拌和系統高濁度廢水處理自動控制系統研究與應用

宋書軍

(葛洲壩集團第二工程有限公司，四川成都 610091)

1 概述

混凝土用粗骨料經過二次篩分后產生大量高濁度水，有時濁度甚至高達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備多，要求設備的動作要及時且高可靠，否則可能因各種管道堵管、凈水藥劑添加不準而導致整個水處理系統的循環過程崩潰的后果。筆者主要介紹了對此類水處理廠的電氣自動控制系統。包括上位機監控軟件的設計思想;下位控制單元及現場控制單元的配置及控制算法。

一般此類廢水電氣自動系統主要由工業控制機、PLC 控制器、PLC 輸入輸出擴展模塊、模擬量/數字量轉換模塊等配以外圍原水濁度測量傳感器、液位控制器、電磁閥、設備現場啟動控制柜、回信器組成污水現場工業閉環控制系統。該系統可以實時顯示整個污水處理廠區設備的平面布置圖，設備的工作/故障狀態，工藝流程，廢水的實時濁度變化和發展趨勢并自動調整凈水劑投加量和自動定時排污。可對廢水濁度及設備運行報警數據定時存盤并報警打印。在綜合了國內現有污水廠電氣自動控制的不同方案并結合錦屏一級水電站大壩右岸高線拌和廢水處理系統的現場實際情況，我們采用了研華610工業控制機、德國SEMENS S7系列控制器及擴展模塊、ZDGD 系列原水濁度儀、現場操作柜、氣動蝶閥、液位控制器等組成本系統，目的在于解決高線拌和廢水處理系統的自動實時投加凈水劑、定時排污、實時自動抽排水等。該系統的設計成功，可有效節約凈水劑的用量;節約廢水處理系統人員配置;節省因排污不及時造成管道堵塞而額外增加人力設備資源投入的費用;減輕運行人員的勞動強度;充分發揮現有廢水處理設備的效能，提高污水處理能力。

2 系統的組成

A:用MCGS 可視化編程軟件編制的上位機監控軟件——用于顯示整個污水處理廠區的平面圖;顯示設備間的相互位置;污水處理的工藝流程;原水濁度的歷史曲線及發展趨勢;現場設備運行/故障狀態及報警數據顯示;原水濁度的實時顯示及定期存盤。

B:PLC 控制程序——實現廢水現場設備的自動控制(檢測原水液位，實時控制抽排水，測量原水濁度，控制凈水劑的投加量，定時自動排污);對現場采集的數據進行工程處理。先將模擬信號(4～20 mA)轉換成二進制數字信號并進行數字濾波，再進行取均方根計算、二進制到十進制的轉換，最后送到工業控制機進行顯示、報警等處理。

C:外圍硬件控制系統——進行現場原水濁度電量信號的轉換和遠距離傳送;同時配置設備現場操作柜，既可應急操作，又能對現場電氣設備進行諸如三相電壓缺相、電機過負荷、三相電流不平衡、漏電、漏油、漏水等的保護。

3 主要技術內容

3.1 系統的結構

該系統是一個中型工業控制系統。但為了便于開發，我們將該系統分為六個較小的功能模塊，以便分步設計、單獨調試，最后進行系統集成，以減少開發的風險，在開發過程中，若某一項子系統實現不了時，可以及時終止項目開發以減少損失(圖1)。六個子模塊分別為:

圖1 系統示意圖

3.2 廢水處理系統各模塊的功能

(1)高線拌和廢水處理監控程序子模塊。

該模塊主要是利用MCGS 5.1組態軟件開發出廢水處理的上位機操控軟件。該模塊的功能是顯示污水廠區的整個平面圖、廢水處理設備間的相互關系、動態工作過程、設備故障/運行狀態、整個工藝流程、現場監控數據的歷史曲線及發展趨勢;對現場采集數據的存盤處理、打印及在上位機上實現對現場設備的操控(數據處理流程見圖2)。

圖2 數據處理流程圖

(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目合理的控制軟件。根據現場采集得到的開關量信號、廢水濁度數字量信號等進行運算處理后控制現場設備的運行狀態，并將采集到的信號通過485數據線送給上位工業控制機進行存盤處理并進行設備故障狀態的報警或各種參數的顯示、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)，用于測量廢水系統的實時進水濁度。一臺安裝于旋流反應池的出水管處(亦即清水池的入水口)實時監測廢水處理系統的出水濁度。這兩臺濁度儀將測得的濁度信號以電量的方式(0-1000 NTU 的濁度信號對應電量信號:4～20 mA)傳輸給PLC 控制器，為PLC 控制器進行現場設備控制提供數據參照。原水濁度儀的技術參數如下:

型號:ZDGD-1000

檢測范圍:0～1000 NTU

供電電壓:220 VAC

輸出信號:4～20 mA

外供電壓:24 VDC

(4)廢水加藥機現場/遠程控制模塊。

該模塊的主要功能:設置遠程/本地加藥機控制功能，實現對現場加藥機的本地啟動/停止和接收PLC 的遠程控制信號。同時設置對現場加藥及攪拌電動的過負荷、電氣短路、三相電壓不平衡、電氣缺相等保護功能。部分電氣元器件如下:

CD-10電動機綜合保護器4臺

SE-32交流接觸器4臺(帶附助觸頭)

交流220 V 信號燈5個(分別指示總電源及各電動機的工作狀態)

LW15萬能轉換開關1個(進行遠程/現地控制切換)

RT14保險(2A)2組(用于二次回路短路保護)

DZ-32斷路器4個(用于4臺電動機的一次回路進行短路保護)

DZ-63斷路器1個(用于現地柜的總電源)

(5)原水提取泵現場控制模塊。

該部分主要是對原來廠家配套的2臺潛污水泵現場電氣控制柜(控制4臺原水泵，現只有2臺泵、1臺現場電氣控制柜)進行改造，保留其原有對電動機的漏電、漏油、電氣缺相、過負荷、電氣短路等保護功能。同時加裝液位控制器，使其具備遠程/本地控制功能，在實現本地操作功能的同時，又可接收PLC 的遠程控制和向PLC 反饋水泵的工作狀態信號，實現自動實時抽水。其增加的主要元器件如下:

SE-4接觸器輔助觸頭4個

JXQ13型繼電器4個

UQK-61型液位控制器2套(一備一用，以保證可靠性)

(6)廢水現場設備工作狀態采集模塊。

該模塊的主要功能是通過現場設備控制柜內主接觸器的輔助觸頭并給各種排污閥門配置相應的回信器以實現對現場廢水處理設備工作狀態的監控，確保PLC 發出的指令被相應設備執行。主要元器件如下:

各廢水設備現場控制柜主接觸器(通過改造現場控制柜獲得，執行PLC 指令);

各廢水設備現場控制柜主接觸器的輔助觸頭(通過改造現場控制柜獲得，反饋工作狀態);

排污閥電磁線圈(執行PLC 發出的排污指令);

AL—10型回信器(配于各種排污閥，反饋閥門工作狀態)。

4 高線污水處理電氣控制系統設計中的主要計算過程

該系統是一個中型工業控制系統，相對較簡單。工程計算僅牽涉原水濁度電量信號的工程計算和處理以及現場廢水設備的工作狀態處理，即部分設備或關鍵設備故障時控制方案優化的算法問題。現分別敘述如下:

(1)原水濁度采集模塊數字量工程計算。因該系統選用的ZDGD-1000型原水濁度儀其原水濁度測量范圍為0-1000 NTU，對應的電流量輸出信號范圍為:4～20 mA。此信號送到中央控制室時，通過PLC 的EM231-OH22-OXA8 A14X12BIT 模/數轉換模塊轉換成0-32767的二進制數。為防止干擾信號的竄入，保證測量數據的準確性并顯示穩定性及可讀性，首先將此信號的采樣頻率定為100 ms 采集一次并連續采集5次，得D1、D2、D3、D4、D5，并對這5次數據取均方根，即D=SQRT(D12+D22+D32+D42+D52)/5，進行數字濾波。濾波后的數字量仍為二進制(范圍0-32767)。為了進行顯示，必須轉換成十進制數S(即S=(1000×D)/32767)，再進行二進制到十進制的轉換。為了保證所顯示的穩定性和可觀看，對顯示數據進行不斷刷新，刷新頻率為0.5 s。

(2)啟發式算法。在廢水系統實際運行正常情況下，參與運行的設備按照規劃規定的配合關系運行。當有外部事件發生時(如某臺污水設備損壞時)，調用調度策略進行實時調整。調整策略是一種算法，它根據所搜集到的系統各個部分的實時狀況，在進行分析綜合后按一定的規則向各個相關設備發出控制信號，指揮系統協調運行。該規則在此是一般的邏輯函數關系。

系統運行過程中可能出現的問題有很多，它們可能發生在任何時間和任何設備。比如抽水系統中的原水提取泵出現堵塞、漏油、電氣短路、過負荷或急停故障等影響生產的情況發生時，都被認為是原水泵故障。在實際運行時，為了便于維修，需要提示確切的故障位置，但是我們不必對每一種情況都制訂一種對策。因為我們發現，有很多故障對系統造成的影響是相同的，我們可以將它們合并為一類故障，制訂一個通用的對策加以處理。根據處理方法的不同，我們將所有的對策歸納為以下幾個大類:

Ⅰ.某單元只有一個電機發生了故障。這時仍可以繼續運行，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#加藥機故障OR 2#攪拌器故障OR 2#加藥機故障THEN

* IF 1#-11#某一排污閥故障THEN

提示故障報警

IF 能夠滿足正常運行需要THEN

自動切換(或手動)至另一臺備用原水泵或停止某故障攪拌器、加藥機或排污閥繼續生產，提醒運行人員及時搶修。

END

ELSE

END

Ⅱ.如果兩個原水泵或兩臺攪拌器和兩臺加藥機同時發生故障。此時不能繼續生產。

* IF 1#原水泵故障AND 2#原水泵故障THEN

* IF 1#攪拌器和1#加藥機故障AND 2#攪拌器和2#加藥機故障THEN

* IF 1#-11#排污閥門全部故障THEN

提示故障報警

停止生產，提醒運行人員進行搶修。啟用現地控制看是否能恢復部分生產。

END

當外部事件發生，例如某一原水泵發生急停故障時，不妨假設有以下兩調度策略可供選擇:

①等待修復。

②切換至另一臺原水泵。

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

以上問題相當于一個決策問題，它包括一定的目標，決策者，可供決策者選擇的可能行動(策略和方案)和采取這些可能行動后所造成的所有可能結果，決策過程就是從可能達到一定目標的一系列可能行動，從策略和方案中選出一個特定的行動，以得到最好的結果。決策過程是一個復雜的判斷過程，需要對客觀事物的本質有足夠的了解，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、策略和收益三個要素。

考慮策略1)等待修復，這時面對的狀態可能為:

狀態a.在允許的時間內修好，概率為p1，費用包括等待費用。

狀態b.在允許的時間內不能修好，概率p2，費用包括因延誤造成的廢料費用。

其中，f 為對各項費用的估計函數，這些函數由相應的統計資料擬合而成。

考慮策略②，改為其它備用設備。費用包括廢水處理效率損失費用、等待費用等。

在開發中，將不同的調度策略實現為不同的調度成員函數，供系統中的對象實體調用。這些成員函數還可以傳入不同的參數，以考察同一類策略在不同參數情況下的性能。

本廢水處理系統中關于現場設備控制策略的選擇，也正是參照了上述算法和控制理論并進行了適當變通后進行控制程序設計的。

5 高線廢水處理電氣控制系統的可靠性設計

為了保證系統運行的可靠性，減少故障機率。主要采取了以下幾項措施:

(1)控制計算機選用知名品牌，且為高可靠性的工業用計算機，PLC 控制器選用德國西門子公司的產品，性價比較高。

(2)系統在中控室設置自動、手動控制各一套，同時加上現場的手動操作系統。系統總共有三套單獨操作系統，控制系統有足夠的冗余。

(3)中央控制室的控制系統與外界的電氣連結采用繼電器隔離加PLC 控制器I/O 輸出口的光電隔離。系統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率。

6 廢水處理電氣控制系統主要元器件性能

(1)計算機——選用工業控制用、性價比較高的主流機——研華610工業控制機。

型式:工控機IPC610。

品牌:臺灣研華。

CPU:INTEL PⅣ2.8 GHz。

內存:DDR256 M。

硬盤:80 G，1 GB 緩存，7200 rpm。

光驅:32X 及以上CD-RW/DVD ROM COMBO。

接口:2×10/100/1000 M 以太網卡，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PC/PPI 電纜(H485通信方式)進行通信。負責現場開關量、數字量、報警值的采集并在監控畫面上進行顯示。

(2)PLC 控制器——選用國際著名的德國SIEMENS 公司S7-200PLC 控制器主機(PLC 主機技術參數: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/數字量輸入轉換模塊(技術參數:模擬量點數為4路，輸入方式為電壓或電流，背板電流負載為0.025A@5 VDC，分辨率為16位)等組成下位機。通過運行污水處理程序進行對現場設備的控制以及對現場采集到的模擬信號、開關量信號進行處理和上傳。

7 結語

該電氣自動控制系統投入運行以來，實現了抽排水、凈水劑投加、斜管沉淀池和預沉器排污的全自動，有效減輕了廢水運行人員的工作強度及各種廢水處理設備和管道的堵塞機率，提高了設備運行的可靠性。但由于現有廢水濁度大大高于業主招標給定的參數，進而造成了現有廢水設備處理能力不足。后續將增加廢水干化設備，相應的電氣自動控制系統也將進一步增加和完善。