xiàn)了監(jiān)控和管理。整個控制系統(tǒng)已安裝調試完畢并順利投產,且運行安全、可靠。