組合交替式活性污泥法污水處理自動化控制的研究與開發(fā)

何小青

1 引言

佛山市東鄱污水處理廠的處理能力為 20萬噸/日，該廠處理工藝采用國際上先進(jìn)的組合交替式活性污泥法，其中自控程序的核心部分（中控室和生化池）由比利時公司設(shè)計(jì)開發(fā)。經(jīng)過幾年的生產(chǎn)運(yùn)行后，原有自控系統(tǒng)已不能完全滿足生產(chǎn)要求：

（1）、自控程序沒有記錄當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的功能。直接后果是 PLC斷電后，所有設(shè)備都會恢復(fù)到初始狀態(tài)，即將處理好的污水被重新處理一遍，而且矩陣參數(shù)需要人工再次輸入。

（2）、監(jiān)控軟件的歷史記錄、服務(wù)組件隨著運(yùn)行日期的增長，存儲的數(shù)據(jù)越來越龐大，嚴(yán)重拖累操作系統(tǒng)，運(yùn)行效率低下，運(yùn)行速度減慢，從而導(dǎo)致操作不便，系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。

（3）、矩陣參數(shù)配置麻煩，沒有保存和調(diào)用運(yùn)行方案功能，不能靈活應(yīng)對各類水質(zhì)。

（4）、環(huán)保部門對歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時曲線和各種報表的要求越來越嚴(yán)格，原有系統(tǒng)無法滿足環(huán)保考核要求。

鑒于以上種種不足，東鄱污水廠決定在繼續(xù)使用原有硬件設(shè)備的前提下，重新開發(fā) PLC程序和上位監(jiān)控程序，滿足生產(chǎn)需求。

2 工藝流程的優(yōu)化及對自控系統(tǒng)要求

組合交替式活性污泥法污水處理系統(tǒng)的主體是三個矩形反應(yīng)池，池與池之間連通，每個池都有獨(dú)立的曝氣系統(tǒng)，通過程序調(diào)節(jié)，污水可以進(jìn)入三池中的任意一個，采用連續(xù)進(jìn)水，周期交替運(yùn)行的方式達(dá)到凈化水質(zhì)的目的[1]。污水在各個池中的停留時間和各水池的曝氣強(qiáng)度將決定出廠水的水質(zhì)及生產(chǎn)運(yùn)營的成本。

待處理污水的水質(zhì)經(jīng)常變化，要做到既節(jié)省成本又達(dá)標(biāo)排放就要求自控系統(tǒng)能提供靈活的參數(shù)設(shè)置功能，讓生產(chǎn)人員能方便快捷地對矩陣參數(shù)進(jìn)行更改和設(shè)定。與此同時，需要增加調(diào)用和保存運(yùn)行方案的功能，以便生產(chǎn)人員及時調(diào)整工序，達(dá)到優(yōu)化處理流程的目的。圖1為格柵站自控流程圖。

圖1 格柵站自控流程圖

3 自控系統(tǒng)總體架構(gòu)

東鄱廠原有自控系統(tǒng)由5個PLC站組成光纖環(huán)網(wǎng)，上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)和服務(wù)器通過交換機(jī)連入網(wǎng)內(nèi)組成一套完整的自控系統(tǒng)。在本次改造中，原有自控系統(tǒng)架構(gòu)保持不變，只是在服務(wù)器上增加了路由功能，從而實(shí)現(xiàn)了工控網(wǎng)和信息網(wǎng)的連接。改造后，監(jiān)控軟件從工控網(wǎng)中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，然后定時寫入服務(wù)器的SQL SERVER數(shù)據(jù)庫，信息網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)就可以通過門戶（Portal）連接到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，從而獲取相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。改造后自控系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 改造后自控系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

4 自控系統(tǒng)的硬件組態(tài)

4個PLC站的CPU模塊采用西門子412－2DP模塊，電源模塊使用PS407 10A模塊，以太網(wǎng)模塊使用CP443-1模塊，MODBUS串行通訊采用CP441-2模塊，輸入輸出采用的是32通道數(shù)字輸入輸出、16通道模擬量輸入和8通道模擬量輸出模塊。上位機(jī)采用研華嵌入式PC，P4 2.4CPU，1G DDR內(nèi)存，兩個120G硬盤做冗余，1個10/100M自適應(yīng)網(wǎng)口。

雖然本次改造繼續(xù)沿用原來的 PLC模塊，但由于原 PLC程序有技術(shù)保護(hù)，不能單獨(dú)使用硬件和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，因此要對各 PLC站重新進(jìn)行硬件組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。

硬件組態(tài)需要在計(jì)算機(jī)上通過 STEP7軟件進(jìn)行設(shè)置。硬件組態(tài)時經(jīng)常會遇到由于硬件型號較新在硬件列表中找不到相應(yīng)模塊的情況，這需要在西門子網(wǎng)站下載更新包再導(dǎo)入STEP7中解決[2]。各種輸入輸出模塊的地址分配也是特別要注意的地方，只有嚴(yán)格按照通道數(shù)進(jìn)行配置才能通過編譯并保證加載后不會出錯，而 PLC程序的地址表也必須保證與硬件組態(tài)一致。

5 自控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

東鄱污水處理廠的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)比較復(fù)雜，自控系統(tǒng)由4套西門子400系列PLC通過OSM組成光纖環(huán)網(wǎng)，四套 PLC分別部署在提升泵房、鼓風(fēng)機(jī)房、脫水機(jī)房和變配電房。消毒間采用AB公司的PLC，也通過以太網(wǎng)連入自控網(wǎng)絡(luò)。兩臺監(jiān)控計(jì)算機(jī)的組態(tài)軟件需要通過Simaticnet建立OPC連接，從而實(shí)現(xiàn)與PLC通訊。其他自控設(shè)備，既有以Profibus現(xiàn)場總線方式進(jìn)行通訊又有以Modbus方式通訊。不同品牌的PLC設(shè)備和多種通訊方式增加了組網(wǎng)難度。圖3為網(wǎng)絡(luò)配置截圖。

圖3 網(wǎng)絡(luò)配置截圖

6 自控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

PLC程序和上位監(jiān)控軟件在這次改造中都全部進(jìn)行了重新開發(fā)，除此以外，還把生產(chǎn)數(shù)據(jù)定時寫入外部數(shù)據(jù)庫，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了生產(chǎn)報表系統(tǒng)和WEB發(fā)布系統(tǒng)。

PLC程序的設(shè)計(jì)采用梯形圖（Ladder Diagram）與指令表（Instruction List）結(jié)合的方式編程。核心部分（矩陣控制部分）采用指令表，其他部分采用梯形圖。這樣設(shè)計(jì)的原因是指令表有高效的特點(diǎn)，采用指令表編程可以最大程度地簡化程序，通過靈活運(yùn)用指針、跳轉(zhuǎn)等編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對矩陣的控制。而梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于開關(guān)量邏輯控制。因此，對需要現(xiàn)場調(diào)試和經(jīng)常改動的部分采用了梯形圖編程。

上位監(jiān)控軟件采用國產(chǎn)的組態(tài)軟件——組態(tài)王6.5。自行設(shè)計(jì)的上位機(jī)監(jiān)控程序在達(dá)到原有使用要求的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步美化了各個組態(tài)畫面，各種數(shù)據(jù)的表達(dá)方式更直觀，控制方式也更便捷。人機(jī)界面截圖如圖4所示。

圖4 人機(jī)界面截圖

另外，新的監(jiān)控程序還強(qiáng)化了報警功能并新增了數(shù)據(jù)記錄功能。報警功能實(shí)現(xiàn)了當(dāng)自控設(shè)備發(fā)生異常情況時，中控室操作人員能及時根據(jù)聲光報警和計(jì)算機(jī)上的提示，迅速找到故障源頭并排除故障；數(shù)據(jù)記錄功能是把污水廠各種重要的數(shù)據(jù)記錄到 SQL SERVER數(shù)據(jù)庫上，通過新開發(fā)的報表系統(tǒng)和WEB發(fā)布系統(tǒng)，方便地查詢數(shù)據(jù)庫，獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

7 系統(tǒng)調(diào)試及試運(yùn)行

由于東鄱污水處理廠已經(jīng)投入使用，所以在程序開發(fā)完畢進(jìn)入調(diào)試階段時還要面對一個問題，就是如何盡量縮短調(diào)試時間，使污水處理廠在最快的時間內(nèi)重新投入正常運(yùn)行。我們采用PLC SIM等模擬軟件對 PLC程序進(jìn)行全面的測試，同時還調(diào)用倉庫的備品備件盡量構(gòu)造出一個接近現(xiàn)場的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。通過大量的模擬測試找出程序的缺陷并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)后再進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，使調(diào)試周期大大縮短，一天內(nèi)就恢復(fù)了東鄱污水處理廠的遠(yuǎn)程手動控制功能，兩天內(nèi)就恢復(fù)了全廠的全自動控制。兩個月后該項(xiàng)目通過了系統(tǒng)驗(yàn)收并于次年獲得2008年佛山市科技進(jìn)步三等獎。

8 技術(shù)難點(diǎn)及技術(shù)優(yōu)勢

在成本控制方面，本項(xiàng)目與國外技術(shù)相比有巨大的優(yōu)勢，國外公司10萬噸的項(xiàng)目收費(fèi)要在300萬人民幣以上（包括軟件和調(diào)試費(fèi)用），而本項(xiàng)目自始至終花費(fèi)的資金只有30萬人民幣。

9 結(jié)論

通過組合交替式活性污泥法污水處理自動化控制的研究與開發(fā)，完善了東鄱污水處理廠的自控系統(tǒng)，并把國外先進(jìn)的污水處理技術(shù)國產(chǎn)化，同時為同類系統(tǒng)的建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 雷明.《對三池式UNITANK工藝的幾點(diǎn)深入認(rèn)識》[J].環(huán)境工程,2008,24(6)

[2] SIMATIC S7－300/400系統(tǒng)軟件和標(biāo)準(zhǔn)功能