一種污水處理廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)研究

霍 建

（長(zhǎng)春城開水務(wù)有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春，130000）

一種污水處理廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)研究

霍 建

（長(zhǎng)春城開水務(wù)有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春，130000）

水資源是人類賴以生存的基礎(chǔ)，隨著社會(huì)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，生活和工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的污水越來越多，這給污水處理廠的工作提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。自動(dòng)化控制系統(tǒng)在污水處理廠的應(yīng)用能夠保證水質(zhì)量穩(wěn)定，降低污水處理成本，提升污水處理效率。本文以某市污水處理廠為例，探討了一種自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)，主要研究了系統(tǒng)組成、配置和監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，旨在為相關(guān)污水處理廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用與設(shè)計(jì)實(shí)踐提供參考。

污水處理廠；自動(dòng)化控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

0　前言

污水處理關(guān)系到水資源的節(jié)約和用水安全，但就目前來看，水污染問題日趨嚴(yán)重，生活污水和工業(yè)污水越來越多，而污水處理技術(shù)還比較落后，這就給污水處理廠工作提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。自動(dòng)化控制系統(tǒng)在污水處理廠中的應(yīng)用能夠有效提升污水處理效率，降低污水處理成本，對(duì)于水資源保護(hù)和節(jié)約有著重要的意義。基于以上，本文結(jié)合實(shí)例提出了一種污水處理廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)，并研究了其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1　污水處理自動(dòng)化控制系統(tǒng)組成分析

以參與生產(chǎn)程度級(jí)別為標(biāo)準(zhǔn)可以將自動(dòng)化控制系統(tǒng)劃分為三個(gè)級(jí)別，分別是中央控制室、現(xiàn)場(chǎng)控制站和現(xiàn)場(chǎng)操作箱，操作員通過對(duì)中央控制室的操作來管理系統(tǒng)控制權(quán)限。

將上位機(jī)監(jiān)控界面安裝在上位工控機(jī)上，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度、壓力、液位等系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的有效監(jiān)視，同時(shí)有著報(bào)警功能、遠(yuǎn)程啟停功能、趨勢(shì)分析功能、參數(shù)設(shè)置功能機(jī)報(bào)表打印功能。整個(gè)系統(tǒng)界面有著直觀性的特點(diǎn)，方便操作。

在污水處理現(xiàn)場(chǎng)分布各種儀表，能夠采集污水處理過程中各項(xiàng)參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，將采集到的參數(shù)輸入到PLC輸入模塊中。現(xiàn)場(chǎng)控制站PLC對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算和相關(guān)處理，之后將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)向現(xiàn)場(chǎng)控制站PLC傳達(dá)指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制，上位機(jī)是污水處理自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心組成部分，能夠管理和控制污水處理過程各部分，實(shí)現(xiàn)污水處理廠辦公自動(dòng)化，上位機(jī)設(shè)有人機(jī)接口，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)與外部信息的交換，通過上位機(jī)上的計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)通訊功能，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與交互。

下位機(jī)采用的PLC有著PID調(diào)節(jié)功能，其對(duì)于污水處理系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)有著重要的意義，能夠接收上位機(jī)傳達(dá)的命令或參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)其數(shù)據(jù)采集功能、實(shí)時(shí)控制功能及判斷決策功能。在進(jìn)行開關(guān)量控制的基礎(chǔ)上，可以借助A/D轉(zhuǎn)換器來對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表輸入4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字PID運(yùn)算之后進(jìn)行信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器、調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行設(shè)備的控制。

本系統(tǒng)上位機(jī)、下位機(jī)以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備依靠通訊網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)三部分的通訊，這是系統(tǒng)管理與控制功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，適應(yīng)于污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)主要包括現(xiàn)場(chǎng)總線、DCS局域網(wǎng)以及工業(yè)以太網(wǎng)等。

2　污水處理自動(dòng)化控制系統(tǒng)配置探討

2.1PLC選型。綜合考慮本系統(tǒng)性能要求和污水處理廠自然條件，本設(shè)計(jì)選用西門子公司S7-300系列PLC，采用CPU315-2DP，其程序容量較大，能夠有效處理二進(jìn)制和浮點(diǎn)數(shù)。兩個(gè)DP接口使得與總線的連接相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠擴(kuò)展為冗余配置，能夠應(yīng)用于I/O結(jié)構(gòu)配置，此外，可以利用CP通信開來進(jìn)行DP接口的拓展，在采用S7通信方式的基礎(chǔ)上，可以將其作為客戶機(jī)也可以將其作為服務(wù)器。

2.2PLC信號(hào)模塊選型。連接設(shè)備與PLC的接口模塊指的就是信號(hào)模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理和執(zhí)行。

選擇SM321作為數(shù)字輸入模塊，其額定輸入電壓為DC24伏，輸入電流為7毫安，在每一個(gè)輸入模塊上配置了32個(gè)輸入點(diǎn)數(shù)。

選擇SM322作為輸出模塊，其額定電壓、配置的輸入點(diǎn)數(shù)與輸入模塊相同，輸出電流為5毫安-0.5安，感性負(fù)載和阻性負(fù)載的最大輸出頻率分別為100赫茲和0.5赫茲。

選擇SM331作為模擬輸入模塊，其額定輸入電壓為DC24伏，每一個(gè)輸入模塊可輸入模擬量的個(gè)數(shù)為8個(gè)。

選擇SM322作為模擬量輸出模塊，輸出點(diǎn)數(shù)為4，SM322的工程選擇輸出信號(hào)在4-20毫安之間，負(fù)載阻抗在0.5千歐以下，通道轉(zhuǎn)換時(shí)間在0.8毫秒以下。

2.3分布式I/O。利用開放式、標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-DP連接現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制從站部件，傳統(tǒng)的污水處理自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要通過電纜連接PLC的I/O模塊與執(zhí)行器和傳感器，這不僅增加了工作量，同時(shí)增加了安裝投資，且容易產(chǎn)生故障。本系統(tǒng)采用分布式I/O，遵循就近原則，將I/O模塊在傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)附近放置，這就實(shí)現(xiàn)了I/O模塊向執(zhí)行器和監(jiān)測(cè)器的轉(zhuǎn)化，能夠就地進(jìn)行過程信號(hào)的轉(zhuǎn)換和處理，從而提升了系統(tǒng)控制工作效率，克服了傳統(tǒng)連接方式的缺點(diǎn)。

將ET200系列作為分布式I/O站點(diǎn)，其中ET200B這一遠(yuǎn)程從站自帶I/O點(diǎn)，即使遠(yuǎn)程站點(diǎn)I/O點(diǎn)數(shù)不多也可以使用。利用接口模塊將ET200M通過機(jī)架組態(tài)標(biāo)準(zhǔn)I/O模塊，由于控制點(diǎn)數(shù)相對(duì)較多，因此選擇IM153-1作為其接口模塊。

2.4上位機(jī)配置。在污水處理自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，上位機(jī)的主要功能是管理，主要分為客戶機(jī)和服務(wù)器，客戶機(jī)和服務(wù)器對(duì)可靠性有著不同的要求。對(duì)于中小型自動(dòng)化控制系統(tǒng)來說，一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以完成所有功能，因此上位機(jī)沒有客戶機(jī)和服務(wù)器之分。為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，需要在上位機(jī)上安裝組態(tài)軟件。本系統(tǒng)為污水處理自動(dòng)化控制系統(tǒng)，屬于工業(yè)控制，因此選擇工控機(jī)作為上位機(jī)，在苛刻的外界環(huán)境下，工控機(jī)也能夠穩(wěn)定運(yùn)行，且有著擴(kuò)充性好、電壓范圍寬、兼容PC軟件以及I/O設(shè)備配套齊全等特點(diǎn)，本系統(tǒng)主要選擇性價(jià)比較高的巖華工控機(jī)IPC.610，能夠滿足系統(tǒng)要求，采用力控6.1組態(tài)軟件來進(jìn)行監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)與各個(gè)廠家生產(chǎn)PLC之間的通信。

2.5通訊網(wǎng)絡(luò)配置。現(xiàn)場(chǎng)總線取得了眾多用戶認(rèn)可，其開放性良好，能夠連接不同廠家生產(chǎn)的部件，被列為我國(guó)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)上位機(jī)為計(jì)算機(jī)，下位機(jī)為PLC，采用Process Field bus現(xiàn)場(chǎng)總線來進(jìn)行計(jì)算機(jī)、PLC及I/O模塊之間的通訊。

在本污水處理自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，將中控室計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)分空站PLC作為主站，以O(shè)LM拓展PROFIBUS電氣接口為基礎(chǔ)組成冗余光纖環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有效提升了通訊效率和抗電磁干擾能力。

3　監(jiān)控程序

將兩臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)置在中央管理中心，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)分別作為工程師站和操作站，二者互為備用，以力控組態(tài)軟件為基礎(chǔ)開發(fā)污水處理監(jiān)控界面，集中監(jiān)控整個(gè)污水處理廠工藝設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。以集成1000M網(wǎng)卡為基礎(chǔ)，通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控計(jì)算機(jī)與PLC系統(tǒng)之間的通信。監(jiān)控程序主要功能包括工藝流程監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄與存儲(chǔ)、多級(jí)口令登陸、打印、報(bào)警與報(bào)警記錄以及設(shè)備操作等。

4　結(jié)論

綜上所述，本文以某市污水處理廠為例，提出了一種污水處理自動(dòng)化控制系統(tǒng)，主要探討了系統(tǒng)組成、設(shè)計(jì)、配置以及監(jiān)控程序，旨在進(jìn)一步推進(jìn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)在污水處理廠中的應(yīng)用和發(fā)展。

［1］金東輝.一種污水處理廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2012，08：54-55.

［2］何志平.城市污水處理廠污水提升泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)［J］.企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2013，05：107-109.

［3］陳海涵，蔡鵬，獨(dú)學(xué)琴.污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.電工技術(shù)，2009，04：11-12.

霍建（1987.10.5），性別：女，籍貫：吉林省長(zhǎng)春市，學(xué)歷：本科，畢業(yè)于長(zhǎng)春大學(xué)，現(xiàn)有職稱：助理工程師，研究方向：電子信息及自動(dòng)化控制。

Study on Realization of automatic control system of sewage treatment plant

Huo Jian
（Changchun city open water Co.， Ltd.，Changchun Jilin，130000）

This paper to a city sewage treatment plant as an example，discusses a kind of automatic control system of the application and realization，mainly studies the system composition，configuration and monitoring interface design to factory automation control system application and design practice to provide a reference for sewage treatment.

sewage treatment plant；automatic control system； design