城市污水處理自控系統總體方案設計

摘 要:通過(guò)對LIER-POOLK工藝深入研究，針對其自動(dòng)化程度要求高的特點(diǎn)，在自控系統總體方案設計中根據污水處理工藝流程，綜合運用自動(dòng)化技術(shù)?計算機技術(shù)?網(wǎng)絡(luò )技術(shù)?數據庫技術(shù)?管控一體的設計思路，開(kāi)發(fā)“基于LIER-POOLK工藝的城市污水處理自控系統”?

關(guān)鍵詞:城市污水處理;自控系統;方案

1 城市污水處理自控系統總體方案概述

(1)在污水處理過(guò)程中要求整個(gè)系統必須安全?可靠運行，在工藝設備?儀表?電氣自控系統?計算機和網(wǎng)絡(luò )系統?電視監控系統的選型和系統設計?軟件設計等方面，系統的可靠性是設計考慮的第一原則，作為控制系統核心設備的PLC，選用德國西門(mén)子公司的S7-300系列產(chǎn)品及其相應的開(kāi)發(fā)軟件?

(2)污水處理處理廠(chǎng)的自控系統采用PC+PLC分級分布式控制形式，以集中監測為主，分散控制為輔，在中控室運行監控計算機上可對全廠(chǎng)的各工序進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，生產(chǎn)的工藝過(guò)程自動(dòng)控制采用就地單獨控制的原則進(jìn)行，并在污水處理過(guò)程關(guān)鍵工序配置西門(mén)子MP 270B觸摸面板(人機界面HMI )作為現場(chǎng)工程師操作站?

(3)為保證污水處理廠(chǎng)的安全運行，自控系統設立三級控制層:就地手動(dòng)控制?現場(chǎng)控制和遠程監控?就地手動(dòng)控制是指通過(guò)設備本地控制箱手動(dòng)控制設備的開(kāi)啟或關(guān)閉;現場(chǎng)控制是指由現場(chǎng)各分控站PLC執行自己的控制程序，完成控制功能;遠程監控是指由中控室通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)高速冗余光纖環(huán)網(wǎng)對全廠(chǎng)的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制?監測和記錄，對工藝現場(chǎng)設備對象實(shí)現狀態(tài)遷移管理?三級控制層的關(guān)系如下:中控室上位機可通過(guò)各現場(chǎng)的PLC子站直接控制有關(guān)設備和主要設備，如果中控室或網(wǎng)絡(luò )發(fā)生故障，不會(huì )影響各PLC分站的控制功能，如果PLC網(wǎng)絡(luò )中某個(gè)PLC子站發(fā)生故障，操作員可通過(guò)就地控制箱對設備進(jìn)行控制?

(4)設備發(fā)生異常?故障或報警時(shí)，系統可自動(dòng)切除相關(guān)故障設備或切換到現場(chǎng)手動(dòng)操作方式，同時(shí)記錄事故內容，并對相關(guān)參數進(jìn)行事故追憶?

(5)上位計算機綜合應用程序開(kāi)發(fā)選用德國西門(mén)子公司的WINCC 5.1組態(tài)軟件，以監控工藝運行的圖形界面?控制網(wǎng)絡(luò )運行參數和指令的通信?運行和歸檔數據庫開(kāi)發(fā)為重點(diǎn)?

(6)一體化生物反應器控制系統的設計根據生產(chǎn)工藝的具體要求，監控一體化生物反應器各個(gè)工藝設備的運行，實(shí)現處理過(guò)程的時(shí)間及空間控制，形成好氧?厭氧或缺氧條件，以完成具體工藝處理目標?

(7)為了對生產(chǎn)現場(chǎng)和重要設備實(shí)施遠程監視，在鼓風(fēng)機房?一體化生物反應器?污泥脫水機房?廠(chǎng)區環(huán)境等重要部位安裝攝像機，構成遠程電視監視系統，在中控室可全廠(chǎng)重要設備進(jìn)行全天24小時(shí)監視?

2 城市污水處理自控系統的總體結構

本工程項目二期工程中控室和各工段的地理位置分布示意圖如圖1所示?中控室的建筑物使用一期工程己建設好的設施，與一期工程的中央監控設備共用一個(gè)監控大廳?

工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE 802.3 (Interment)的強大的區域和單元網(wǎng)絡(luò )?作為西門(mén)子T.I.A(全集成自動(dòng)化構架)重要組成部分，SIMATIC NET基于經(jīng)過(guò)現場(chǎng)應用驗證的技術(shù)，用于嚴酷的工業(yè)環(huán)境，包括有高強度電磁千擾的區域?

3 SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )組件

典型的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，有以下三類(lèi)網(wǎng)絡(luò )器件:

(1)網(wǎng)絡(luò )部件?

包括:連接部件? FC快速連接插座? ELS(工業(yè)以太網(wǎng)電氣交換機)?ESM(工業(yè)以太網(wǎng)電氣交換機)?SM(工業(yè)以太網(wǎng)光纖交換柳?MC TPll(工業(yè)以太網(wǎng)光纖電氣轉換模塊)?

(2)通信介質(zhì):普通雙絞線(xiàn)，工業(yè)屏蔽雙絞線(xiàn)和光纖?

SIMATIC PLC控制器上的工業(yè)以太網(wǎng)通訊外理器?用于將SIMATIC PLC連接到工業(yè)以太網(wǎng)?

(3)PG/PC上的工業(yè)以太網(wǎng)通訊外理器，用于將PG/PC連接到工業(yè)以太網(wǎng)?

利用工業(yè)以太網(wǎng)，SIMATIC NET提供了一個(gè)無(wú)縫集成到全業(yè)務(wù)功能(管控一體化及綜合信息處理)的途徑? 4 工藝過(guò)程控制PLC控制站組成

(1)組成?

S7-300系列產(chǎn)品是模塊化中小型PLC系統，能滿(mǎn)足中等性能要求的應用?大范圍的各種功能模塊可以非常好地滿(mǎn)足和適應自動(dòng)控制任務(wù)，由于簡(jiǎn)單實(shí)用的分散式結構和多界面網(wǎng)絡(luò )能力，使得應用十分靈活，方便用戶(hù)和簡(jiǎn)易的無(wú)風(fēng)扇設計，當控制任務(wù)增加時(shí)，可自由擴展，由于大范圍的集成功能使得它功能非常強勁?

如果用戶(hù)的自控系統任務(wù)需要多于8個(gè)信號模塊或通訊處理器模塊時(shí)，則可以擴展s7-300機架((CPU314以上):(1)在4個(gè)機架上最多可安裝32個(gè)模塊:最多3個(gè)擴展機架(ER)可以接到中央機架(CR)上，每個(gè)機架(CR/ER)可以插入8個(gè)模塊?(2)通過(guò)接口模塊連接:a.每個(gè)機架上(CR/ER)都有它自己的接口模塊?它總是插在CPU旁邊的槽內，負責與其他擴展機架自動(dòng)地進(jìn)行通訊;b.通過(guò)IM365擴展，可擴展1個(gè)機架，最長(cháng)1米，電源也是由此擴展提供?C.通過(guò)IM360/361擴展，可擴展3個(gè)機架，中央機架(cR)擴展機架但擴展機架之間的距離最大為10米?(3)獨立安裝海個(gè)機架可以距離其他機架很遠進(jìn)行安裝，兩個(gè)機架間(主機架與擴展機架，擴展機架與擴展機架)的距離最長(cháng)為10米?(4)靈活布置:機架(CR/ER)可以根據最佳布局需要，水平或垂直安裝?

(2)診斷?

通過(guò)診斷可以確定模板所獲取的信號(如數字量模板)或模擬量處理(例如模擬量模板)是否正確?在診斷評估中，可參數化的診斷信息與不可參數化的診斷信息有區別?①可參數化的診斷信息:通過(guò)相應的參數始能診斷信息的發(fā)送;②不可參數化的診斷信息:不管是否參數化均可發(fā)送診斷信息?

如果發(fā)送診斷信息(如無(wú)編碼器電源)，則模板執行一個(gè)診斷中斷?此時(shí)CPU中斷執行用戶(hù)程序，或中斷執行低優(yōu)先級的中斷，來(lái)處理相應的診斷中斷功能塊(OB82) ?

5 PLC運行程序設計

PLC自動(dòng)工序工藝運行程序有四大主要功能模塊，即:時(shí)鐘模塊?運行參數更新?綜合故障判定和自動(dòng)工序模塊?

(1)變量設計?

我們的變量設計盡量遵循節省的原則?

建立時(shí)間計數變量Tcount

32個(gè)工序采用統一的時(shí)間計數，每個(gè)工序分配一個(gè)運行時(shí)間變量Tn (n=1，2，……32)?PLC自動(dòng)工序工藝運行程序根據運行時(shí)間變量來(lái)確定每個(gè)工序步驟運行的時(shí)間?

為27臺(套)工藝設備的每一臺(套)分配一個(gè)32位的運行狀態(tài)標志，分別對應于32個(gè)工序步驟?PLC自動(dòng)工序工藝運行程序根據每一臺(套)工藝設備的運行狀態(tài)標志和設備運行互鎖(故障和手動(dòng)控制)確定該設備是否運行?

為27臺(套)工藝設備的每一臺(套)建立一個(gè)故障狀態(tài)標志位(綜合故障)和控制狀態(tài)標志位(手動(dòng)/自動(dòng))?

建立工藝運行參數二維表，包含32個(gè)工序的運行時(shí)間參數和27臺(套)工藝設備的運行狀態(tài)標志參數?

建立工藝運行參數變更標志位，如果工藝運行參數發(fā)生改變并經(jīng)過(guò)運行監控上位計算機上授權確認，程序將根據工藝運行參數二維表刷新32個(gè)工序的運行時(shí)間變量和27臺(套)工藝設備運行狀態(tài)標志?

建立工藝運行當前狀態(tài)變量，包括當前工序步驟，當前工序運行剩余時(shí)間?

(2)自動(dòng)工序程序設計?

時(shí)鐘模塊用一個(gè)計時(shí)器，對時(shí)間的增長(cháng)自動(dòng)計數，其值存放在變量Tcount中，供自動(dòng)工序模塊使用?

如果工藝運行參數發(fā)生改變并經(jīng)過(guò)運行監控上位計算機上授權確認，工藝運行參數變更標志位設置為1，程序將根據工藝運行參數二維表刷新32個(gè)工序的運行時(shí)間變量和27臺(套)工藝設備運行狀態(tài)標志，并將工藝運行參數變更標志位復位為0?

綜合故障判定模塊綜合工藝設備的各種故障(比如泄露?短路?斷路等)和報警(比如過(guò)熱?過(guò)力矩等)，確定設備是否可以正常投入工藝運行，設置故障狀態(tài)標志位為0/1?

自動(dòng)工序模塊實(shí)時(shí)更新工藝運行當前狀態(tài)，包括當前工序步驟，當前工序運行剩余時(shí)間?當前工序運行剩余時(shí)間為0，就切換到下一個(gè)工序步驟，重新設置當前工序步驟和運行剩余時(shí)間，并根據設備故障狀態(tài)標志位(0/1 )?控制狀態(tài)標志位(自動(dòng)/手動(dòng))和運行狀態(tài)標志(1/0)，啟動(dòng)或停止相應的工藝設備?

6 結果

LIER-POOLK法城市生活污水處理5000噸/日中試裝置全部建成并投入運行以來(lái)，具體出水效果(各項指標去除率)為:BODS 85-98%， CODCr 85-95%.，SS80-90%， TN 50-70%， TP 80-97%，完全達到了GB8978-1996《污水綜合排放標準》中的一級標準;經(jīng)濟指標為:單位投資1000元/噸水?占地面積0.40平方腳噸水?直接運行費用0.25元/噸水?職工人數8人/萬(wàn)噸水?自工程正式投產(chǎn)運行以來(lái)的情況表明，自控系統運行可靠，自動(dòng)化程度高，控制軟件設計先進(jìn)，完全滿(mǎn)足工藝運行和日常管理的要求?

[1]周明.現場(chǎng)總線(xiàn)控制[M].北京:中國電力出版社，2005.

[2]孫慧修.排水工程[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[3]碑常初.可編程序控制器的編程方法與工程應用[M].重慶:重慶大學(xué)出版社，2001.