北京和利时智能技术有限公司

    （北京和利时自动化驱动技术有限公司，北京 100176） 胡汉青，于进
               
    胡汉青  男，北京和利时自动化驱动技术有限公司项目销售部总经理，多年来一直致力于市政行业自动化系统的应用，曾担任和利时公司水务总监。

    摘要：根据污水处理厂工艺要求，文章提供了一种降低成本、节省空间、更优化的控制方案，介绍了控制系统组成和软件设计思路。

    关键词：LK PLC；污水处理厂自控系统

    1 引言

    二十一世纪被称为“水的世纪”，水资源的日趋匮乏已成为影响各国经济发展和社会安定的战略性问题。水资源的短缺，已经把污水处理行业的发展提升到了前所未有的高度，推动着污水处理产业的进一步发展与市场化。

    永安污水处理厂是咸宁市城区继温泉污水处理厂后的第二个BOT项目。由业内知名企业天津创业环保股份有限公司投资8000万元建设，并获得该厂30年特许经营权。永安污水处理厂位于咸安区向阳湖镇，占地144亩。一期工程建设规模为6万吨/日，二期建成后总规模将达到12万吨/日。建成投入运营后，咸宁市污水集中处理量将由3万吨/日提高到9万吨/日，污水处理工艺为改良型氧化沟，厂内主要构筑物包括粗格栅间、进水泵房、细格栅间、旋流沉沙池、改良型氧化沟、配水排泥井及污泥泵房、二次沉淀池、接触消毒池、出水泵房和污泥浓缩及脱水车间。

    2 控制系统设计

    2.1 概述

    污水处理厂的控制系统设计基于现代先进控制思想，采用分散控制、集中监测管理的控制方式，以和利时公司LK系列可编程控制器（PLC）为核心的控制系统。LK自动化控制系统应用于污水处理厂，完全能满足污水处理工艺的要求，提供了一种高可靠性、低成本、更优化的控制方案。

    LK是和利时公司在总结十多年控制系统设计和几千个工程项目实施经验基础上推出的适用于中、高性能控制领域的产品，CPU模块集成工业级处理器（主频可达533MHz），指令处理速度可达13ns。相对传统PLC而言，LK可编程控制器充分融合了DCS和PLC的优点，采用了高性能的模拟量处理技术、小型化的结构设计、开放的工业标准、通用的系统平台，使产品不仅具有强大的功能和卓越的性能，而且具有更高的可靠性、更佳的开放性和易用性。
                 
    2.2 系统结构
                 
                                  图1  系统结构图
    整个系统由1个中央控制室、3个现场P LC控制站组成。现场PLC控制站，由PLC系统及检测仪表组成，对污水处理厂各工艺过程进行分散控制；再由中央控制室（CCR）对全厂实行集中管理。中央控制室、PLC控制站之间的数据通讯采用高速的、实时的工业以太网，网络结构为环形，通讯速率为100Mbps，传输介质为光纤。中央控制站设于综合楼中控室；现场控制站设3个，分别位于进水泵房（1＃PLC控制站）、氧化沟（2＃PLC控制站）、出水泵房（3＃PLC控制站），均采用和利时公司LK系列PLC。

    整个系统采用二级网络结构，即生产管理网和生产控制网，将过程实时数据、运行操作监视数据信息同非实时信息及共享资源信息分开，分别使用不同的网络。有效地提高了通讯的效率，降低了通讯负荷。生产管理网采用工业以太网，网络结构为环形，传输介质为光纤。生产控制网采用现场总线形式，采用PROFIBUS国际通用的开放式现场总线，传输介质为屏蔽双绞线。

    污水处理厂自动化控制系统设计为三种控制方式，三种方式的级别由高到低依次为就地手动、远程手动、远程自动。

    2.3 工艺控制策略

    ☆ 粗格栅控制

    粗格栅间设有粗格栅2台及皮带输送机1台、液位差计两套、电动闸门4套。

    中央控制室可以对粗格栅实现远程监视与远程控制，开、关控制信号由上位机给出，监视信号包括运行、故障和自动状态。

    对于粗格栅的控制方法包括：1）时间间隔控制；2）根据粗格栅前后液位差计的测量值，当液位差大于设定值（200mm）时，格栅开始运行，直到液位差恢复为正常设定值时，粗格栅停止运行；3）两种自动控制方式中，以液位差控制优先；4）同时要求粗格栅与进水泵的开停实现联锁控制，即当进水泵由全停状态进入开启状态（任意一台水泵开启）后，开始执行时间间隔控制，而当进水泵由开启状态（任意一台水泵开启或几台水泵同时开启）进入全部停止状态时，粗格栅退出时间间隔控制，进入待机状态。5）时间及液位控制参数可在上位机设定。6）可以对粗格栅的运行台时累计。7）粗格栅与皮带输送机联锁控制，启动时先启动皮带输送机，再启动格栅机；停止时先停止格栅机，再停止皮带输送机。格栅前后的电动闸门可实现远程监视与远程控制，开、关控制信号由上位机给出，监视信号包括：故障、开到位、关到位和自动状态。

    ☆ 进水泵房

    进水泵房设有进水泵3台、超声波液位计1套和电动阀门一套。

    中央控制室可以对进水泵实现远程监视与远程控制，控制信号由上位机给出，监视信号包括：运行、停止、故障（包括温度报警、湿度报警、泄漏报警等）和急停。水泵可以手动也可由PLC1自动控制。在自动控制状态下，以液位计测量值控制水泵开停，液位设定值可在上位机设定。可以根据每台进水泵的累计运行时间，自动轮换运行水泵，并避免同一水泵在短时间内频繁开停。可以使用液位开关为进水泵设置干运转保护。可以在中控室设置高低水位的声光报警。电动闸门的控制和粗格栅间电动闸门控制相同。

    ☆ 细格栅间及旋流沉砂池

    细格栅间设有细格栅系统（含无轴螺旋输送机）和1台pH计，细格栅控制同粗格栅控制相同。旋流沉砂池控制系统由厂家提供，只对其运行状态给予监视，不实行远控，就地可控制。监视信号包括：综合运行、综合故障和急停。旋流沉砂池系统与进水泵的开停可以实现联锁控制，即当进水泵由全停状态进入开启状态（任意一台水泵开启）后，开启旋流沉砂池系统，而当进水泵由开启状态（任意一台水泵开启或几台水泵同时开启）进入全部停止状态时，旋流沉砂池系统退出运行状态，进入待机状态。

    可以实现对旋流沉砂池系统的运行台时进行累计。超越管处安装有电动闸门，控制要求和进水泵房电动闸门相同。总配电室旁流量计井安装有一台进水流量计。

    ☆ 改良型氧化沟

    改良型氧化沟设有转碟曝气机7套、溶解氧仪2套、搅拌器10套、电动闸门2套和电动阀门4套。溶解氧仪分别安装在氧化沟缺氧区和出水位置处。用于监测各沟道的溶解氧浓度，并控制转碟的开停，可以设置溶解氧浓度高、低报警。中央控制室可以对转碟曝气机实现远程监视与远程控制，控制信号由上位机给出，监视信号包括运行、故障、急停和自动控制。各沟道内转碟最少要有对称的两组转碟运行以维持各沟道内的水流，且这两组转碟是轮流交替运行的。转碟包括两种控制方案：

    转碟控制方案一：

    以生物池溶氧值作为控制参数，溶氧值设定点应由工艺提出，通常情况缺氧区、好氧区溶氧值分别设定为0.5mg/L、2mg/L左右。

    测定的溶氧值为上位机对溶氧仪在一段时间（1小时）内连续监测的结果求取的平均值。上位机设定每小时求取一次平均值，并与设定的溶氧值进行比较，当测定的溶氧值低于设定值时应增加转碟的运行台数（对称转碟）；当测定的溶氧值高于设定值时应减少转碟的运行台数（对称转碟）。溶解氧的控制滞后时间一般为20min～30min，控制的非稳定性状态时常出现，采用离散的步进调节方法可避免转碟的频繁起动。转碟起动次数不大于4次/小时。

    转碟控制方案二：

    根据工艺要求使用时间间隔控制曝气转碟。

    同时系统可以对转碟曝气机的运行台时进行累计。

    可以对搅拌器实现远程监视与远程控制，控制信号由上位机给出，监视信号包括：运行、故障（包括温度报警、泄漏报警等）、急停和自动状态，可以对搅拌器的运行台时进行累计。

    电动闸门的控制和粗格栅处相同。

    ☆ 配水井及污泥泵房

    配水井及污泥泵房设有电动闸门2套、回流污泥泵3台、剩余污泥泵2台和1套分体式超声波液位计。电动闸门控制方式同粗格栅电动闸门。中央控制室可以对回流污泥泵实现远程监视与远程控制，控制信号由上位机给出，监视信号包括：运行、故障（包括温度报警、湿度报警、泄漏报警等）、急停和自动状态。对于回流泵，可以根据时间控制，可由上位机根据工艺要求设定回流泵的开停时间，并使用污泥泵房的液位开关为回流泵设置干运转保护。可以根据每台回流泵的运行时间，自动轮换运行泥泵，使各泥泵的运行时间均等，避免同一泥泵在短时间内频繁开停。系统可以对回流泵的运行台时进行累计。剩余污泥泵可以实现远程监视和控制，剩余污泥泵的运行时间进行累计，并使用污泥泵房的液位开关为剩余污泥泵设置干运转保护。剩余污泥泵可以与储泥池的液位计实现联动，当储泥池液位计高位报警时，关闭剩余污泥泵。超声波液位计用于监测污泥泵池的泥位，可以设置高、低泥位报警。

    ☆ 二沉池

    二沉池设有一套刮泥机，刮泥机连续运行。可以对刮吸泥机实现远程监视与远程控制，控制信号由上位机给出。监视信号包括：运行、故障、急停和自动状态，可以对刮吸泥机的运行台时进行累计。

    ☆ 污泥脱水机房及储泥池

    该工艺段设有搅拌器1台、分体式超声波液位计1套和污泥脱水系统一套。刮泥机连续运行。可以对搅拌器实现远程监视与远程控制，控制信号由上位机给出。监视信号包括：运行、故障（包括温度报警、泄漏报警等）、急停和自动状态。可以对搅拌器的运行台时进行累计，并使用储泥池的液位计为搅拌器设置低液位保护。超声波分体液位计用于监测储泥池泥位，设置高、低液位报警；

    在液位低于剩余污泥泵工作液位报警时，停止剩余污泥泵。

    污泥脱水控制系统由脱水机厂家提供，只对其运行状态进行监视，不实行远控，并及时提供报警信息，以确保脱水系统正常运行。监视信号包括：1#带机综合运行和1#带机综合故障，可以对脱水系统的运行台时进行累计。

    ☆ 加氯间

    加氯间全套控制系统由厂家提供。上位机只监测加氯系统的运行状态，不实行远控。监视信号包括综合运行和综合故障。可以对加氯间的运行台时进行累计。

    ☆ 出水泵房

    出水泵房设有排放泵3台、回用水泵2台、分体超声波液位计1台和出水流量计1台。可以对排放泵实现远程监视与远程控制，控制信号由上位机给出。监视信号包括：运行、故障、急停和自动状态。可以根据每台排放泵的累计运行时间，自动轮换运行水泵，使各水泵的运行时间均等，避免同一水泵在短时间内频繁开停。排放泵开启可根据排放泵房液位进行控制。在自动控制状态下，只有当排放泵房出现高液位时，方可运行排放泵。超高液位报警。可以对排放泵的运行台时进行累计，并使用液位开关为排放泵设置干运转保护。回用水泵可以实现远程监视和远程控制，可以对回用水泵的运行台时进行累计，并使用液位开关为回用水泵设置干运转保护。分体式超声波液位计用于监测排放泵池液位，并控制排放泵的开启，可设置高、低液位报警。出水流量计安装于总出水管上，监测污水厂出水流量。

    ☆ 总变高压柜

    只对其运行状况进行监测，不进行远控。

    1#进线柜，监视信号包括：电流、有功功率、COSФ、事故跳闸、手车工作位置、断路器合闸等；2#进线柜，监视信号包括：电流、有功功率、COSФ、事故跳闸、手车工作位置、断路器合闸等。 1#计量柜，监视信号包括：手车工作位置等，2#计量柜，监视信号包括：手车工作位置等；1#变压器出线柜，监视信号包括：电流、有功功率、无功功率、事故跳闸、手车工作位置、断路器合闸、接地刀合闸。1#变压器温度及高温报警等；2#变压器出线柜，监视信号包括：电流、有功功率、无功功率、事故跳闸、手车工作位置、断路器合闸、接地刀合闸、2#变压器温度及高温报警等。母联柜，监视信号包括：电流、事故跳闸、手车工作位置、断路器合闸等。隔离柜，监视信号包括：手车工作位置等。1#电压互感器柜，监视信号包括：电压等；2#电压互感器柜，监视信号包括：电压等。同时可以在上位机上实现总变运行报表自动生成及打印。

    2.4 系统功能

    ☆ 权限管理
                
                                 图2 权限管理界面
    操作员进入系统使用密码：系统提供分级的用户进入密码系统，所以低级操作员只能进入基本操作功能，同时较高级别的操作人员，按照不同的密码，可进入不同的系统组态功能。

    提供12级的密码：一旦操作员提供了正确的密码，他可以修改他的密码，而他的权限不能发生变化。

    ☆ 流程图显示
                      
                                     图3  LCD界面图
    LCD画面为操作员了解生产过程状态提供了显示窗口，并能支持以下几类画面：

    总貌画面：显示系统各设备，装置，区域的运行状态以及全部过程参数变量的状态，测量值，设定值，控制方式（手动/自动状态），高低报警等信息，从各显示块可以调出其它画面。如图4所示。

    分组画面：以模拟仪表的表盘形式按事先设定的分组，同时显示几个回路的信息，如过程参数变量的测量值，调节器的设定值，输出值控制方式等。变量每秒更新一次，分组可任意进行，操作员可从分组画面调出任一变量（模拟量或离散量）的详细信息。

    单点画面（调整画面）：显示一个参数，控制点的全部信息以及实时趋势和历史趋势，从调整画面也可直接对模拟回路进行设定，调整操作。

    ☆ 趋势功能

    操作员可通过菜单或按钮进入实时曲线画面或历史曲线画面，可选择需要的工艺参数查看实时曲线或历史曲线，可同时显示多条实时曲线，可对曲线进行放大或缩小，可任意选择需要查看的时间段。

    根据采集到的信息，建立各类信息数据库并对各类工艺参数值作出趋势曲线（含历史数据），供调度员分析比较，以便找出污水处理厂的最佳运行规律，分析事故原因，改进管理方法，保证出水水质，提高经济效益。

    记录生产所要求的所有参数的历史数据，记录时间不小于一个月，并可根据要求任意设置。对重要的数据进行在线存储。可以通过历史报表或者历史趋势曲线的方式来检索历史数据。

    ☆ 报警功能

    报警设有优先级管理，任意管理均在屏幕上显示，显示所有报警列表及报警的详细内容。监控计算机的显示画面的顶部或底部应设置一个报警条。在报警条内显示最近三个报警未消失未被确认报警的详细内容，操作员通过画面切换选择报警表，报警表内显示中控操作站计算机中配置的所有报警列表及报警的详细内容。报警的详细内容包括：

    报警的当前状态；

    每个“未消失”的报警发生时间；

    每个“消失”的报警发生时间及“消失”的时间；

    每个“已确认”报警的确认时间和用户；

    当报警出现时，报警打印机立即打印报警信息。

    ☆ 操作记录

    系统发生的较大情况（如设备故障、越限报警、大型设备的启停等情况）或操作人员对设备的操作、参数的调整，可通过事件记录功能记录下这些情况和操作过程作为今后分析事故的基础资料。事件记录的内容包括各种事件信息、事件发生时的用户、事件发生的时间等。

    ☆ 报表打印

    系统自动记录各种工艺运行数据，将所有数据归纳汇总形成报表，报表可定时打印或召唤打印，操作员也可通过菜单或按钮进入报表画面查看历史报表。如表1所示。
                                     表1  历史报表
                 
    自动生成的生产报表（班/日/月）供生产管理之用，机内存储六个月的信息量。采用了DDE技术，从而使用户能够直接使用Excel编制报表，借助Excel的强大功能，用户可以随心所欲地编制各种各样的报表。可以是实时数据的报表，也可以是历史数据的报表。

    ☆ 数据上传

    咸宁市永安污水厂自控控制系统与天津创业环保股份有限公司运营调度监控中心及武汉天创环保有限公司运营部实现实时通讯，将咸宁市永安污水处理厂的内部生产动态、设备状态、实时数据等传送至创业环保公司运营调度监控中心，并配合天津创业环保股份有限公司ERP系统完成工业数据库和管理数据库之间的数据交换与数据存储，实现公司内部的远程动态监控和网上信息发布。

    3 应用特点

    基于LK系列PLC的污水处理系统具有如下特点：

    ☆ 可用性和可靠性

    系统组件的设计符合真正的工业等级，控制系统能在严格的工业环境下长期、稳定地运行，尽可能降低控制系统故障风险，保证能源收益，确保水处理厂7×24小时的不间断供水服务。

    LK冗余方案可确保工艺过程高度可靠地运行，如果主CPU模块出现故障，系统将会自动快速、稳定地无扰切换到备用CPU模块，可以避免因为控制层出现问题而导致的负面效应以及生产过程停顿。

    PLC控制站一般设于高电磁干扰环境，如提升泵房、鼓风机房、变配电所等， 我们的控制系统具有较强的电磁兼容性，系统采用各种隔离、抗干扰设计，保证系统能在强电磁干扰环境中稳定运行。

    水处理环境可能因遭受污染并加速设备中电子元件的老化，可提供特殊的保护工艺（保护涂层）的模块，提高元件在腐蚀性化学品和腐蚀性环境中的使用寿命，避免意外停机，降低维护成本。

    ☆ 节能降耗方案

    电能成本占水处理设施总运营成本的1/3，主要耗电设备为水泵和风机，可提供优化的变频控制方案，使被损耗的电能可以降低到额定值的50%到80%。

    对于非变频电机设备，如格栅、螺旋输送器、搅拌器，可提供工艺优化控制库，如定时控制与设定参数相结合的控制，使这些设备在相应工艺条件下，发挥最大的效率，最大程度地降低电能的损耗。

    在数据采集与监控层（SCADA），可以使用数据分析等工具来创建报告，并分析过程数据，从而对过程进行优化与改进，最终降低电能消耗。

    ☆ 开放性和兼容性

    基于标准协议的通讯网络可非常方便地将第三方设备接入，如污泥脱水机、加氯加药系统、变配电系统，可以显著提高针对复杂工艺过程的控制能力，且允许大量过程反馈信息传输，支持设备参数访问功能，可提高系统的性能与诊断能力。

    支持与各种上位监控软件（如iFIX、INTOUCH、组态王、MCGS、力控等），以及主流品牌触摸屏（如Pro-Face、HITECH、eView、Weinview、nTouch）通讯，只要HMI支持标准的通讯协议，都可以很方便的进行连接。

    强大的扩展功能可为远期扩容、升级改造预留接口及容量。

    ☆ 过程诊断和在线维护

    提供的强大诊断功能，能够方便、高效访问相关信息，发现导致故障的根本原因以及需要修正的过程参数等，以便提前发现生产过程中存在的问题，可以避免设备意外停机，从而降低运营成本。

    所有模块支持带电插拔，可以在系统运行状态下更换故障模块，不会因为单个模块的更换而使整个系统停机等待，大大降低了系统的维护成本。

    防混销设计防止插错模块引起不必要的损坏，确保系统顺利运行，且更换模块时只需直接更换模块，无需重新接线，维护更方便。

    支持SD卡功能，在不方便使用计算机的情况下，可进行系统恢复、升级，使维护更加方便、快捷。

    操作站安装上位监控组态软件及LK编程软件Powe rProV4，具有强大的功能，可方便、直观地进行上位机组态和PLC编程，且支持在线下载、在线修改以及离线仿真调试等功能。

    4 结语

    本文论述了基于LK系列PLC的污水处理厂自动控制系统的设计与实现，充分发挥了LK可编程控制器配置灵活、控制可靠、开放性强和在线维护方便等优点，为整个系统的安全稳定运行提供了可靠保障。基于LK的自动控制系统已在多个污水处理厂得到实际应用，为企业带来了可观的经济效益和良好的社会效益。

    参考文献：

    [ 1 ] 陶俊杰. 城市污水处理技术及工程实例[M]. 化学工业出版社, 2005.

    [ 2 ] 夏畅斌, 罗彬, 尹奇德. 污水处理机械化与自动化[M]. 化学工业出版社,2008.

    [ 3 ] 胡寿松. 自动控制原理[M]. 科学出版社，2009.

    [ 4 ] 顾战松. 可编程控制器原理与应用[M]. 国防工业出版社.

    摘自《自动化博览》2010年第八期