周友志

摘 要：現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的同時(shí)，也帶來(lái)了較為嚴(yán)重的水污染問(wèn)題，不利于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，因此，水處理問(wèn)題已引發(fā)高度關(guān)注。本文對(duì)水處理中PLC技術(shù)的應(yīng)用做了全面的系統(tǒng)化分析，基于PLC技術(shù)對(duì)電氣自動(dòng)化控制水處理系統(tǒng)進(jìn)行了硬件及軟件設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用案例做了比較分析。

關(guān)鍵詞：PLC；自動(dòng)化；控制；水處理

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

目前，經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展帶來(lái)了較為嚴(yán)重的水污染問(wèn)題，伴隨生態(tài)環(huán)境的惡化，目前水污染問(wèn)題也得到廣泛重視，并充分利用快速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)水污染問(wèn)題的治理。在水處理問(wèn)題中，PLC技術(shù)的應(yīng)用使得其電氣自動(dòng)化水平有了整體提升，實(shí)踐表明，水處理效率得到極大改善，且有效地控制了能源消耗問(wèn)題。隨著全球水資源供應(yīng)的緊張和對(duì)自動(dòng)化要求的增加，水處理方式將朝著更加高效節(jié)能、高度自動(dòng)化和無(wú)人值守的方向發(fā)展。目前，PLC在其穩(wěn)定性和高度自動(dòng)化程度的不斷加強(qiáng)，使PLC成為在城市污水處理自動(dòng)化方面的首選。

1 PLC在水處理中的功能

由PLC、在線監(jiān)測(cè)儀表等組成的污水處理廠綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，是污水工藝處理順利達(dá)到預(yù)期效果的重要手段。其實(shí)現(xiàn)的主要功能有3個(gè)方面：其一是保證工藝處理生產(chǎn)過(guò)程的高效，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善操作環(huán)境；其二是實(shí)現(xiàn)工藝處理優(yōu)化運(yùn)行和生產(chǎn)智能化調(diào)度；其三是實(shí)現(xiàn)污水廠信息化管理，達(dá)到節(jié)能降耗、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

2 污水處理工藝流程

該污水處理廠設(shè)計(jì)日均處理污水10萬(wàn)噸，采用MBR處理工藝，去除COD、BOD5、SS等污染指標(biāo)的同時(shí)，同步去除氮磷，使出水中的TN、NH3-N達(dá)到再生水出水水質(zhì)的要求。處理后出水再經(jīng)過(guò)臭氧接觸氧化等深度處理工藝，使有機(jī)物、嗅味、色度等污染指標(biāo)得到進(jìn)一步去除。工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

MBR處理工藝具有占地面積小、處理效果好、污泥性質(zhì)穩(wěn)定?？朔藗鹘y(tǒng)工藝中出水水質(zhì)不夠穩(wěn)定、污泥容易膨脹等不足，同時(shí)該污水處理系統(tǒng)出水水質(zhì)滿足《再生水回用于景觀水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，達(dá)到再生水水質(zhì)要求。

3 基于PLC的電氣自動(dòng)化控制水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)概述

污水處理廠自動(dòng)化控制包含遠(yuǎn)程輸入輸出單元（RI/O）、PLC控制站（LCS）、中央監(jiān)控站（CCS）、數(shù)據(jù)服務(wù)器（SEV）以及工廠計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)（CMS），通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)高速數(shù)據(jù)網(wǎng)及1000M光纖工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)組成全廠自控系統(tǒng)，完成對(duì)工藝過(guò)程的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控及管理。主要設(shè)備控制方式采用就地控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程自動(dòng)控制的3層控制模式?？刂萍?jí)別由低到高為現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制、自動(dòng)控制。 在正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，全廠采用遠(yuǎn)程自動(dòng)運(yùn)行方式。

3.2 控制單元的劃分

根據(jù)工藝流程和總平面布置，以就近采集和單元控制為劃分子控制系統(tǒng)的原則，設(shè)有5個(gè)PLC控制站，分別為預(yù)處理控制站（粗格柵、提升泵房、細(xì)格柵、沉砂池、碳源投加間、膜格柵、進(jìn)廠水水質(zhì)監(jiān)測(cè)），變配電站控制站（生化池、鼓風(fēng)機(jī)房、變配電站等），脫水間控制站（污泥濃縮脫水間、貯泥池等），MBR控制站（膜設(shè)備間、膜池等），臭氧發(fā)生間控制站（臭氧發(fā)生間、臭氧接觸池、消毒接觸池、紫外消毒系統(tǒng)、出廠水水質(zhì)監(jiān)測(cè)等）。

3.3 硬件設(shè)計(jì)

PLC控制站采用西門子CPU 410 Smart控制器及ET 200 PA Smart系列IO模塊，有冗余及不冗余兩種解決方案。本工程中針對(duì)重要的MBR控制站采用冗余方案，其他PLC控制站采用非冗余方案。CPU 410 Smart配備有兩個(gè)獨(dú)立的Profibus IO接口，標(biāo)配帶防護(hù)涂層（防護(hù)級(jí)別G3），集成48MB的裝載儲(chǔ)存器，CPU主頻450MHz，平均處理時(shí)間110μs，最大IO尋址范圍16KB輸入/輸出。ET 200 PA支持Profibus總線冗余，通過(guò)兩個(gè)互為備份的接口模塊分別連接到兩個(gè)控制器下的總線中，兩個(gè)接口模塊可進(jìn)行無(wú)縫切換。

3.4 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分采用PCS7 Smart軟件，包含工程組態(tài)系統(tǒng)和操作員系統(tǒng)。工程組態(tài)系統(tǒng)可組態(tài)基于CPU 410 Smart的控制平臺(tái)，并可充分使用APL功能庫(kù)、控制模板等完成項(xiàng)目程序的編寫；操作員系統(tǒng)可在工程組態(tài)中通過(guò)編譯自動(dòng)生成基本數(shù)據(jù)，包括變量、消息及畫面操作圖元。污水處理軟件可以顯示整個(gè)污水處理廠工藝流程、設(shè)備操作、參數(shù)設(shè)定及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況，以促進(jìn)生產(chǎn)的順利和高效進(jìn)行。除污水處理所需的控制功能外，該系統(tǒng)還包含了生產(chǎn)管理功能，如歷史趨勢(shì)查詢，故障信息處理，生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理，報(bào)表生成和打印、網(wǎng)絡(luò)瀏覽功能、數(shù)據(jù)共享、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

4 實(shí)際應(yīng)用分析

以MBR控制站為例，其控制范圍包括：膜產(chǎn)水系統(tǒng)、維護(hù)行清洗系統(tǒng)、恢復(fù)性清洗系統(tǒng)、風(fēng)管反洗系統(tǒng)、剩余污泥系統(tǒng)、混合液回流系統(tǒng)、儀表風(fēng)系統(tǒng)。傳統(tǒng)控制中各MBR膜單元的產(chǎn)水管流量計(jì)與產(chǎn)水泵變頻器作PID控制，恒流量產(chǎn)水，操作人員根據(jù)來(lái)水情況手動(dòng)設(shè)置膜單元的產(chǎn)水量。實(shí)際上市政污水處理廠的進(jìn)水量不穩(wěn)定，特別是夜間波動(dòng)范圍大，導(dǎo)致班組操作人員夜間必需時(shí)刻關(guān)注來(lái)水水量，并根據(jù)來(lái)水情況手動(dòng)調(diào)整各MBR膜單元的產(chǎn)水量，操作強(qiáng)度很大。本工程在各MBR膜單元的恒流量控制的基礎(chǔ)上，加入膜池的進(jìn)水渠液位控制，使膜池的進(jìn)水渠液位控制在設(shè)定范圍內(nèi)，MBR膜單元的產(chǎn)水量隨膜池的進(jìn)水渠液位變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)。由液位PID曲線（圖2）可見(jiàn)，設(shè)定的液位值與液位變送器的反饋值吻合度較好，能夠滿足實(shí)際運(yùn)行需求，減輕了操作人員工作強(qiáng)度并防止了不合理的膜單元產(chǎn)水量設(shè)定。

具體控制方法為：膜池的進(jìn)水渠液位設(shè)置在3.9～4.1，每隔一定時(shí)間（液位判斷周期）采集一次進(jìn)水渠液位計(jì)數(shù)值。在液位判斷周期內(nèi)，如果液位高于設(shè)定范圍，產(chǎn)水泵則按設(shè)定的流量增加值增加產(chǎn)水流量，反之則減少；如果液位在設(shè)定范圍內(nèi)，則產(chǎn)水泵流量不變。當(dāng)瞬時(shí)來(lái)水量變化較大時(shí)，產(chǎn)水增減量數(shù)值應(yīng)該變大，同時(shí)液位判斷周期縮短；反之當(dāng)瞬時(shí)來(lái)水量變化較小時(shí)，產(chǎn)水增減量數(shù)值應(yīng)該變小，同時(shí)液位判斷周期適當(dāng)延長(zhǎng)。

結(jié)語(yǔ)

在水處理控制系統(tǒng)的應(yīng)用中目前主要采用以下三大類控制模式，即手動(dòng)控制、半自動(dòng)化控制以及全自動(dòng)化控制，其對(duì)人力的依賴程度依次遞減，控制水平及精度依次提升，其中，全自動(dòng)化控制借助于工業(yè)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)水處理過(guò)程的信號(hào)及數(shù)據(jù)同步，可靠性較高。本文基于AS 410 PLC設(shè)計(jì)水處理控制系統(tǒng)，極大地提升了實(shí)際控制過(guò)程的精度以及自動(dòng)化水平，大大提升了水處理效率。

參考文獻(xiàn)

[1]史廣睿，劉琳琳.電氣自動(dòng)化控制技術(shù)在污水處理廠曝氣量控制的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2014 （35）：112.

[2]廖常初.大中型PLC應(yīng)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.