石 磊

(北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120)

0 引言

在國家節(jié)能減排政策的背景下，污水處理已經(jīng)越來越得到重視，九華山旅游集團(tuán)公司推進(jìn)污水處理項(xiàng)目建設(shè)運(yùn)行。通過亞行貸款建九華街區(qū)污水處理廠，加快污水處理產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，有效凈化核心景區(qū)生活污水，保護(hù)九華山生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)旅游經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。九華街污水處理廠目前轉(zhuǎn)入試運(yùn)營階段，污水處理能力3000m3/d。

1 概述

本工程包括九華街污水處理廠工程、景區(qū)各點(diǎn)源污水治理工程。九華街污水處理廠服務(wù)面積1.2Km2，日處理污水能力3000m3。城市污水由廠外污水管網(wǎng)收集后，自流進(jìn)入污水處理廠，污水經(jīng)處理后排入九華河。

污水處理廠及各點(diǎn)源污水治理工程設(shè)計(jì)進(jìn)水指標(biāo)如下：

CODcr：300mg/l

BOD5：160mg/l

SS：170mg/l

總氮：35mg/l

NH3-N：25mg/l

P：2mg/l

污水處理廠及各點(diǎn)源污水治理工程設(shè)計(jì)出水指標(biāo)為：

CODcr：60mg/l

BOD5：20mg/l

SS：20mg/l

總氮：20mg/l

NH3-N：8(15)mg/l

TP：1mg/l

糞大腸菌群數(shù)：104個(gè)/L

按照安徽合肥九華街污水處理廠項(xiàng)目PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)規(guī)范的要求，根據(jù)國內(nèi)外城市污水、供水系統(tǒng)的運(yùn)行管理情況以及在該行業(yè)中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，依照國際自動(dòng)控制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，本著安全可靠、簡單實(shí)用，先進(jìn)的原則，選用羅克韋爾ControlLogix冗余PLC、現(xiàn)場儀表系統(tǒng)組成多級(jí)的、開放的、模塊化的、實(shí)時(shí)多任務(wù)的集散型的可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案。

該監(jiān)控系統(tǒng)具有集中監(jiān)視，分散控制的功能。其特有的雙機(jī)架冗余CUP系統(tǒng),在主PLC故障狀態(tài)下可實(shí)時(shí)切換至備用PLC使系統(tǒng)仍可繼續(xù)工作而不影響整個(gè)工藝過程控制和檢測。

本監(jiān)控系統(tǒng)的配置,不但能夠?qū)崟r(shí)采集和顯示出各設(shè)備的運(yùn)行工況及各項(xiàng)工藝運(yùn)行參數(shù),而且能夠合理解決和協(xié)調(diào)運(yùn)行中各工藝單元之間的優(yōu)化配合，以提高整個(gè)污水處理系統(tǒng)的的運(yùn)行管理水平，使整個(gè)系統(tǒng)能夠正常、穩(wěn)定、安全、高效、低耗運(yùn)行，并取得最佳效益。

2 控制系統(tǒng)說明

系統(tǒng)采用國際流行的以太網(wǎng)、控制網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)“三網(wǎng)合一”的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用多媒體信息技術(shù)對(duì)生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行指揮與監(jiān)控的能力，充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)信息處理功能。通過10/100M自適應(yīng)光纖工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)將中央監(jiān)控工作站及現(xiàn)場控制站連接起來，實(shí)現(xiàn)了集中管理、分散控制。避免了集中控制系統(tǒng)危險(xiǎn)度集中、可靠性差、不易擴(kuò)展和控制電纜用量大等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了信息、調(diào)度、管理上的集中和功能及控制危險(xiǎn)上的分散。系統(tǒng)中的PLC采用美國ROCKWELL公司的ControlLogix冗余PLC產(chǎn)品，可靠性高，保證10萬小時(shí)無故障。其高性能的CPU和快速I/O，以及多任務(wù)的軟件結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)響應(yīng)速度大大提高。同時(shí)PLC系統(tǒng)模塊的可帶電插拔交換功能，保證了系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。軟件方面本系統(tǒng)采用的ROCKWELL公司的工控軟件產(chǎn)品，集成化高，界面豐富，上位監(jiān)控軟件及PLC編程軟件的組態(tài)和設(shè)置非常簡單，通過二次開發(fā)的監(jiān)控操作界面，操作者可方便地通過該界面對(duì)整個(gè)污水處理廠進(jìn)行遠(yuǎn)方及現(xiàn)場就地操作。

系統(tǒng)詳細(xì)配置圖如圖1所示。

本工程自控系統(tǒng)采取“集中監(jiān)測，管理，分散控制”的方式，由中控室計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場控制站（可編程控制器PLC）組成整個(gè)污水工程的SCADA系統(tǒng)，完成整個(gè)污水工程調(diào)度、控制、管理任務(wù)。中控室監(jiān)控計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場PLC組成實(shí)時(shí)工業(yè)控制網(wǎng)。

全廠設(shè)備的控制可通過以下三種方式完成：

1）就地手動(dòng)：優(yōu)先級(jí)最高，當(dāng)現(xiàn)場轉(zhuǎn)換開關(guān)處于“手動(dòng)操作”時(shí)，PLC的控制被屏蔽。主要現(xiàn)場設(shè)備均可在就地接鈕箱或現(xiàn)場控制箱上實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)切換及開、停等人工操作。

2）遠(yuǎn)程PLC自動(dòng)控制：利用PLC的邏輯控制功能，提供設(shè)備的自動(dòng)，及關(guān)聯(lián)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)，連鎖控制，及閉環(huán)控制。各分站管轄的區(qū)域的設(shè)備以這種控制方式為主。

3）中央監(jiān)控總站中控：中央監(jiān)控總站，通過人機(jī)操作界面，對(duì)全廠的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)宏觀調(diào)控，處理局部的停機(jī)事故和緊急狀態(tài)，維持系統(tǒng)的總體協(xié)調(diào)。

另控制站PLC在手動(dòng)/自動(dòng)/中控切換中具有無擾動(dòng)切換功能。工程在工藝流程各個(gè)環(huán)節(jié)中設(shè)置了完整的全過程檢測儀表，如流量、液位、壓力、PH等檢測儀表，確保對(duì)工藝全過程運(yùn)行狀態(tài)、水量、水質(zhì)的監(jiān)控，滿足各環(huán)節(jié)的自動(dòng)控制需要。通過監(jiān)控系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)的設(shè)置，達(dá)到對(duì)污水廠各個(gè)處理環(huán)節(jié)的及時(shí)、準(zhǔn)確的控制，用以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。監(jiān)控系統(tǒng)將實(shí)時(shí)監(jiān)控污水處理廠的運(yùn)行，例如進(jìn)出廠水的各種參數(shù)、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，控制污水處理廠各種設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，保證污水廠安全、可靠、高效的運(yùn)行。

圖1 安徽合肥九華山污水處理項(xiàng)目PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置圖

圖2 PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

PLC控制器采用的是Rockwell公司ControlLogix雙機(jī)熱備產(chǎn)品，CUP為Logix5555系列控制器，PLC現(xiàn)場控制站通過光纖冗余環(huán)網(wǎng)Ethernet與中央控制室計(jì)算機(jī)聯(lián)接，遠(yuǎn)程I/O站通過ControlNet現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)連接在相應(yīng)的PLC控制站上?，F(xiàn)地控制站既能夠獨(dú)立進(jìn)行現(xiàn)場各開關(guān)量、模擬量的數(shù)據(jù)采集和控制，又能夠通過網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳送，將各儀表及泵閥等狀態(tài)信息傳送到上位機(jī)，完成中央控制室的實(shí)時(shí)監(jiān)控。ControlLogix其功能強(qiáng)大的CPU，開放式的總線結(jié)構(gòu)為本污水處理系統(tǒng)后續(xù)的升級(jí)改造創(chuàng)造的良好的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

污水處理廠通訊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分三層：

第一層為信息管理層，即中控室監(jiān)控設(shè)備間及與現(xiàn)場控制站間采用工業(yè)以太網(wǎng)(EtherNet/IP)，基于IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的EtherNet／IP網(wǎng)絡(luò)采用有源環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由光纖環(huán)網(wǎng)交換機(jī)提供虛擬連接。環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持10Mbps和100Mbps產(chǎn)品。主要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為德國赫斯曼的光纖環(huán)網(wǎng)交換機(jī)。該以太網(wǎng)交換機(jī)可自動(dòng)處理速度差異，使用戶可以混合使用10Mbps和100Mbps設(shè)備?？刂圃O(shè)備為全雙工設(shè)備，以減少數(shù)據(jù)包沖突并使設(shè)備能同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

第二層為控制層，即現(xiàn)場控制站與現(xiàn)場控制分站之間的通訊，采用Rockwell公司的控制總線網(wǎng)ControlNet。該總線網(wǎng)絡(luò)是開放的、國際上認(rèn)可的現(xiàn)場總線。它是一個(gè)實(shí)時(shí)的控制網(wǎng)絡(luò)，用于高速傳送實(shí)時(shí)I/O數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)包括程序上載/下載、組態(tài)數(shù)據(jù)及對(duì)等通信，所有這些都在一個(gè)單獨(dú)的物理介質(zhì)鏈路上傳送，網(wǎng)絡(luò)具有高度的確定性，能可靠預(yù)測數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間。ControlNet傳輸速率為5M。

第三層為設(shè)備層（FieldBus），設(shè)備層現(xiàn)場總線可分為二種：

設(shè)備層現(xiàn)場總線用于PLC與現(xiàn)場控制箱、高低壓開關(guān)柜之間的通訊，將采用開放的、國際上認(rèn)可的現(xiàn)場總線DeviceNet。其通訊速率125kbps～0.5Mbps，視傳輸距離而定，通信介質(zhì)為屏蔽雙絞線電纜。

3 結(jié)論

ControlLogix雙機(jī)熱備產(chǎn)品在污水處理中的廣泛應(yīng)用，體現(xiàn)了在國家節(jié)能減排政策的背景下，污水處理已經(jīng)越來越得到應(yīng)有的重視。污水處理控制系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行得到了有效的保證。