趙越

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，大慶163319）

隨著城市人口的急劇增長(zhǎng)和工業(yè)的不斷發(fā)展，大量生活和工業(yè)污水未經(jīng)處理流入江河湖海，使環(huán)境和飲用水被嚴(yán)重污染。因此，建立高度自動(dòng)化的污水處理系統(tǒng)是解決水污染問(wèn)題的有效途徑，而現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，為控制技術(shù)在污水方面廣泛應(yīng)用，提供了必要的前提。如何使污水處理過(guò)程實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)檢測(cè)、控制和管理，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低成本、穩(wěn)定可靠的運(yùn)行方式，成為建立高度自動(dòng)化污水處理系統(tǒng)的關(guān)鍵性問(wèn)題[1]。

目前，PLC在穩(wěn)定性、高度自動(dòng)化程度的不斷發(fā)展和加強(qiáng)，使PLC成為城市污水處理自動(dòng)化方面的首選。本文采用松下PLC的FP-XC60R可編程控制器和智能檢測(cè)儀表組成下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控。上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)參數(shù)的匯集和顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)畫面監(jiān)測(cè)、參數(shù)的設(shè)定和指令控制等功能[2]。該系統(tǒng)集DCS控制系統(tǒng)和科學(xué)管理于一體，具有控制性能優(yōu)越、可靠性高、管理功能完善等優(yōu)點(diǎn)。

1 污水處理工藝流程

城市污水主要是居民生活和工業(yè)企業(yè)所排放的，污水中含有大量的有機(jī)物，因此這種污水稱為生化污水。這種污水的處理工藝是利用生物的吸附、氧化和分解作用來(lái)降解污水中的有機(jī)物含量，從而形成可以沉淀的污泥，達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。

城市污水的處理工藝的簡(jiǎn)要流程如圖1所示，污水依次流經(jīng)粗格柵、進(jìn)水泵房、細(xì)格柵、沉砂池、分配井、氧化溝和二沉池來(lái)實(shí)現(xiàn)污水的處理。其中各部分的主要功能如下[3]：

（1）粗格柵用于除掉污水中的污物和大塊雜物，從而保護(hù)進(jìn)水泵房中的提升泵。

（2）進(jìn)水泵房用于將污水提升，其中提升泵實(shí)現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)換。

（3）細(xì)格柵除去污水中的小雜物塊。

（4）除砂機(jī)實(shí)現(xiàn)砂的篩除和處理，還有處理浮渣油脂等。

（5）沉砂池沉淀水中的污泥，用刮砂機(jī)收集污泥至污泥泵房。

（6）氧化溝為生化處理區(qū)，通過(guò)曝氣供養(yǎng)，培養(yǎng)微生物大量繁殖，形成更多的活性污泥。

（7）二沉池徹底澄清污水，使泥水分離。

圖1 污水處理工藝流程圖Fig.1 Sewage treatment process flow diagram

2 系統(tǒng)軟硬件配置與功能

2.1 PLC控制站硬件配置

PLC采用日本松下的FP-XC60R，根據(jù)系統(tǒng)要求，對(duì)PLC控制站進(jìn)行硬件配置。污水處理的設(shè)備包括：進(jìn)水泵、排污泵、柵格機(jī)、傳送機(jī)、配電設(shè)備、各種檢測(cè)儀表和傳感器等。其中各種傳感器主要完成測(cè)量集水池水位和柵格間水位，測(cè)量各個(gè)進(jìn)水泵出口壓力，以及測(cè)量進(jìn)水泵出口流量等。這些設(shè)備都需要與PLC進(jìn)行通信，而通信的信號(hào)包括數(shù)字量的輸入、輸出，模擬量的輸入、輸出[4]。

系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Control system frame

2.2 PLC控制站的控制方式與功能

系統(tǒng)運(yùn)行的控制方式分為中央遠(yuǎn)程控制和就地控制兩種，就地控制裝置設(shè)置在控制設(shè)備附近，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)（自動(dòng)/手動(dòng)）開關(guān)切換到手動(dòng)，由現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)直接控制設(shè)備，或者對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試、維修。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)（手動(dòng)/自動(dòng)）開關(guān)切換到自動(dòng)，則生成中央遠(yuǎn)程控制方式，在這種方式下，由PLC按照預(yù)先編制的程序控制各類泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的開、停，切換各種工況狀態(tài)，不需要人員的干預(yù)。每臺(tái)設(shè)備和每種工況的運(yùn)行情況可以由上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，每種工況的運(yùn)行時(shí)間及各種測(cè)量參數(shù)均可以在線或離線調(diào)整?，F(xiàn)場(chǎng)的泵類、風(fēng)機(jī)等信號(hào)通過(guò)PLC的控制轉(zhuǎn)化在上位機(jī)顯示[5]。因此，既能對(duì)設(shè)備開關(guān)量（如各類攪拌器、風(fēng)機(jī)、泵類的開停）進(jìn)行控制，又能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的模擬量（如污泥降解池內(nèi)的溶解氧等）進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)計(jì)算機(jī)直接遙控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，從而對(duì)系統(tǒng)的工藝、設(shè)備運(yùn)行完成全面的監(jiān)測(cè)和控制。

2.3 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)軟件采用高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行編寫，如VB、delphi等。實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)所有參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)的顯示、監(jiān)測(cè)以及控制，其主要功能如下[6]：

（1）對(duì)軟件設(shè)置口令保護(hù)，以免非操作人員進(jìn)入系統(tǒng)或隨意中斷運(yùn)行中的系統(tǒng)。

（2）通過(guò)鍵盤（或鼠標(biāo)）直接控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如啟動(dòng)或停止各類泵、風(fēng)機(jī)、閥門等。

（3）提供工藝過(guò)程參數(shù)監(jiān)測(cè)流程圖，模擬量顯示圖、趨勢(shì)圖等動(dòng)態(tài)畫面顯示，顯示各主要設(shè)備運(yùn)行時(shí)間參數(shù)和控制回路參數(shù)設(shè)置畫面等。

（4）系統(tǒng)主要參數(shù)和報(bào)警信號(hào)登錄。登錄數(shù)據(jù)可供控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和工藝人員參考，以分析設(shè)備運(yùn)行情況，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，從而進(jìn)一步改進(jìn)控制方案。當(dāng)系統(tǒng)的設(shè)備出現(xiàn)故障及超越儀表設(shè)定值時(shí)閃爍報(bào)警，提醒操作人員采取相應(yīng)措施，在保證生產(chǎn)安全的同時(shí)，盡快找出故障的原因，并給出解決問(wèn)題的方法。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接關(guān)系到系統(tǒng)控制質(zhì)量和人員設(shè)備的安全，所以軟件開發(fā)的可靠性、完善性對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)是非常重要的。本系統(tǒng)用戶軟件分為下位機(jī)和上位機(jī)兩部分，兩部分之間通過(guò)無(wú)線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從而達(dá)到了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程上傳和控制指令的遠(yuǎn)程無(wú)線下達(dá)。

3.1 下位機(jī)程序

下位機(jī)PLC的用戶程序設(shè)計(jì)是基于松下公司FP-X的編程工具FPWIN GR軟件平臺(tái)上完成硬件組態(tài)、地址和站址的分配以及用戶程序的設(shè)計(jì)開發(fā)。FPWIN GR中文版軟件提供了3種編程方式：符號(hào)梯形圖方式、布爾梯形圖方式和布爾式方式，本系統(tǒng)采用第一種方式進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。程序設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，根據(jù)所控設(shè)備的實(shí)際情況，可把污水處理流程分為若干個(gè)分流程，每個(gè)分流程對(duì)應(yīng)一個(gè)功能塊。把程序分成若干程序塊，各程序塊分別還有一些設(shè)備和任務(wù)程序指令，在主程序中將各種控制功能和通訊數(shù)據(jù)分別編寫在不同的子程序中，主程序調(diào)用子程序完成預(yù)期的各種功能和任務(wù)[7]。主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Main program flowchart

3.2 上位機(jī)程序

上位機(jī)軟件采用可視化的編程軟件進(jìn)行開發(fā)，軟件能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并可以遠(yuǎn)程設(shè)定各種設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，確保故障信息快速、準(zhǔn)確的捕捉，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)了以下幾個(gè)主要界面[8]：

（1）彈出式主菜單 包括各個(gè)反應(yīng)池總貌、歷史趨勢(shì)、實(shí)時(shí)趨勢(shì)、報(bào)警記錄、報(bào)警設(shè)定、參數(shù)表、幫助等功能選項(xiàng)。通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊選項(xiàng)按鈕，彈出相應(yīng)的畫面。各個(gè)畫面之間可以自由切換，并都具有屏幕拷貝和打印輸出的功能。

（2）趨勢(shì)畫面 實(shí)時(shí)趨勢(shì)畫面可以動(dòng)態(tài)顯示參數(shù)變化曲線，歷史趨勢(shì)畫面可保留30 d的參數(shù)變化曲線，均可打印輸出。

（3）總貌畫面 實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)顯示各個(gè)反應(yīng)池的工藝參數(shù)、工藝流程和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

（4）參數(shù)表畫面 用以總覽所有參數(shù)實(shí)測(cè)值及流量等的累計(jì)值。

（5）報(bào)警畫面 在語(yǔ)音報(bào)警同時(shí)，彈出報(bào)警框，提示故障位置，并做歷史記錄。

（6）幫助畫面 以圖文并茂的形式為用戶提供在線幫助。

3.3 遠(yuǎn)程無(wú)線通信程序

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)串口，將PLC與無(wú)線通信模塊相連，由PLC程序完成通信協(xié)議的編寫，在需要上傳數(shù)據(jù)的時(shí)候，啟動(dòng)無(wú)線通信模塊，完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送。上位機(jī)同樣通過(guò)串口連接無(wú)線通信模塊，完成數(shù)據(jù)的無(wú)線接收，由上位機(jī)軟件完成接收數(shù)據(jù)的分解和破譯，并把接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算和顯示。

上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信程序路程圖[9]，如圖4和圖5所示，上位機(jī)和下位機(jī)操作與畫面顯示要保持同步，這是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。

圖4 下位機(jī)通信程序流程圖Fig.4 Lower computer communication program flowchart

4 結(jié)論

采用PLC控制實(shí)現(xiàn)污水處理遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)后，操作人員的工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，改善了操作人員的工作環(huán)境。系統(tǒng)具有調(diào)試簡(jiǎn)單、操作方便、使用安全、運(yùn)行可靠、污水處理效果好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)軟硬件均采用模塊化結(jié)構(gòu)，方便了工程技術(shù)人員的安裝、調(diào)試和維修。因此，把PLC技術(shù)加入污水處理控制系統(tǒng)中，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，提高了可靠性，取得了很好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

圖5 上位機(jī)通信程序流程圖Fig.5 PC communication program flowchar

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