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[摘要]：我國城市污水任意排放日益嚴(yán)重，全面建立完善的自動檢測監(jiān)控系統(tǒng)勢在必行。本文重點介紹西門子 PLC和上位機(jī)監(jiān)控軟件Control2000在三峽庫區(qū)污水處理Orbal氧化溝工藝中的應(yīng)用及其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。PLC及監(jiān)控軟件的使用使得系統(tǒng)設(shè)備運行更加穩(wěn)定、合理，有效的延長了設(shè)備使用壽命和節(jié)約了能源。


　　引言：

　　隨著我國的社會和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，環(huán)境問題日益突出，尤其是城市水環(huán)境的惡化，加劇了水資源的短缺，嚴(yán)重影響著人民群眾的身心健康，這些情況已經(jīng)成為城市可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重制約因素；我國現(xiàn)階段很多大中型城市的廢水排放量大，已造成城市地表水的嚴(yán)重污染；三峽庫區(qū)水環(huán)境保護(hù)事關(guān)三峽工程長期安全運行和長江中下游地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展，因此受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注，但目前各城市仍然是直接排放污水或因水處理自控系統(tǒng)不完善沒處理好就把污水排放了，很多操作和檢測監(jiān)控過程仍停留在人工階段，監(jiān)控時間覆蓋率低，手工采集樣品缺乏科學(xué)性和代表性，難以反映企業(yè)和城市污水處理及排放連續(xù)變化的情況。大范圍的建立污水處理系統(tǒng)及在線自動控制監(jiān)控體系，勢在必行。


　　系統(tǒng)簡介：

　　本文介紹的污水處理廠位于重慶某縣城邊緣，廠區(qū)緊鄰長江流域，處于三峽庫區(qū)腹地，該污水處理廠采用的是典型Orbal氧化溝工藝，日處理污水量5萬噸，廠區(qū)主體構(gòu)筑物有：綜合樓、配電房、進(jìn)水提升泵房、粗細(xì)格柵井及旋流沉砂裝置、Orbal氧化溝、終沉池、污泥回流剩余泵井、脫水機(jī)房等；整個廠區(qū)設(shè)備及閥門均采用MCC和PLC兩種控制方式，正常情況下可以實現(xiàn)儀表、PLC的完全自動檢測控制及運行狀況監(jiān)控；下位機(jī)采用西門子400系列和300系列PLC，上位機(jī)采用北京華富Control2000監(jiān)控軟件。該廠自動控制系統(tǒng)于2004年12月全面完成調(diào)試，目前系統(tǒng)運行正常。


　　污水處理系統(tǒng)詳述：

　　一、Orbal氧化溝工藝介紹如（圖一）：

（圖一）Orbal氧化溝工藝簡圖



　　Orbal氧化溝水處理工藝起源于南非，后經(jīng)不斷改進(jìn)和推廣，在全球范圍得到廣泛應(yīng)用。城市污水由管道集中后，水流首先經(jīng)過粗格柵，將粗的垃圾去除，然后由提升泵將污水提高水頭（后面工藝要求有高水頭），再經(jīng)過細(xì)格柵及旋流沉砂池，進(jìn)一步去除小的垃圾和泥砂，污水進(jìn)入水處理主體結(jié)構(gòu)——氧化溝，污水在“O”型的氧化溝中經(jīng)過曝氣機(jī)調(diào)節(jié)曝氣，使得污水得到缺氧、氧化、硝化、反硝化等反應(yīng)，在該過程中完成BOD（生物耗氧量）、COD（化學(xué)耗氧量）的去除及污水脫氮的功能，并為下一步水的沉淀作好準(zhǔn)備，經(jīng)過氧化溝處理的水流入終沉池，加入Fe3+、或Al3+ 使得水中的（PO4）3- 得以沉淀，充分沉淀后，清水最后經(jīng)二氧化氯消毒后排入長江。沉淀的污泥經(jīng)脫水機(jī)濾干后焚燒處理。


　　二、廠區(qū)主要設(shè)備控制要求

　　1、粗細(xì)格柵機(jī)及其附屬輸送壓榨設(shè)備的控制

　　定時控制：根據(jù)外來污水狀況和運行經(jīng)驗，通過設(shè)定相關(guān)定時參數(shù)，自動控制格柵機(jī)的啟動時間和停止時間。

　　液位差控制：在格柵機(jī)的前后均設(shè)置一臺超聲波液位傳感器，檢測出格柵機(jī)的前后液位差。設(shè)定低液位差LDF2和高液位差LDF1，當(dāng)檢測到的液位差大于LDF1時，啟動格柵機(jī)；當(dāng)檢測到的液位差低于LDF2時，停止格柵機(jī)（減少了運行時間，有效的節(jié)約能源）?？刂七^程如（圖二）





（圖二）




　　格柵附屬設(shè)備的聯(lián)動：

　　皮帶輸送機(jī)和壓榨機(jī)作為格柵機(jī)的附屬輸送壓榨設(shè)備，它們在定時或自動運行模式下，一般與格柵機(jī)聯(lián)動。附屬設(shè)備適當(dāng)?shù)奶崆盎蜓訒r運行。

2、 提升泵的自動控制

　　控制描述如（圖三）：

　?。?）變頻器連接在第一臺水泵電機(jī)上，需要加泵時，變頻器停止運行，并由變頻器的輸出端口RO1～RO3輸出信號到PLC，由PLC控制切換過程。

　?。?） PLC根據(jù)泵池液位高中低信號自動調(diào)節(jié)三臺泵的啟停；泵池水位到預(yù)設(shè)的低水位時啟動1#泵，水位上升到預(yù)設(shè)的中水位時，1#泵由變頻運行轉(zhuǎn)換到工頻運行，這時再變頻啟動2#泵，依次啟動到3#泵。




（圖三）



　?。?） 切換開始時，變頻器停止輸出(變頻器設(shè)置為自由停車)，利用水泵的慣性將第一臺水泵切換到工頻運行，變頻器連接到第二臺水泵上起動并運行，照此，將第二臺水泵切換到工頻運行，變頻器連接到第三臺水泵上起動并運行。

　?。?） 水位下降需要減泵時，系統(tǒng)將第三臺水泵停止，第二臺水泵切換到變頻調(diào)節(jié)狀態(tài)。水位繼續(xù)下降，系統(tǒng)將第二臺水泵停止，第一臺水泵切換到變頻調(diào)節(jié)狀態(tài)。

　?。?） 另外，設(shè)置軟啟動器作為備用。當(dāng)變頻器或PLC故障時，可用軟起動器現(xiàn)場手動輪流起動各泵運行以保證供水。作為多臺提升泵的自動控制，滿足先啟先停的原則，以優(yōu)化資源的利用率；為了提升泵的安全，系統(tǒng)設(shè)置了提升泵的干運轉(zhuǎn)保護(hù)；同時，系統(tǒng)還設(shè)置了泵的頻繁啟停保護(hù)，群啟動保護(hù)等，以延長其使用壽命。


　　3、曝氣系統(tǒng)的自動控制

　　生化池作為全廠污水處理的核心，具有舉足輕重的作用。污水經(jīng)過預(yù)處理后，在這里通過微生物吸附污水中的有機(jī)物，達(dá)到除磷脫氮的目的。對生化池的自動控制，主要是溶解氧濃度的控制。

　　曝氣量自動控制系統(tǒng)作為一個恒值控制系統(tǒng)，系統(tǒng)給定一個保持不變的最佳溶解氧值，通過PLC控制調(diào)節(jié)輸出量（即曝氣機(jī)開啟臺數(shù)），使被控量（實測氧化溝溶解氧濃度）不斷地接近給定值。在這個系統(tǒng)中，要求穩(wěn)定性和動態(tài)特性良好，被控量向給定值過渡的時間短，同時過程平穩(wěn)，振蕩幅度小。

　　曝氣供氧系統(tǒng)是由曝氣機(jī)和溶解氧儀共同組成的閉環(huán)系統(tǒng)，為反應(yīng)池好氧段提供氧氣，并維持好氧過程的溶解氧濃度值。依照好氧過程的溶解氧濃度值控制曝氣機(jī)開啟臺數(shù)，維持溶解氧濃度值在一定的范圍內(nèi)變動?？刂屏鞒倘纾▓D四）。





（圖四）
三、控制模式

　　手動模式：手動模式又可以分為盤柜模式和就地模式。盤柜模式就是通過MCC上的按鈕實現(xiàn)對設(shè)備的操作；就地模式就是通過現(xiàn)場控制箱上的按鈕實現(xiàn)對設(shè)備的操作。

　　遙控模式：就是通過中心控制室上位操作站實現(xiàn)對設(shè)備的操作。

　　自動模式：設(shè)備的運行完全由各PLC根據(jù)污水廠的工況及工藝參數(shù)來完成對設(shè)備的啟?？刂?，而不需要人工干予。


　　四、系統(tǒng)構(gòu)成：如（圖五）

　　通過前面的描述，部分設(shè)備的控制還是比較復(fù)雜的，為達(dá)到以上的設(shè)備自動控制要求，該工程基本構(gòu)成如下：

　　下位機(jī)：選用了西門子400和300系列PLC來做系統(tǒng)

　　上位機(jī)：選用了北京華富Control2000軟件

　　中間協(xié)議：采用Simatic TOP Server，銜接上、下位機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換





（圖五）



　　整個廠區(qū)共有2個PLC站及一個遠(yuǎn)程I/O站，硬件采用西門子400和300系列模塊，分別用光纖及光纖交換機(jī)，采用星型連接方式構(gòu)成以太網(wǎng)絡(luò)連接至中控室，在PLC1站，CPU、電源模塊及以太網(wǎng)模塊采用400系列，就地I/O站ET200及I/O模塊采用300系列模塊構(gòu)成；在PLC2站，同樣CPU、電源模塊及以太網(wǎng)模塊采用400系列，就地I/O站、遠(yuǎn)程I/O站ET200及I/O模塊采用300系列模塊構(gòu)成，兩個站分別裝有現(xiàn)場觸摸屏終端。下位機(jī)編程軟件采用Siemens的STEP7 V5.12來完成，根據(jù)控制要求開發(fā)程序，完全可以實現(xiàn)前面描述的控制要求。PLC1站處于配電房，有自己的就地I/O站和現(xiàn)場觸摸屏控制終端；PLC2站處于回流泵井，有自己的就地I/O站和現(xiàn)場觸摸屏控制終端，PLC2站的遠(yuǎn)程站處于進(jìn)水提升泵房。


　　PLC系統(tǒng)模塊主要配置如下表：







　　上位機(jī)有兩套操作終端，共同反映現(xiàn)場情況，操作互不干擾，一套故障，另一套依然可以完成全部監(jiān)控操作功能。監(jiān)控軟件采用華富Control2000來開發(fā)監(jiān)控畫面，根據(jù)工藝?yán)L制流程圖，顯示所有相關(guān)測控儀表的實時值；建立全廠的中心監(jiān)控系統(tǒng)平臺，使操作員能隨時監(jiān)視全廠運行狀態(tài)，并對設(shè)備操作發(fā)出控制指令；建立歷史數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)和重要數(shù)據(jù)保存系統(tǒng)，并能對日報表、月報表、年報表進(jìn)行打?。唤⑷珡S設(shè)備的安全報警系統(tǒng)；
上位機(jī)部分監(jiān)控畫面如下圖：






（ 圖六：廠區(qū)工藝流程圖）





（圖七：設(shè)備控制盤）





（圖八：開發(fā)調(diào)試階段報表查詢數(shù)據(jù)示例）



　　下位機(jī)采用西門子400和300單元 PLC，上位機(jī)用北京華富的Control2000，二者之間的標(biāo)簽連接及數(shù)據(jù)通訊必須有一個統(tǒng)一的協(xié)議驅(qū)動，本工程采用的是SIMATICA TOP SERVER來實現(xiàn)的，報表查詢系統(tǒng)采用VB6.0來開發(fā)外掛程序?qū)崿F(xiàn)報表的實時查詢。



　　五、該工程自控系統(tǒng)的特點

　　1、技術(shù)先進(jìn)：現(xiàn)代化的工廠要求與時俱進(jìn)，該自動化控制系統(tǒng)無論是從使用的profibus-DP現(xiàn)場