宋書(shū)軍

(葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司，四川成都 610091)

1 概述

混凝土用粗骨料經(jīng)過(guò)二次篩分后產(chǎn)生大量高濁度水，有時(shí)濁度甚至高達(dá)140000 NTU，而且此類廢水成分主要含石粉、泥土和少量油脂。處理此類廢水的水處理廠輔助設(shè)備多，要求設(shè)備的動(dòng)作要及時(shí)且高可靠，否則可能因各種管道堵管、凈水藥劑添加不準(zhǔn)而導(dǎo)致整個(gè)水處理系統(tǒng)的循環(huán)過(guò)程崩潰的后果。筆者主要介紹了對(duì)此類水處理廠的電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)。包括上位機(jī)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)思想;下位控制單元及現(xiàn)場(chǎng)控制單元的配置及控制算法。

一般此類廢水電氣自動(dòng)系統(tǒng)主要由工業(yè)控制機(jī)、PLC 控制器、PLC 輸入輸出擴(kuò)展模塊、模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換模塊等配以外圍原水濁度測(cè)量傳感器、液位控制器、電磁閥、設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)控制柜、回信器組成污水現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示整個(gè)污水處理廠區(qū)設(shè)備的平面布置圖，設(shè)備的工作/故障狀態(tài)，工藝流程，廢水的實(shí)時(shí)濁度變化和發(fā)展趨勢(shì)并自動(dòng)調(diào)整凈水劑投加量和自動(dòng)定時(shí)排污。可對(duì)廢水濁度及設(shè)備運(yùn)行報(bào)警數(shù)據(jù)定時(shí)存盤并報(bào)警打印。在綜合了國(guó)內(nèi)現(xiàn)有污水廠電氣自動(dòng)控制的不同方案并結(jié)合錦屏一級(jí)水電站大壩右岸高線拌和廢水處理系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，我們采用了研華610工業(yè)控制機(jī)、德國(guó)SEMENS S7系列控制器及擴(kuò)展模塊、ZDGD 系列原水濁度儀、現(xiàn)場(chǎng)操作柜、氣動(dòng)蝶閥、液位控制器等組成本系統(tǒng)，目的在于解決高線拌和廢水處理系統(tǒng)的自動(dòng)實(shí)時(shí)投加凈水劑、定時(shí)排污、實(shí)時(shí)自動(dòng)抽排水等。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成功，可有效節(jié)約凈水劑的用量;節(jié)約廢水處理系統(tǒng)人員配置;節(jié)省因排污不及時(shí)造成管道堵塞而額外增加人力設(shè)備資源投入的費(fèi)用;減輕運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度;充分發(fā)揮現(xiàn)有廢水處理設(shè)備的效能，提高污水處理能力。

2 系統(tǒng)的組成

A:用MCGS 可視化編程軟件編制的上位機(jī)監(jiān)控軟件——用于顯示整個(gè)污水處理廠區(qū)的平面圖;顯示設(shè)備間的相互位置;污水處理的工藝流程;原水濁度的歷史曲線及發(fā)展趨勢(shì);現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行/故障狀態(tài)及報(bào)警數(shù)據(jù)顯示;原水濁度的實(shí)時(shí)顯示及定期存盤。

B:PLC 控制程序——實(shí)現(xiàn)廢水現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的自動(dòng)控制(檢測(cè)原水液位，實(shí)時(shí)控制抽排水，測(cè)量原水濁度，控制凈水劑的投加量，定時(shí)自動(dòng)排污);對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行工程處理。先將模擬信號(hào)(4～20 mA)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行數(shù)字濾波，再進(jìn)行取均方根計(jì)算、二進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換，最后送到工業(yè)控制機(jī)進(jìn)行顯示、報(bào)警等處理。

C:外圍硬件控制系統(tǒng)——進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原水濁度電量信號(hào)的轉(zhuǎn)換和遠(yuǎn)距離傳送;同時(shí)配置設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)操作柜，既可應(yīng)急操作，又能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備進(jìn)行諸如三相電壓缺相、電機(jī)過(guò)負(fù)荷、三相電流不平衡、漏電、漏油、漏水等的保護(hù)。

3 主要技術(shù)內(nèi)容

3.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)是一個(gè)中型工業(yè)控制系統(tǒng)。但為了便于開(kāi)發(fā)，我們將該系統(tǒng)分為六個(gè)較小的功能模塊，以便分步設(shè)計(jì)、單獨(dú)調(diào)試，最后進(jìn)行系統(tǒng)集成，以減少開(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，若某一項(xiàng)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不了時(shí)，可以及時(shí)終止項(xiàng)目開(kāi)發(fā)以減少損失(圖1)。六個(gè)子模塊分別為:

圖1 系統(tǒng)示意圖

3.2 廢水處理系統(tǒng)各模塊的功能

(1)高線拌和廢水處理監(jiān)控程序子模塊。

該模塊主要是利用MCGS 5.1組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)出廢水處理的上位機(jī)操控軟件。該模塊的功能是顯示污水廠區(qū)的整個(gè)平面圖、廢水處理設(shè)備間的相互關(guān)系、動(dòng)態(tài)工作過(guò)程、設(shè)備故障/運(yùn)行狀態(tài)、整個(gè)工藝流程、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的歷史曲線及發(fā)展趨勢(shì);對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的存盤處理、打印及在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的操控(數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖2)。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖

(2)PLC 控制程序模塊。

該模塊主要是利用V4.0 STEP 7 MicroWIN SP4編程軟件編制出切合此項(xiàng)目合理的控制軟件。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集得到的開(kāi)關(guān)量信號(hào)、廢水濁度數(shù)字量信號(hào)等進(jìn)行運(yùn)算處理后控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并將采集到的信號(hào)通過(guò)485數(shù)據(jù)線送給上位工業(yè)控制機(jī)進(jìn)行存盤處理并進(jìn)行設(shè)備故障狀態(tài)的報(bào)警或各種參數(shù)的顯示、打印等處理。

(3)原水濁度采集模塊。

該模塊主要采用兩臺(tái)ZDGD-1000型在線原水濁度儀，分別安裝于原水提取泵的后端(污水匯集總管處)，用于測(cè)量廢水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)進(jìn)水濁度。一臺(tái)安裝于旋流反應(yīng)池的出水管處(亦即清水池的入水口)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)廢水處理系統(tǒng)的出水濁度。這兩臺(tái)濁度儀將測(cè)得的濁度信號(hào)以電量的方式(0-1000 NTU 的濁度信號(hào)對(duì)應(yīng)電量信號(hào):4～20 mA)傳輸給PLC 控制器，為PLC 控制器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制提供數(shù)據(jù)參照。原水濁度儀的技術(shù)參數(shù)如下:

型號(hào):ZDGD-1000

檢測(cè)范圍:0～1000 NTU

供電電壓:220 VAC

輸出信號(hào):4～20 mA

外供電壓:24 VDC

(4)廢水加藥機(jī)現(xiàn)場(chǎng)/遠(yuǎn)程控制模塊。

該模塊的主要功能:設(shè)置遠(yuǎn)程/本地加藥機(jī)控制功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加藥機(jī)的本地啟動(dòng)/停止和接收PLC 的遠(yuǎn)程控制信號(hào)。同時(shí)設(shè)置對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加藥及攪拌電動(dòng)的過(guò)負(fù)荷、電氣短路、三相電壓不平衡、電氣缺相等保護(hù)功能。部分電氣元器件如下:

CD-10電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器4臺(tái)

SE-32交流接觸器4臺(tái)(帶附助觸頭)

交流220 V 信號(hào)燈5個(gè)(分別指示總電源及各電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài))

LW15萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)1個(gè)(進(jìn)行遠(yuǎn)程/現(xiàn)地控制切換)

RT14保險(xiǎn)(2A)2組(用于二次回路短路保護(hù))

DZ-32斷路器4個(gè)(用于4臺(tái)電動(dòng)機(jī)的一次回路進(jìn)行短路保護(hù))

DZ-63斷路器1個(gè)(用于現(xiàn)地柜的總電源)

(5)原水提取泵現(xiàn)場(chǎng)控制模塊。

該部分主要是對(duì)原來(lái)廠家配套的2臺(tái)潛污水泵現(xiàn)場(chǎng)電氣控制柜(控制4臺(tái)原水泵，現(xiàn)只有2臺(tái)泵、1臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)電氣控制柜)進(jìn)行改造，保留其原有對(duì)電動(dòng)機(jī)的漏電、漏油、電氣缺相、過(guò)負(fù)荷、電氣短路等保護(hù)功能。同時(shí)加裝液位控制器，使其具備遠(yuǎn)程/本地控制功能，在實(shí)現(xiàn)本地操作功能的同時(shí)，又可接收PLC 的遠(yuǎn)程控制和向PLC 反饋水泵的工作狀態(tài)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)抽水。其增加的主要元器件如下:

SE-4接觸器輔助觸頭4個(gè)

JXQ13型繼電器4個(gè)

UQK-61型液位控制器2套(一備一用，以保證可靠性)

(6)廢水現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工作狀態(tài)采集模塊。

該模塊的主要功能是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制柜內(nèi)主接觸器的輔助觸頭并給各種排污閥門配置相應(yīng)的回信器以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)廢水處理設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)控，確保PLC 發(fā)出的指令被相應(yīng)設(shè)備執(zhí)行。主要元器件如下:

各廢水設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)控制柜主接觸器(通過(guò)改造現(xiàn)場(chǎng)控制柜獲得，執(zhí)行PLC 指令);

各廢水設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)控制柜主接觸器的輔助觸頭(通過(guò)改造現(xiàn)場(chǎng)控制柜獲得，反饋工作狀態(tài));

排污閥電磁線圈(執(zhí)行PLC 發(fā)出的排污指令);

AL—10型回信器(配于各種排污閥，反饋閥門工作狀態(tài))。

4 高線污水處理電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的主要計(jì)算過(guò)程

該系統(tǒng)是一個(gè)中型工業(yè)控制系統(tǒng)，相對(duì)較簡(jiǎn)單。工程計(jì)算僅牽涉原水濁度電量信號(hào)的工程計(jì)算和處理以及現(xiàn)場(chǎng)廢水設(shè)備的工作狀態(tài)處理，即部分設(shè)備或關(guān)鍵設(shè)備故障時(shí)控制方案優(yōu)化的算法問(wèn)題?，F(xiàn)分別敘述如下:

(1)原水濁度采集模塊數(shù)字量工程計(jì)算。因該系統(tǒng)選用的ZDGD-1000型原水濁度儀其原水濁度測(cè)量范圍為0-1000 NTU，對(duì)應(yīng)的電流量輸出信號(hào)范圍為:4～20 mA。此信號(hào)送到中央控制室時(shí)，通過(guò)PLC 的EM231-OH22-OXA8 A14X12BIT 模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成0-32767的二進(jìn)制數(shù)。為防止干擾信號(hào)的竄入，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性并顯示穩(wěn)定性及可讀性，首先將此信號(hào)的采樣頻率定為100 ms 采集一次并連續(xù)采集5次，得D1、D2、D3、D4、D5，并對(duì)這5次數(shù)據(jù)取均方根，即D=SQRT(D12+D22+D32+D42+D52)/5，進(jìn)行數(shù)字濾波。濾波后的數(shù)字量仍為二進(jìn)制(范圍0-32767)。為了進(jìn)行顯示，必須轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)S(即S=(1000×D)/32767)，再進(jìn)行二進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換。為了保證所顯示的穩(wěn)定性和可觀看，對(duì)顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷刷新，刷新頻率為0.5 s。

(2)啟發(fā)式算法。在廢水系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行正常情況下，參與運(yùn)行的設(shè)備按照規(guī)劃規(guī)定的配合關(guān)系運(yùn)行。當(dāng)有外部事件發(fā)生時(shí)(如某臺(tái)污水設(shè)備損壞時(shí))，調(diào)用調(diào)度策略進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。調(diào)整策略是一種算法，它根據(jù)所搜集到的系統(tǒng)各個(gè)部分的實(shí)時(shí)狀況，在進(jìn)行分析綜合后按一定的規(guī)則向各個(gè)相關(guān)設(shè)備發(fā)出控制信號(hào)，指揮系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行。該規(guī)則在此是一般的邏輯函數(shù)關(guān)系。

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題有很多，它們可能發(fā)生在任何時(shí)間和任何設(shè)備。比如抽水系統(tǒng)中的原水提取泵出現(xiàn)堵塞、漏油、電氣短路、過(guò)負(fù)荷或急停故障等影響生產(chǎn)的情況發(fā)生時(shí)，都被認(rèn)為是原水泵故障。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，為了便于維修，需要提示確切的故障位置，但是我們不必對(duì)每一種情況都制訂一種對(duì)策。因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)，有很多故障對(duì)系統(tǒng)造成的影響是相同的，我們可以將它們合并為一類故障，制訂一個(gè)通用的對(duì)策加以處理。根據(jù)處理方法的不同，我們將所有的對(duì)策歸納為以下幾個(gè)大類:

Ⅰ.某單元只有一個(gè)電機(jī)發(fā)生了故障。這時(shí)仍可以繼續(xù)運(yùn)行，但效率降低了。

* IF 1#原水泵OR 2#原水泵故障THEN

* IF 1#攪拌器故障OR 1#加藥機(jī)故障OR 2#攪拌器故障OR 2#加藥機(jī)故障THEN

* IF 1#-11#某一排污閥故障THEN

提示故障報(bào)警

IF 能夠滿足正常運(yùn)行需要THEN

自動(dòng)切換(或手動(dòng))至另一臺(tái)備用原水泵或停止某故障攪拌器、加藥機(jī)或排污閥繼續(xù)生產(chǎn)，提醒運(yùn)行人員及時(shí)搶修。

END

ELSE

END

Ⅱ.如果兩個(gè)原水泵或兩臺(tái)攪拌器和兩臺(tái)加藥機(jī)同時(shí)發(fā)生故障。此時(shí)不能繼續(xù)生產(chǎn)。

* IF 1#原水泵故障AND 2#原水泵故障THEN

* IF 1#攪拌器和1#加藥機(jī)故障AND 2#攪拌器和2#加藥機(jī)故障THEN

* IF 1#-11#排污閥門全部故障THEN

提示故障報(bào)警

停止生產(chǎn)，提醒運(yùn)行人員進(jìn)行搶修。啟用現(xiàn)地控制看是否能恢復(fù)部分生產(chǎn)。

END

當(dāng)外部事件發(fā)生，例如某一原水泵發(fā)生急停故障時(shí)，不妨假設(shè)有以下兩調(diào)度策略可供選擇:

①等待修復(fù)。

②切換至另一臺(tái)原水泵。

分析以上兩種調(diào)度策略，得到最佳決策①或②，以使總費(fèi)用最小。這里的費(fèi)用概念涵義很廣，既包括因等待而造成的生產(chǎn)損失，又可包括因延誤生產(chǎn)而造成的損失等。

以上問(wèn)題相當(dāng)于一個(gè)決策問(wèn)題，它包括一定的目標(biāo)，決策者，可供決策者選擇的可能行動(dòng)(策略和方案)和采取這些可能行動(dòng)后所造成的所有可能結(jié)果，決策過(guò)程就是從可能達(dá)到一定目標(biāo)的一系列可能行動(dòng)，從策略和方案中選出一個(gè)特定的行動(dòng)，以得到最好的結(jié)果。決策過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的判斷過(guò)程，需要對(duì)客觀事物的本質(zhì)有足夠的了解，收集信息，分析處理，最后由決策者做出正確的選擇。

一般而言，決策有狀態(tài)、策略和收益三個(gè)要素。

考慮策略1)等待修復(fù)，這時(shí)面對(duì)的狀態(tài)可能為:

狀態(tài)a.在允許的時(shí)間內(nèi)修好，概率為p1，費(fèi)用包括等待費(fèi)用。

狀態(tài)b.在允許的時(shí)間內(nèi)不能修好，概率p2，費(fèi)用包括因延誤造成的廢料費(fèi)用。

其中，f 為對(duì)各項(xiàng)費(fèi)用的估計(jì)函數(shù)，這些函數(shù)由相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)資料擬合而成。

考慮策略②，改為其它備用設(shè)備。費(fèi)用包括廢水處理效率損失費(fèi)用、等待費(fèi)用等。

在開(kāi)發(fā)中，將不同的調(diào)度策略實(shí)現(xiàn)為不同的調(diào)度成員函數(shù)，供系統(tǒng)中的對(duì)象實(shí)體調(diào)用。這些成員函數(shù)還可以傳入不同的參數(shù)，以考察同一類策略在不同參數(shù)情況下的性能。

本廢水處理系統(tǒng)中關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制策略的選擇，也正是參照了上述算法和控制理論并進(jìn)行了適當(dāng)變通后進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)的。

5 高線廢水處理電氣控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，減少故障機(jī)率。主要采取了以下幾項(xiàng)措施:

(1)控制計(jì)算機(jī)選用知名品牌，且為高可靠性的工業(yè)用計(jì)算機(jī)，PLC 控制器選用德國(guó)西門子公司的產(chǎn)品，性價(jià)比較高。

(2)系統(tǒng)在中控室設(shè)置自動(dòng)、手動(dòng)控制各一套，同時(shí)加上現(xiàn)場(chǎng)的手動(dòng)操作系統(tǒng)。系統(tǒng)總共有三套單獨(dú)操作系統(tǒng)，控制系統(tǒng)有足夠的冗余。

(3)中央控制室的控制系統(tǒng)與外界的電氣連結(jié)采用繼電器隔離加PLC 控制器I/O 輸出口的光電隔離。系統(tǒng)有兩道電氣隔離功能，從而減少了外部電氣故障影響中央控制室的機(jī)率。

6 廢水處理電氣控制系統(tǒng)主要元器件性能

(1)計(jì)算機(jī)——選用工業(yè)控制用、性價(jià)比較高的主流機(jī)——研華610工業(yè)控制機(jī)。

型式:工控機(jī)IPC610。

品牌:臺(tái)灣研華。

CPU:INTEL PⅣ2.8 GHz。

內(nèi)存:DDR256 M。

硬盤:80 G，1 GB 緩存，7200 rpm。

光驅(qū):32X 及以上CD-RW/DVD ROM COMBO。

接口:2×10/100/1000 M 以太網(wǎng)卡，USB2.0，PS/2，串口，并口，顯示接口等。

＞插槽:4 PCI，4DIMM 等。

＞顯卡:256 MB 顯存128位以上名牌顯卡。

＞顯示器:14″液晶顯示器。

與PLC 通過(guò)PC/PPI 電纜(H485通信方式)進(jìn)行通信。負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)量、數(shù)字量、報(bào)警值的采集并在監(jiān)控畫(huà)面上進(jìn)行顯示。

(2)PLC 控制器——選用國(guó)際著名的德國(guó)SIEMENS 公司S7-200PLC 控制器主機(jī)(PLC 主機(jī)技術(shù)參數(shù):CPU226216-2BD23-OXBO 為PLC 控制器的基本單元，其額定輸入電壓為172～264 VAC，最大輸入有效功率為78 W，用戶輸出電流為0.2A@24 VDC;其用戶內(nèi)存為16 K，最大本地I/O 能力為960，最大本地模擬量I/O 能力為40)及EM231-OH22-OXA8 A14X12BIT 模擬量/數(shù)字量輸入轉(zhuǎn)換模塊(技術(shù)參數(shù):模擬量點(diǎn)數(shù)為4路，輸入方式為電壓或電流，背板電流負(fù)載為0.025A@5 VDC，分辨率為16位)等組成下位機(jī)。通過(guò)運(yùn)行污水處理程序進(jìn)行對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的模擬信號(hào)、開(kāi)關(guān)量信號(hào)進(jìn)行處理和上傳。

7 結(jié)語(yǔ)

該電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)投入運(yùn)行以來(lái)，實(shí)現(xiàn)了抽排水、凈水劑投加、斜管沉淀池和預(yù)沉器排污的全自動(dòng)，有效減輕了廢水運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度及各種廢水處理設(shè)備和管道的堵塞機(jī)率，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。但由于現(xiàn)有廢水濁度大大高于業(yè)主招標(biāo)給定的參數(shù)，進(jìn)而造成了現(xiàn)有廢水設(shè)備處理能力不足。后續(xù)將增加廢水干化設(shè)備，相應(yīng)的電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)也將進(jìn)一步增加和完善。