1、污水处理厂的 PLC 控制系统设计第 1 页 共 34 页摘 要本文主要介绍了 PLC 在城市污水处理中的具体应用，系统介绍了城市污水处理工艺流程以及基于 FX2n16MR 系列 PLC 的污水处理实施方案，介绍了城市污水处理厂监空系统数据采集的方法。为了提高污水处理厂的运行管理水平， PLC 是该系统的重要组成单元，各单元按一定拓扑结构互连构成污水处理厂的控制系统。研究结果表明，该系统不仅具有较强的并行协调处理能力，而且具有高可靠性、灵活性和可扩展性，以及高速处理能力等优点。结合某污水处理厂自动化控制系统的运行情况，介绍污水处理厂的设备组成、自动化控制方式和 PLC 各工作站的功能、网络构成
2、在污水处理中的应用，总结自动化控制系统对提高生产效率、减少现场操作人员、提高安全性发挥的良好效果。关键词 污水处理；自动化控制系统；PLC；硬件配置；软件设计。污水处理厂的 PLC 控制系统设计第 2 页 共 34 页第一章 污水处理工艺流程1.1 工艺流程图 首先从厂外污水泵站提升到污水处理厂的污水，经过粗格栅，去除污水中较大的垃圾、漂浮物；通过 5 台 100KW 和 3 台 54KW 的污水泵将污水提升到细格栅，将较小的漂浮物去除；在沉砂池搅拌、除砂；然后进入生化池进行厌氧、耗氧处理，经沉淀池泥水分离，上层澄清液作为净化后的清洁排放水；沉淀下来的污泥一部分回流到生化池再生利用，一部分作为
3、剩余污泥回流到污泥浓缩池，进一步浓缩，通过污泥处理系统，把泥浆态的污泥脱水、压滤，形成干污泥饼（如图 1 所示）。1.2 对工艺流程的阐述首先从厂外污水泵站提升到污水处理厂的污水，经过粗格栅，去除污水中较大的垃圾、漂浮物；通过 5 台 100KW 和 3 台 54KW 的污水泵将污水提升到细格栅，将较小的漂浮物去除；在沉砂池搅拌、除砂；然后进入生化池进行厌氧、耗氧处理，经沉淀池泥水分离，上层澄清液作为净化后的清洁排放水；沉淀下来的污泥一部分回流到生化池再生利用，一部分作为剩余污泥回流到污泥浓缩池，进一步浓缩，通过污泥处理系统，把泥浆态的污泥脱水、压滤，形成干污泥饼（如图 2 所示）。污水处理厂
4、的 PLC 控制系统设计第 3 页 共 34 页1.3 主要设备的组成及控制方式 1.3.1 主要设备 活性污泥法的曝气方式可分为两大类：鼓风曝气及机械曝气两大类。鼓风曝气系统的主要设备是鼓风机及扩散系统。小污水厂的鼓风机一般采用罗茨风机及小型离心 风机。分散系统一般采用微孔曝气器。但必须是适应于间歇曝气的运行方式。鼓风机往往安装在 SBR 池旁边，以减少管路系统的造价。由于污水厂较小，一般不设 鼓风机房，仅在鼓风机上设罩棚。这主要适用于厂矿企业内的污水处理厂，不严格控制噪音的情况。如果污水厂毗临生活小区，若采用鼓风曝气则必须建鼓风机房， 同时还要有相应的降噪措施，这样情况下宜采用机械曝气方式
5、。 （如表 1）污水处理厂的 PLC 控制系统设计第 4 页 共 34 页1.3.2 设备控制方式 污水处理厂的设备均采用三级控制方式，即现场控制方式、MCC 控制方式和微机控制方式。目前，以 MCC 控制为基础，PLC 控制为主导的控制方式始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前污水处理厂对自动化的需要。控制系统采用“双入单出”的模糊控制器。输入量为 pH 值给定值与测量值的偏差 e 以及偏差变化率 ec，输出量为向加药泵供电的变频器的输入控制电压 u。控制过程为
6、控制器定时采样 pH 值和 pH 值变化率与给定值比较，得 pH 值偏差 e 以及偏差变化率 ec，并以此作为 PLC 控制器的输入变量，经模糊控制器输出控制变频器输出频率 n，从而改变加药量使pH 值保持稳定。 1.4 粗格栅、细格栅、提升泵房的设备控制 粗格栅、细格栅的控制分为现场控制和远程控制两种模式。远程控制模式由 PLC 和上位机实现，它包括微机手动和微机自动，而微机自动控制方式为：（1）水位差控制方式，通过格栅机运行液位差计的测量值用来反映格栅阻塞程度，并传输到 PLC 控制器，进行分析计算。当液位差超过预设的数值，控制格栅运行；（2）时间设置控制方式，在上位机的INTERACT
7、组态软件中设置格栅机运行时间和停机时间，经 PLC 控制器的程序运算指挥 MCC对格栅机进行控制。提升泵运行控制以远程控制为主。某污水处理厂有两个提升泵站，每个泵站设有一个PLC 工作站与厂内主站联络（如图 3 所示）。 它们距污水处理厂约 45 公里。为实现进水提升泵的远程自动控制的安全、可靠，水位测量和提升泵的流量测量和数据分析、传输、控制等设备是不可缺少的，所以在进水泵房处安装了液位计，测量泵井的水位；每台提升泵的提升管安装电磁流量计，测量每台提升泵工作的瞬时流量；两个 PLC 工作站分别担负各泵站的设备控制、设备保护、数据采样、远程数据传输等作用。根据测量值对应控制程序，自动控制提升泵
8、的运行组合。这样可以根据厂外来水量准确及时地调整泵运行数量，减少设备疲劳；同时可以取消传统泵站三班倒的人力资源耗费。 1.5 沉砂池、生化池、沉淀池、污泥回流泵房和鼓风机房的设备控制砂搅拌器的自动运行通过进水电磁流量计控制，而抽砂泵的运行状态是由微机对其开、污水处理厂的 PLC 控制系统设计第 5 页 共 34 页停时间的设置控制的。 生化池厌氧区的搅拌器、沉淀池的吸刮泥机、污泥回流泵房的阀门和回流泵都是由微机触发指令通过 PLC 控制。 生化池好氧区的 DO 计、MLSS 计、ORP 计、空气调节阀和 HV-TURBO 鼓风机是污水处理的重要设备。曝气池溶解氧的控制、厌氧段与好氧段的控制、污
9、泥浓度的控制是污水处理厂工艺的核心。该系统控制思路：PLC 通过对 DO 的检测，自动调节空气阀的开度；当检测到空气阀的调节不能满足 DO 的需要时，再着行调整鼓风机的出风导叶片的开度（目前各污水厂在该系统的应用都不理想，主要问题是溶解氧的测量值滞后、不稳定及空气阀门的选型）；PLC 检测 DO 计、MLSS 计、ORP 计的值传送上位机进行数据分析，实时掌握厌氧段与好氧段、污泥浓度等状况，及时调整工艺控制。1.6 脱水机房脱水机房的设备主要担负由污泥提升泵将回流泵井的剩余污泥与污泥絮凝剂按比例混合进行脱水处理的任务。污泥与溶解成一定浓度的絮凝剂混合后，污泥中的固体颗粒被凝聚成絮团，并分离出自
10、由水，然后被输送到带式污泥脱水机上，经顶脱水区、重力脱水区、楔形脱水区、压滤脱水区后形成滤饼排出。设备的控制思路是以时序的逻辑控制为主导，污泥和絮凝剂混合的比例通过污泥电磁流量计、清水流量计和投药泵投药量实现。该系统流程控制原理图（如图 4 所示）。 脱水机系统的联动控制时序： 条件：各设备准备就绪，无故障；空压机、自动配药池工作正常。 启动：皮带输送机运转 带式脱水机运转 投药泵运转 污泥泵运转。 停机：控制顺序与启动顺序相反。 时间：根据实际的运行状况，可在 PLC 中设置各设备联动间隔时间。1.7 PLC 控制系统 污水处理厂自控系统遵循“集中管理，分散控制，数据共享”的原则，设计选型先
11、进，安全可靠，经济合理，并能保证系统长期稳定高效地运行。PLC 控制系统满足污水处理厂运行管理和安全处理的要求，即生产过程自动控制和报警、自动保护、自动操作、自动调节、提高运行效率，降低运行成本，减轻劳动强度，对污水处理厂内各系统工艺流程中的重要参污水处理厂的 PLC 控制系统设计第 6 页 共 34 页数、设备工作情况等进行计算机在线集中实时监测，重要设备进行计算机在线集散控制，确保污水处理厂的出水水质达到设计排放标准。1.7.1 PLC 控制系统的基本构成及功能 污水处理厂 PLC 控制系统由两台计算机、8 个现场控制站、工艺仪表、电量变送器构成。8 个现场控制站用于控制现场设备、采集动态
12、工艺参数和设备工作情况。现场控制站根据污水处理厂的实际工艺和构筑物的几何分布，设置在控制对象和信号源相对集中的几个单体中，并考虑在不影响控制功能和设备安全的前提下，尽量节省投资。本控制系统由 8 个现场控制站组成。它们分别位于：厂外 1#泵站；厂外 2#泵站；厂内中心控制室；厂内低压电房；鼓风机房（3 个站）；脱水机房。0工作站5工作站之间采用 A1SJ71AR21 模块通过同轴电缆通讯。1#工作站和 2#工作站与厂内主工作站的距离 45 公里，且无人值班，故租用电信公司无源电话专线通过调制解调器和 A1SJ71UC24 通信模块进行泵房设备控制和数据传输。网络控制分布图（如图 5 所示）。1
13、.7.2 网络结构污水处理厂的自控系统由环形拓扑形式（ring topology）和星形拓扑形式(startop ology)两种总线网络形式构成。1.7.3 上位机组态功能 （1）控制操作：在中控室里采用 2 台 IBM90 和 INTERACT 组态软件开发的工控程序能对全厂和 2 个污水提升泵站的被控设备进行控制、对各现场控制站 PLC 的参数进行设定和修改，具有良好的人机交互界面，可方便地进行图形间的切换和各种功能的调用。设立不同的安全操作等级，针对不同的操作者，设置相应的加密等级，记录操作员及其操作信息。 （2）显示功能：用设计方法生成图形，实时地、集中地显示被测参数所处的变化过程。
14、对全厂工艺过程、工艺参数、设备状态等通过颜色的变化直观地、动态地显示。 数据处理及管理：操作记录并显示工艺参数、电量参数的变化曲线或趋势图，利用在线数据和数据库的数据进行分析、统计、计算、显示。 报警功能：当某一参数异常或设备故障时，可根据不同的报警类别，发出声光报警、屏幕报警。 （3）报表功能：分成年度、月度、日班报表及运行参数报表。如：污水处理量、加药量、耗电量等。（4）打印功能：各种报表的打印，各种事件及报警实时打印。由于污水厂较小，各构筑物之间一般用渠道相连，既节省了占地，又减少了水头损失。有专家统计，采用渠道输配水的污水处理厂的水头损失要比管道输配水的小 2 -3m。对于采用 SBR
15、 法的小型污水处理厂，一般将沉砂池与 SBR 池通过渠道相连、污泥浓缩池与脱水机房和泥饼堆放场合建。这样，在常规的设计中，小型污 水厂内至多有三个主要的处理单元：辅助生产区（含办公、变配电及总控等） 、水处理单元、泥处理单元。有时泥处理和水处理单元也可合建。由于方便输配水，各构筑物采用了合建方式，在设计时应注意距离较近的构筑物的基础处理，埋深上尽量接近。通过连接构筑物的渠道应做沉降缝。多座反应池的排泥管也可采用渠道而非管道和止回阀连接的方式，这样不仅减少了设备污水处理厂的 PLC 控制系统设计第 7 页 共 34 页的维护管理，而且没有阀门堵塞的问题。连接方式如图 1。在小型污水处理厂内多采用
16、类似策略，可以大大节省工程费用，方便维护管理。1.8 系统构成及其布局根据工艺特点和控制要求，本系统采用分布式集散监控系统，按流程设两个 PLC 分站，分别监控水区和泥区的设备运行和控制，设一个总站集中分站信息并控制分站工作。具体控制分为:(1) 现地控制，设现场箱或按钮站，由“现场/遥控”转换控制状态， “现场”设点动按钮，用于调整和检修。(2) 各开关柜(包括 :10kV 进线柜、0.4kV 进线柜等)，由“自动/停止/手动”转换控制状态， “手动”设启/停按钮，用于手动操作。(3) 分站控制，用可编程控制器和工业控制计算机系统等自控设备，自动监控所属范围运行。(4) 总站主机控制，多为计
17、算机监控管理系统，集中分站信息，进行各种处理，并通过分站统一控制全厂运行，满足工艺测控要求，使全厂运行处于最佳状态，是监控管理的中心。监控系统由操作员工作站、服务器工作站、投影仪、打印机、2 个 PLC 工作站和现场一次设备。通信网络采用西门子的过程现场总线标准(Profibus)，它为分布式 I/O 站或驱动器等现场器件提供了高速通信所需的用户接口，以及提供了在主站间大量数据内部交换的接口通信协议采用 SINEC L2，该协议遵从 DIN19245 标准。 SINEC L2 又分为如下子协议:L2-TF、L2-FMS、L2-DP 及 L2-AP。其中 L2-DP 遵从 Profibus 标准
18、开放式结构，适用于对时间要求严格的现场，能够以最快的速度快速处理和传送网络数据。所以本系统可以快速的采集和处理由污水处理厂的 PLC 控制系统设计第 8 页 共 34 页PLC 所采集的数据，符合控制系统要求的快速性。第二章 污水处理中的 PLC2.1 概述2.1.1 设计范围设计包括厂界内预处理处理、生物滤池、污泥处理及附属设施需要检测和控制应提供的仪表和有关的辅助装置等。2.1.2 PLC 设计综述实用性：PLC 系统其目的在于满足污水厂生产控制和管理要求，在保证先进的条件下，设备和系统应符合实际要求。可靠性：污水处理厂的生产过程要求 PLC 控制系统具有连续可靠性。经济性：PLC 系统的
19、技术含量高，设备复杂，因此，在设计时应进行技术经济比较。先进性：网络技术、信息技术、PLC 控制技术发展迅速。根据某污水处理厂的设计规模和 BAF 生物滤池工艺的特点，本着技术先进，性价比高，适用可靠的原则进行设计。依据集中监测为主，分散控制为辅的基本原则，设计采用以PLC（可编程控制器）为基础的监测控制和数据采集系统（SCADA）,在中央控制室利用PC（工业级 PC）对厂内各工况进行实时监控，并有信号报警和联锁等设施以保证生产正常运行，生产的工艺过程 PLC 采用就地独立控制。从安全生产的角度和操作人员技术掌握程度上考虑，设立三级控制层：设备就地手动、PLC 子站现场监控和中控室远程监控（如
20、图 6 所示）。在综合楼设立中央控制室，下设 1#预处理 PLC 子站，2#BAF 生物滤池 PLC 子站和 3#污泥处理 PLC 子站等共 7 个现场处理子站。在中央控制时可对主要设备实施开、停控制。同时，设备运转状态也通过通讯总线送入上位计算机，在计算机上对全厂设备运转情况进行监控。中央控制室还设置了以太网交换器，与厂级管理 PLC 层以太信息网络相连接，并设置厂长办公终端、生产管理终端、化验室终端。污水处理厂的 PLC 控制系统设计第 9 页 共 34 页2.2 PLC 在污水处理中的部分运用 2.2.1 中央控制室在办公楼设立中央控制室，中央控制室内设有两台 21”纯平高分辨率计算机操
21、作站、一台数据库服务器、三台打印机、一台网络设备。两台计算机操作站互为备用，并可安装PLC 编程软件，程序可方便地通过控制网络分别下载到指定的现场控制站，以便在调试过程中随时修改程序。中央控制室可对整个分控式控制系统进行系统组态管理、系统监测、实时监测、显示、处理、控制各 PLC 子站的状态、通信、数据和信息，完成报警和报表打印。在厂级管理层可以通过 Internet 将结果、效益分析等发往主管局等政府机关（如图 7 所示）。污水处理厂的 PLC 控制系统设计第 10 页 共 34 页主要功能：生产工艺过程以工艺流程图方式显示，图形可以取出每幅图的局部进行放大，便于分幅，分组组展示，流程上有相
22、关的实时生产过程的动态参数值显示。当动态显示值显示改变时，随之改变图形的数值。2.2.2 控制网络系统通讯控制网络系统采用可与信息系统无缝连接、可进行三阶层通信、高速可靠通信。PLC 控制系统中央控制室与现场 PLC 子站之间采用最先进的控制网络，该控制网是一种最现代化的开放网络，已成为工业 PLC 领域的标准网络。它具有灵活的结构，安装方便，支持PLC 之间及 PLC 和上位机之间的自动数据链接，也可使用信息服务进行可编程的数据传送，可得到大容量、柔性数据链接及大容量的数据传送，对应低成本的通信系统。其通讯介质选屏蔽双绞线。通讯速率可达 2Mbps，保证数据高速确定地传输。主要特性：通讯方法为 N:N 令牌环。在网络两端内藏必要的终端电阻，只需作开关设定。最大传送距离：1KM（线缆）20KM（光缆）。最大传输率：2Mbps。传送媒体方式：屏蔽双绞线或光缆。最大节点数：32 或 62PLC。通过网关或 PLC 可与其他控制网络、现场总线相连。中央控制室与厂级管理层之间采用 100Mdps 的以太通讯网，该网带有 E-mail 功能，能向 mail server 发送用户自定义信息，故障信息，状态信息等，通过网关（以太网交换器）或 PLC 可与其他控制网络、现场总线相连。主要特性：支持 TCP/IP,UDP/IP 标准协议。传输率：10/100Mbps。
