唐俊濤，鄭 萍，劉會勇，周 華，鄧燕南

(1.西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610039;2.四川致源控制設(shè)備有限公司，四川成都 610041)

1 倒置A2O的污水處理工藝

污水處理是把從污水管網(wǎng)的污水轉(zhuǎn)化為國家GB18918—2002一級A類排放水的過程。污水中含有大量的難以降解的有機(jī)物、無機(jī)鹽、氮和磷，需要通過相應(yīng)的處理工藝段進(jìn)行處理，不同的污水處理工藝有不同的效果。本系統(tǒng)采用目前最先進(jìn)的對污水有良好脫氮除磷效果的倒置A2O(AAO，Anaerobic-Anoxic-Oxic)處理工藝，其脫氮除磷功能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)A2O工藝［1］。整個污水處理工藝流程主要分為廠外提升泵站、預(yù)處理站、倒置A2O生化池站、二沉池站、反沖洗控制站、出水間站6個工藝段，系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 污水處理工藝流程圖

各工藝段功能:廠外提升泵站將污水管網(wǎng)的污水提升后以一定速度送至污水處理廠進(jìn)行處理;預(yù)處理站去除污水中粒徑大于0.2 mm的沙粒和部分無機(jī)懸浮物，便于后續(xù)生化處理;倒置A2O生化池站去除有機(jī)物和營養(yǎng)物、SS(水質(zhì)中懸浮物)、BOD(生化耗氧量)、COD(化學(xué)耗氧量)［2］;二沉池站通過自然沉淀對生化池處理后的污水進(jìn)行泥水分離;反沖洗控制站通過濾池的過濾和反沖洗，進(jìn)一步去除水中色度、SS及BOD、COD等污染物，減少細(xì)菌數(shù)量;出水間站用于化學(xué)除磷以及對出水的流量、水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控。生化池作為整個污水處理的核心工藝，其對污水的處理效果直接影響到出水水質(zhì)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)集成設(shè)計

不同的污水處理工藝有不同的控制系統(tǒng)方案，控制系統(tǒng)需要高效率地實現(xiàn)工藝要求。為了滿足70萬m3/d的污水處理量，設(shè)計了3條污水處理線同時工作來實現(xiàn)大容量地處理污水，3條線的處理工藝和控制方法完全相同。與之相應(yīng)的是污水處理控制系統(tǒng)信息采集量大，控制過程復(fù)雜，使用的現(xiàn)場設(shè)備和儀表多，I/O點達(dá)一萬多個。為此設(shè)計了監(jiān)控層、控制層和設(shè)備層3層結(jié)構(gòu)的分布式污水處理控制系統(tǒng)，系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

圖2 污水處理控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

設(shè)備層由現(xiàn)場設(shè)備檢測單元(包括超聲波液位計、壓力變送器等)、現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如刮泥機(jī)、電動機(jī)、電磁閥)等。相應(yīng)于一萬多個I/O點，現(xiàn)場設(shè)備種類繁多，通信模式亦多樣。大部分是與相應(yīng)的主從PLC站的I/O模塊直接連接，也有相當(dāng)一部分采用了Profibus DP、Modbus RTU等通信協(xié)議;系統(tǒng)的控制層是控制系統(tǒng)的核心，根據(jù)點位及通道數(shù)量設(shè)計了13個ControlLogix系列的主PLC站和57個CompactLogix系列的從PLC站，將各個工藝通過相應(yīng)的PLC分別實現(xiàn)，以避免集中控制所帶來的風(fēng)險。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，每個主站的PLC都采用了熱冗余技術(shù)。監(jiān)控分為基于觸摸屏的現(xiàn)場監(jiān)控和基于IPC的上位監(jiān)控。每個PLC主站都有HMI人機(jī)界面，在中心機(jī)房設(shè)有以工業(yè)計算機(jī)為核心的上位監(jiān)控系統(tǒng);由于采用分布式控制系統(tǒng)方案，因此通信網(wǎng)絡(luò)尤為重要。在分布式控制層采用基于工業(yè)以太網(wǎng)的光纖環(huán)網(wǎng)技術(shù)，以實現(xiàn)個控制主站的信息交互，滿足現(xiàn)場對信息傳輸?shù)目煽啃砸螅?］。控制層通過光交換機(jī)與監(jiān)控層接口，光纖環(huán)網(wǎng)將控制層的信息通過光交換機(jī)送入監(jiān)控層的工業(yè)以太網(wǎng)。

2.2 控制層設(shè)計

2.2.1 控制層選型設(shè)計

對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中主PLC站主要的模塊選型設(shè)計予以說明:

(1)PS:電源模塊，1756－PA72，輸入電壓為220 V，電流容量為 2 A，輸出電壓為 1.2 V、3.3 V、5.1 V、24 V;

(2)CPU:PLC的核心控制器，1756－L71，內(nèi)存2M，自帶電容式儲能模塊和1G內(nèi)存卡，有遠(yuǎn)程、停止、編程3種模式;

(3)EN:Ethernet通信模塊，1756－EN2T，PLC與交換機(jī)通信模塊，與其他Ethernet模塊通信，實現(xiàn)PLC間數(shù)據(jù)共享的途徑;

(4)DI/DO:32位數(shù)字量直流輸入/輸出模塊1756－IB32/1756 －OB32，工作電壓為10～31.2 V DC，導(dǎo)通電流為2 mA，斷開電流為1.5 mA，每點電流額定值為0.5 A，模塊最大電流負(fù)載為16 A，具有光電隔離功能，輸入輸出均為無源觸點信號;

(5)AI/AO:8通道模擬量輸入/輸出模塊，1756－IF8/1756－OF8，8路單端輸入/輸出，電壓范圍為0～10.25 V，電流范圍為4～20 mA，分辨率達(dá)16位，模塊掃描時間16～488 ms;

(6)RTU/DP:專門用于PLC與第三方設(shè)備間Modbus/Profibus通訊模塊;

(7)交換機(jī):選用的是N－TRON 7900系列工業(yè)光電交換機(jī)，模塊式交換機(jī)，支持多網(wǎng)段自動識別，穩(wěn)定性和抗干擾能力強;

(8)HMI:PanelView 1000/1250系列觸摸屏，型號2711P－12C4A8，輸入電壓為 AC220V，支持 Windows操作系統(tǒng)，內(nèi)存2 M，以太網(wǎng)接口。

由于每個PLC站的設(shè)備種類和數(shù)量不同，根據(jù)實際I/O數(shù)量情況，選擇相應(yīng)的PLC模塊種類和數(shù)量以及合適的機(jī)架。模塊在機(jī)架的位置不受影響，只需在RSLogix5000輸入輸出配置中模塊的順序與機(jī)架上一致即可。所有插在機(jī)架上的模塊都可以帶電熱插拔，對某一模塊調(diào)試和維護(hù)，不影響其他模塊正常工作［3］。

2.2.2 分布式主站功能配置與設(shè)計

根據(jù)圖1所示的污水處理的工藝流程，各主PLC站包括如下內(nèi)容:

(1)廠外提升泵站(PLC1～2):根據(jù)污水管網(wǎng)進(jìn)水的情況對污水提升泵房的11臺電動閘門和14臺高壓污水泵進(jìn)行開關(guān)，使污水以一定的速度流向污水處理廠;

(2)預(yù)處理站(PLC3～4):主要負(fù)責(zé)3個細(xì)格柵、3座曝氣沉砂池、6座初沉池設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場控制柜的操作，并對進(jìn)廠污水水質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控;

(3)A2O生化池站(PLC5～7):各自監(jiān)控一座生化池的設(shè)備和儀表。負(fù)責(zé)每座生化池的6臺潛水?dāng)嚢杵鳌?4臺潛水推流器和9臺內(nèi)外回流泵的啟停、電動調(diào)節(jié)閥開度以及DO儀、氨氮、壓力、流量等儀表的數(shù)據(jù)采集;

(4)二沉池站(PLC9～11):各自監(jiān)控一座二沉池。負(fù)責(zé)每座二沉池的6臺套筒式排泥閥、6臺圓形閘門、6臺中心傳動刮吸泥機(jī)的啟停以及SS計、液位計等儀表數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控;

(5)反沖洗控制站(PLC13～14):對2座反沖洗泵房進(jìn)行監(jiān)控。負(fù)責(zé)對濾池攪拌機(jī)、圓形閘門、取樣閥、排泥閥進(jìn)行啟停以及對壓力、流量、濁度等儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。作為主PLC，還可以控制 PLC1301～1336、PLC1401～1412、PLC1425～1427、PLC1431～1433共54個濾池、反沖洗泵PLC從站;

(6)加藥及出水間站(PLC15):對加藥間的8臺隔膜計量泵、8個電動球閥、4臺自吸式磁力泵、以及6臺出水電動圓閘門、2臺取樣泵、2個流量計進(jìn)行操作和監(jiān)控。

由于各主站承擔(dān)主要工藝的實現(xiàn)，對相應(yīng)的底層控制系統(tǒng)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集，其穩(wěn)定性和可靠性對系統(tǒng)的安全非常重要。在系統(tǒng)的主體設(shè)計基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)的主站冗余設(shè)計，以提高系統(tǒng)的可靠性。每個主站都采用了雙CPU，采用了1756－RM冗余模塊，兩個CPU機(jī)架上的模塊必須是相同產(chǎn)品編號、系列號、版本號，且兩個CPU模塊都有足夠的內(nèi)存空間來釋放雙倍的存儲空間。兩個CPU相互熱備用，主從處理器采用硬件互聯(lián)方式進(jìn)行故障的無擾切換［4］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)使用的ControlLogix/CompactLogix兩個系列PLC的編程平臺都是RSLogix5000。PLC站采用模塊化編程，其方法是在工程里建立控制器標(biāo)簽，并添加其成員，然后對該模塊進(jìn)行邏輯指令的編寫，如有類似的設(shè)備，無需重新建立標(biāo)簽，只在其基礎(chǔ)上更改變量名就可以建立自己的程序指令。模塊化編程使得系統(tǒng)的編程靈活、方便，調(diào)試時間也大幅減少，也方便了未來系統(tǒng)的維護(hù)［5］。由系統(tǒng)工藝分析確定PLC輸入、輸出信號，進(jìn)行I/O點數(shù)的分配，以及對應(yīng)的中間變量、各種標(biāo)志、所用到的定時器和計數(shù)器等，最后根據(jù)上述對應(yīng)關(guān)系畫出梯形圖。

根據(jù)污水處理工藝要求，系統(tǒng)主要是進(jìn)行順序控制和過程控制。順序控制主要實現(xiàn)對各PLC站的開關(guān)量執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如反洗閘門、鼓風(fēng)機(jī)、反沖洗水泵按照工藝要求對反沖洗的各個單元進(jìn)行順序控制的開、關(guān)的關(guān)聯(lián)控制，單格濾格的反沖洗亦按順序控制進(jìn)行。過程控制指污水處理工藝需要對含氧量、液位、壓力、流量等參數(shù)進(jìn)行實時測量并反饋至PLC中，PLC根據(jù)現(xiàn)場實際情況對現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。例如，生化池好氧區(qū)的含氧量需維持在一定范圍內(nèi)，PLC根據(jù)現(xiàn)場DO儀檢測回來的數(shù)值決定開啟或關(guān)閉空氣調(diào)節(jié)閥的程度。

由于污水處理工藝復(fù)雜、步驟比較多，下面僅以濾池反沖洗為例說明程序的實現(xiàn)過程。

3.1 反沖洗工藝設(shè)計

污水在通過二沉池處理后，要達(dá)到國家一級A類排放水標(biāo)準(zhǔn)，還必須進(jìn)入濾池進(jìn)行過濾，這也是出水前最為關(guān)鍵的一步。濾池的運行包含過濾和反沖洗兩個階段，過濾的目的是進(jìn)一步去除水中色度、SS、BOD、COD及P等污染物使水達(dá)標(biāo)排放［6］;反沖洗的目的是把濾池中濾元里的雜質(zhì)清洗掉，使濾格重新回到過濾狀態(tài)，以備下次過濾工藝。反沖洗條件是累計運行12 h或液位高度達(dá)到1.8 m或濁度達(dá)到10NTU，條件達(dá)到就進(jìn)入反沖洗排隊等待反洗，也可以在程序里對其設(shè)置優(yōu)先反洗。反沖洗過程包括一次水洗、一次混洗、二次水洗3個環(huán)節(jié)。反沖洗工藝如圖3所示。

圖3 反沖洗工藝

3.2 反沖洗程序設(shè)計

根據(jù)圖3所示，反沖洗程序結(jié)構(gòu)設(shè)計主要由主任務(wù)(手動)和自動兩部分組成。主任務(wù)部分包含程序標(biāo)簽、主例程MainRoutine、輸入例程 Workshop DI/AI、輸出例程 Workshop DO/AO、濾池控制例程FilterControl、閥門例程GatevValve、電機(jī)例程Motor、通信例程 Communication、生產(chǎn)者消費者賦值例程 ProducerValuation、監(jiān)測儀表例程Monitoring等。其中，程序標(biāo)簽包含本功能單元程序所用的所有標(biāo)簽，其標(biāo)簽的應(yīng)用范圍僅限于本功能單元程序;主例程MainRoutine完成對本功能單元程序其他例程的調(diào)用;Workshop DI/AI完成對數(shù)字量/模擬量輸入信號的掃描及處理;Workshop DO/AO完成對數(shù)字量/模擬量輸出信號的掃描及處理;Filter Control完成對濾格六個閘門進(jìn)行順序控制和信息處理，是程序的核心部分;ProducerValuation完成PLC站與從PLC站的通信處理;Monitoring采集監(jiān)測壓力、濁度、液位的運行參數(shù)送至PLC。將反沖洗程序劃分為狀態(tài)監(jiān)測、反洗條件判定、閥門開關(guān)、風(fēng)機(jī)啟動、水泵啟動、以太網(wǎng)通訊等多個子功能，對每一個子功能編寫一個子程序，在主例程MainRoutine里編寫跳轉(zhuǎn)程序，程序中掃描周期開始從上到下一次掃描，完成一個例程程序，按JSR指令依次跳轉(zhuǎn)至下一個例程程序，直到程序最后。自動部分用于在正式生產(chǎn)運行過程中，包含程序標(biāo)簽、主例程Main、濾池自動例程Filter Auto、風(fēng)機(jī)自動例程Fan Auto、水泵自動例程Pump Auto、反沖洗控制例程BackFlushing等。反沖洗程序結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 反沖洗程序結(jié)構(gòu)

在RSLogix5000編程平臺完成反沖洗的編譯后，在通信/活動項中打開通信樹，軟件通過RSLinx識別網(wǎng)絡(luò)上的PLC，找到預(yù)先設(shè)定IP號的EN模塊，通過Ethernet/IP找到該機(jī)架上的CPU模塊，將程序下載到PLC中進(jìn)行運行調(diào)試。

廠外提升泵、預(yù)處理、A2O生化池、二沉池、加藥及出水控制等其他分布式主從PLC控制站的程序結(jié)構(gòu)也由主任務(wù)與自動兩部分組成，根據(jù)具體主從PLC站的控制任務(wù)，建立相應(yīng)的程序標(biāo)簽、例程，根據(jù)控制工藝在主例程中對控制例程的依次調(diào)用，這里不再具體描述。

4 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)通信作為連接現(xiàn)場設(shè)備與控制層、控制層與監(jiān)控層的重要紐帶，其穩(wěn)定性、實時性的重要不言而喻。本系統(tǒng)由于規(guī)模大、設(shè)備多，考慮現(xiàn)場設(shè)備的接口、通信協(xié)議、現(xiàn)場布置等因素，采用了Ethernet/IP、Profibus DP、Modbus RTU通信協(xié)議構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

4.1 PLC與現(xiàn)場設(shè)備通信設(shè)計

PLC與現(xiàn)場設(shè)備通信主要有3種方式:點對點、Profibus DP、Modbus RTU。

對于大部分閥門、泵、電動調(diào)節(jié)閥等現(xiàn)場設(shè)備，無論是模擬量還是開關(guān)量，只要可能，均采用點對點的硬接線方式就近接入PLC相應(yīng)的I/O模塊。

對于污水處理中第三方特殊設(shè)備，可采用 Profibus DP、Modbus RTU等。在與高壓變頻器通信時，通信協(xié)議為Modbus RTU，采用MVI56E－MCM模塊安裝到相應(yīng)主PLC站機(jī)架槽上，用Modbus專用電纜進(jìn)行通信。為了統(tǒng)計整個出水流量，在出水管道用OPTIFLUX 2 300 W流量計，通信協(xié)議為Profibus DP。采用的MVI56E－DP模塊安裝到相應(yīng)主PLC機(jī)架槽上，用DP總線專用電纜進(jìn)行通信。

4.2 主站與從站通信設(shè)計

由于主站與從站均接入以太網(wǎng)，因此主站與從站的通信也是采用Ethernet/IP通信，具體由RSLogix5000的生產(chǎn)者/消費者的模式來實現(xiàn)通信。生產(chǎn)者是準(zhǔn)備傳送數(shù)據(jù)的一方，而消費者就是需要接收數(shù)據(jù)的一方。建立生產(chǎn)者/消費者的模式通過PLC輸入輸出配置實現(xiàn)，建立與它通信的PLC從站的模塊，并設(shè)置好PLC從站的IP地址、系列號、版本號等參數(shù)，同理在每個PLC從站的輸入輸出配置里建立主PLC模塊，設(shè)置好主PLC的IP地址、系列號、版本號等參數(shù)。其過程是:在主PLC控制器標(biāo)簽里新建一個 Producer1301的標(biāo)簽，類型為生產(chǎn)，Date Type為Consumer。然后在PLC1301站的控制器標(biāo)簽里新建一個Consumer1301的標(biāo)簽，類型為消費，Date Type為Consumer，并且在連接狀態(tài)里連接主PLC，這樣就完成了一個從PLC與主PLC的通信連接。最后在主PLC和PLC從站里分別對Producer1301和Consumer1301賦值，這樣作為生產(chǎn)者的主PLC就可以把Producer1301賦值對象的值傳送到作為消費者的從PLC站的Consumer1301賦值對象上去。

4.3 控制層與監(jiān)控層通信設(shè)計

采用工業(yè)以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)將控制層的數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控層。每個PLC站的信息采用雙絞線，通過1756－EN2T模塊接入到N－TRON 7900工業(yè)光電交換機(jī)，然后用光纖把每個站的光電交換機(jī)連接起來組成一個光纖以太環(huán)網(wǎng)。當(dāng)環(huán)上某一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點出現(xiàn)故障時，環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以在500 ms之內(nèi)自動轉(zhuǎn)換為總線結(jié)構(gòu)運行，故障節(jié)點兩邊的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點仍可通過總線進(jìn)行通訊，可以確保通信系統(tǒng)的無擾動運行［7－8］。在光纖以太環(huán)網(wǎng)上層，通過一個大型工業(yè)光電交換機(jī)把光纖以太環(huán)網(wǎng)上的光信號轉(zhuǎn)化為電信號與監(jiān)控層的操作站、服務(wù)器、顯示屏等相連接。考慮污水處理系統(tǒng)的安全性，將整個控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和外網(wǎng)用不同IP進(jìn)行隔離，使其不能互訪［9］。

5 上位監(jiān)控層設(shè)計

污水處理系統(tǒng)上位監(jiān)控包括:基于觸摸屏的現(xiàn)場操作站監(jiān)控和基于Rockwell的FactoryTalkView Studio組態(tài)軟件的具有遠(yuǎn)程功能的多機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

現(xiàn)場操作站采用PanelView 1000/1250系列觸摸屏，應(yīng)用FactoryTalkView Studio進(jìn)行界面設(shè)計?，F(xiàn)場操作站作為相關(guān)的PLC的人機(jī)界面，對其進(jìn)行監(jiān)控和設(shè)置;設(shè)置操作員、管理員和維護(hù)員三種等級的權(quán)限，確保了使用人員對系統(tǒng)進(jìn)行安全操作。觸摸屏組態(tài)軟件設(shè)計過程包括以下幾步:

(1)在標(biāo)記名字典中定義變量，對每個變量指定標(biāo)記名和變量類型;

(2)畫面繪制，采用基本繪圖工具繪制圖形，較復(fù)雜的圖形對象采用多圖形組合方式完成。對于同一類設(shè)備畫面做成一個公共調(diào)用塊;

(3)動畫鏈接，選中要執(zhí)行動畫的符號，雙擊，設(shè)備操作點的彈出框，通過在線填充、表達(dá)式和腳本程序?qū)崿F(xiàn)畫面動作。每個點位的連接必須根據(jù)PLC程序的I/O點表進(jìn)行連點配置;

(4)I/O通訊，在做好組態(tài)界面后，生成運行文件*.mer。在下載之前，需要先在觸摸屏中將IP地址、網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼等設(shè)置好，然后在Transfer Utllity里通過RSLinx找到要下載的觸摸屏，把生成的運行文件下載到觸摸屏中去。單格濾池觸摸屏上位界面如圖5所示。

圖5 單格濾池觸摸屏上位界面

多機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由中央服務(wù)器、工程師站、Web發(fā)布服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以及客戶端組成。為了進(jìn)一步保證系統(tǒng)的可靠性，對于監(jiān)控系統(tǒng)中用于數(shù)據(jù)處理最重要的中央服務(wù)器采用了雙機(jī)熱備冗余技術(shù)，還對數(shù)據(jù)儲存服務(wù)器采用了容錯技術(shù)。多機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件主要由開發(fā)軟件Factory TalkView Studio，客戶機(jī)軟件 FactoryTalkView Studio Client，Web發(fā)布工具 FactoryTalk View Point，曲線記錄數(shù)據(jù)庫FactoryTalk Historian SE以及第三方數(shù)據(jù)庫SQL Sever 2008組成。多機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)容龐雜，這里不再贅述。

6 結(jié)論

采用多處理器分布式控制方式實現(xiàn)了日處理污水能力70萬m3的復(fù)雜系統(tǒng)的可靠控制與監(jiān)控。在關(guān)鍵工藝的PLC主站中，還采用了冗余技術(shù)以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。控制層的信息全部采用工業(yè)光纖以太環(huán)網(wǎng)進(jìn)行，只有在中心控制室，才采用的是工業(yè)以太網(wǎng)。通過系統(tǒng)實際運行證明:該系統(tǒng)高效、可靠地實現(xiàn)了先進(jìn)的倒置A2O污水處理工藝，其功能完善、設(shè)備易于維護(hù)、運行穩(wěn)定，保證了污水處理排放水的連續(xù)合格。該系統(tǒng)適合在城市大型污水處理廠中推廣應(yīng)用。

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