冗余PLC在大中型污水處理廠濾池控制的應用

李艷

(廣州東芝白云自動化系統有限公司，廣東 廣州 510000）

位于山西某城市的污水處理廠，一期已經在運行，二期進行擴建，擴建后的處理規模在原來的基礎上有較大的增加，在生化池后用D型濾池進行處理。本項目的自動化控制系統采用了施耐德的大型PLC QUANTUM系列，并做了冗余處理，本文主要介紹了此類PLC的實際應用。

1 概況

原一期工程投入運行已超過10年，日處理10萬噸污水的能力已不能滿足城市發展的實際需求。為適應城市擴張和城鎮化水平提高的需求，對主城區污水處理廠進行擴建，改擴建后規模為20萬m3/d，其中對一期工程改造規模為10萬m3/d，擴建二期工程規模為10萬m3/d，排放標準為國家一級A。

自控系統包括相關部分控制箱（柜）供貨、安裝指導、調試、試運行；計算機控制網絡工程的供貨、安裝指導、調試、試運行；系統電纜連接和接地，專用電纜（光纜、總線電纜、電視監控系統電纜）供貨及敷設，應用軟件的編制和調試；包括各級網絡上連接的所有設備（網絡、計算機、電氣系統、控制設備的接口、現場控制站、儀表及附件）的連接。

監控計算機可以對其進行組態、編程、調試及試運行等。

2 系統構成

2.1 系統概況

計算機監控及數據采集系統具有集中監視、分散控制的功能。全廠設置一套中央控制系統和5個PLC控制主站及各下屬分控子站。中央控制系統和PLC控制站之間采用1 000 M工業以太環網通訊，通訊介質為光纜，具備冗余能力。PLC控制站與控制設備之間采用DI/DO/AI/AO方式連接，與其他第三方自帶控制系統采用總線、以太網方式通訊。

PLC采用施耐德Modicon Quantum系列PLC，實現雙機熱備的功能。冗余PLC采用主、從控制器，并配備各自獨立的電源、通訊模塊。PLC各本地I/O和遠程I/O站采用M340系列，能夠實現各模塊熱電插拔功能，具有較高的性價比。

現場控制主站和現場分控子站之間的通訊采用以太網通訊，穩定可靠。

整個系統的配置構成如圖1所示。

圖1 系統配置構成

2.2 控制模式要求

設備的控制方式共三種。

手動控制方式：通過就地控制箱或MCC上的按鈕實現對設備的啟停操作；遠程手動控制方式：操作人員通過工作站的監控畫面用鼠標或鍵盤來控制現場設備；自動控制方式：設備的運行完全由各PLC根據污水廠的工況及工藝參數來完成對設備的啟停控制，而不需要人工干預。

三種方式的控制級別由高到低依次為：手動控制、遠程手動控制、自動控制。

2.3 系統功能

（1）中央控制站功能。中央控制站的功能是對全廠的生產運行情況進行監控，通過中央控制室監控計算機，可對全廠的生產運行進行管理。操作人員可以在中央監控計算機上查看全廠實時工藝流程狀況、實時監測數據；監控設備、調整工藝運行參數；生成各類報表、查詢實時曲線和歷史曲線、歷史記錄和報警等。

（2）現場控制站功能。現場各控制站的主要功能是采集現場各類設備的運行數據和儀表監測數據，傳送至中央監控系統進行顯示和處理，并由PLC進行設備自動控制和調節，或接收從中央控制站發出的命令，從而達到自動進行工藝運行的目的。

3 D型濾池控制方案

通過上位機可設定濾池的控制模式，分別為遠程手動（上位機點動操作設備）、遠程自動（PLC的程序根據設定好的參數和儀表、設備數據自動控制設備）、遠程自動又劃分為半自動（需操作人員在上位機點擊所需要的功能按鈕）、全自動（控制過程不需人工干預，完全由PLC控制）。

自控系統對每組濾池的濾格控制劃分為過濾模式、反沖洗模式以及停止模式。

操作人員通過上位機控制濾格進入半自動過濾模式，PLC判斷過濾條件滿足（相關的閥門遠程控制且無故障、濾格液位沒有高報警（可設定）），相應的濾格進入到過濾階段時，進水閘門打開，出水閥門打開。如果濾格處在全自動過濾模式，除了進水閘門、出水閥門被控制打開以外，同時自動過濾周期（T0，可設定）也開始計時。

濾格處于半自動過濾模式時，如果需要對濾格進行反沖洗，則操作人員可通過在上位機點擊濾格的反沖洗啟動按鈕進入反沖洗模式，PLC判斷反沖洗條件是否滿足（無濾格正在反沖洗、相關的閥門遠程控制且無故障、反沖洗水泵遠程控制且無故障、反沖洗風機遠程控制且無故障、反沖洗水泵出口壓力無高報警（可設定）、反沖洗風機出口壓力無高報警（可設定）），濾格進入到反沖洗階段。

（1）反沖洗啟動，速降排水階段，關閉進水閘門，當濾格的液位下降到一定值（M0，可設定），關閉出水閥門，開啟排水閥門，結束速降排水階段。

（2）進入氣沖洗階段，打開氣沖閥門，打開反沖洗風機閥門，在閥門開到位后，開啟一臺反沖洗風機；氣沖洗階段（T1，可設定）計時，T1時間過后，結束氣沖洗階段。

（3）進入氣水聯合沖洗階段，打開水沖閥門，開啟一臺反沖洗泵，間隔10 s后打開反沖洗泵閥門；氣水聯合沖洗階段（T2，可設定）計時，T2時間過后，結束氣水聯合沖洗階段。

（4）進入水沖洗階段，關閉反沖洗風機，隔20 s后關閉氣沖閥門，關閉反沖洗風機閥門；水沖洗階段（T3，可設定）計時，T3時間過后，結束水沖洗階段。

（5）進入排氣階段，關閉水沖閥門，關閉反沖洗泵閥門，間隔10 s后停止反沖洗泵，打開排氣閥；排氣階段（T4，可設定）計時，T4時間過后，關閉排氣閥和排水閥。排氣階段結束，反沖洗過程結束。

濾格處于半自動控制模式，濾格反沖洗過程結束后，濾格處于停止狀態，等待操作人員的下一步指令。濾池反沖洗間隔時間（T5，可設定）計時，在此時間內，不能進行同一組濾格的反沖洗操作。

當操作人員設置濾格為全自動控制模式時，濾池會首先進入到自動過濾周期（T0，可設定），T0時間結束后，濾格發出反沖洗申請，相關的條件滿足時，濾池自動進入到反沖洗過程。濾池反沖洗過程結束后，自動進入到過濾周期。濾池反沖洗間隔時間（T5，可設定）計時，在此時間內，不能進行同一組濾格的反沖洗操作。

D型濾池共由兩組，每組由12個濾格構成，同一時間之內只能允許同組濾池的一個濾格進行反沖洗。反沖洗過程中由對應的反沖洗風機和反沖洗水泵啟動運行，2#反沖洗風機和2#反沖洗水泵作為備用，可選擇投入到哪一組進行反沖洗。

4 總結

污水處理廠的濾池一個有24格，分成兩組運行，流程較為復雜，濾池內的設備動作較多。冗余PLC的配置很好地保證了復雜工藝段的設備自動控制運行，在一個CPU出現故障的情況下，立即切換到另外一個備用CPU，因此即便在工況惡劣的環境下，也能夠確保24格濾池的正常運轉。同時，熱插拔的模塊設置也可以在出現故障的情況下迅速地用備件進行更換，降低對日常生產的影響。

[1]GBJ93-86工業自動化儀表工程施工及驗收規范.

[2]GB18918-2002城鎮污水處理廠污染物排放標準.

[3]施耐德PLC在污水處理控制系統中的應用. 自動化應用.