基于PLC的污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)

譚偉

（中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司）

1 引言

污水處理廠成為現(xiàn)代化都市中不可缺失的基礎(chǔ)設(shè)施。在污水處理過(guò)程中，其自動(dòng)化程度影響著污水處理效果的高低，因此，需要以原有的自動(dòng)化控制技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行全面的分析和研究，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)污水處理工作進(jìn)行全面、自動(dòng)化的監(jiān)督控制。PLC技術(shù)是以可編程邏輯控制器所具有的內(nèi)存功能為基礎(chǔ)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)工作進(jìn)行控制和監(jiān)督，并且對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算，再使用信息/數(shù)字模擬輸入或輸出技術(shù)對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行全面控制的一種全新技術(shù)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

在優(yōu)化污水處理方案的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化運(yùn)行控制模式，選擇適當(dāng)過(guò)程參數(shù)，自動(dòng)化系統(tǒng)能在保證出廠水質(zhì)的情況下，降低運(yùn)行過(guò)程中的人工費(fèi)用、能耗和物耗，使污水處理廠逐步實(shí)現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式。自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則如下：

1）實(shí)用性

系統(tǒng)的主要目的是為了滿足污水處理廠生產(chǎn)控制和管理的要求。

2）可靠性

污水處理必須保證生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性，所以設(shè)備運(yùn)行控制的可靠性具有重要意義。

3）經(jīng)濟(jì)性

自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行充分的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，包括系統(tǒng)構(gòu)建、設(shè)備系統(tǒng)維護(hù)、技術(shù)支持備品備件、設(shè)備維修等多個(gè)方面。

4）先進(jìn)性

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，信息技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展日新月異，更新?lián)Q代較快，在功能增強(qiáng)的同時(shí)，價(jià)格逐年下降，因此，在經(jīng)濟(jì)可行的基礎(chǔ)上應(yīng)選擇具有一定技術(shù)先進(jìn)性的產(chǎn)品[1]。

2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

通過(guò)對(duì)各個(gè)污水廠的生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析，選擇PLC控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行工作。該系統(tǒng)的主要組成部分包括中控室設(shè)備、4個(gè)控制主站、1個(gè)控制子站。在該系統(tǒng)中，控制主站主要采用AB公司生產(chǎn)的1769-L3X系列PLC控制器；控制子站主要采用1794-AENT系統(tǒng)遠(yuǎn)程I/0子站來(lái)進(jìn)行操作，以工業(yè)網(wǎng)為基礎(chǔ)，將以太網(wǎng)和控制主站形成環(huán)網(wǎng)，進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息通信的目的，并且在每一個(gè)控制主站內(nèi)設(shè)置觸摸屏，進(jìn)行終端HMI的配置。

2.3 PLC控制站的設(shè)置

1）在污水處理廠配電室內(nèi)設(shè)置控制主站PLC1，主要對(duì)污水中含有的氧化物、生物反應(yīng)池、回流污泥泵房、鼓風(fēng)機(jī)房等設(shè)備的工作信號(hào)進(jìn)行采集及自動(dòng)控制；

2）在污泥脫水間內(nèi)設(shè)置PLC2，主要對(duì)污泥脫水系統(tǒng)、泥餅制備等設(shè)備的的工作信號(hào)進(jìn)行采集及自動(dòng)控制；

3）在污水處理廠的加藥配電室內(nèi)設(shè)置PLC3，主要對(duì)CLO2發(fā)生器、投藥泵以及PAC絮凝劑配制等設(shè)備的工作信號(hào)進(jìn)行采集及自動(dòng)控制；

4）在污水處理廠的濾池操作間內(nèi)設(shè)置PLC4，主要對(duì)反沖洗、絮凝沉淀池等流程的工作信號(hào)進(jìn)行采集及自動(dòng)控制[2]；

5）在污水處理廠的預(yù)處理配電間內(nèi)設(shè)置控制子站，主要對(duì)污水預(yù)處理設(shè)備等的工作信號(hào)進(jìn)行采集及自動(dòng)控制；

6）在管理大樓內(nèi)設(shè)置中控室，內(nèi)設(shè)置工程師站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、交換機(jī)等，工程師借助各種類(lèi)型的軟件對(duì)PLC進(jìn)行動(dòng)態(tài)化的編程。

3 PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能

1）采用該自動(dòng)化控制系統(tǒng)能有效地對(duì)污水處理廠內(nèi)所有機(jī)械設(shè)備、工藝流程等進(jìn)行全面動(dòng)態(tài)化的監(jiān)控，并且能實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)信息，對(duì)其進(jìn)行分析處理，完成數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)工作。

2）借助自動(dòng)化系統(tǒng)能對(duì)污水處理廠內(nèi)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)重要設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化記錄，并且生產(chǎn)數(shù)據(jù)報(bào)表，為今后設(shè)備的檢修工作做好基礎(chǔ)工作；

3）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所有的設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控；對(duì)中控室內(nèi)所有的儀器設(shè)備等進(jìn)行監(jiān)督和控制，并且能對(duì)故障進(jìn)行報(bào)警，通過(guò)對(duì)報(bào)警數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，制定出解決方案。

此外，該系統(tǒng)具有3種控制方式：就地手動(dòng)、就地自動(dòng)和遠(yuǎn)程自動(dòng)[3]。

4 各個(gè)控制站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 中控室的設(shè)計(jì)

在中控室內(nèi)需要設(shè)置備用工作站，并且需要在主操作站上附加PLC編程軟件，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的PLC進(jìn)行動(dòng)態(tài)化遠(yuǎn)程編程操作。借助網(wǎng)絡(luò)有針對(duì)性地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)控的目的。中控室可以對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)化的管理，并且對(duì)所有設(shè)備的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)施監(jiān)督，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)PLC站的動(dòng)態(tài)化控制。

4.2 PLC1控制主站的設(shè)計(jì)

PLC1是自動(dòng)化系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分，也是污水處理廠處理工藝的核心部分，主要包含生物反應(yīng)、氧化物反應(yīng)等。此外，PLC1還對(duì)推流、鼓風(fēng)機(jī)、污泥泵等各個(gè)環(huán)境進(jìn)行控制。由于PLC1在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的重要性，需要對(duì)其加強(qiáng)監(jiān)督。并且，在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要確保其控制器點(diǎn)數(shù)量和穩(wěn)定性符合要求。經(jīng)過(guò)多方的研究分析后決定，采用拓展硬件的方式來(lái)對(duì)PLC1進(jìn)行硬件配置，具體操作如下：首先從PLC中選擇負(fù)載能力強(qiáng)和具有拓展能力的CPU模塊，然后再增加幾個(gè)電源模塊和拓展電線，對(duì)其輸出的I/0點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)事情情況來(lái)進(jìn)行I/0模塊的選擇[4]。

4.3 PLC2的設(shè)計(jì)

將PLC2控制主站放置在污水處理廠的污泥脫水間內(nèi)，此控制區(qū)域的設(shè)備較少，可以采用遠(yuǎn)程+現(xiàn)場(chǎng)控制的方式來(lái)對(duì)污泥脫水間的設(shè)備進(jìn)行控制，主要包含污泥進(jìn)料泵、輸送機(jī)等設(shè)備。采用手動(dòng)的方式來(lái)對(duì)溶藥設(shè)備進(jìn)行控制，當(dāng)貯藥箱液位＜最低數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)報(bào)警，現(xiàn)場(chǎng)人員需要及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)藥操作。當(dāng)污泥泵啟動(dòng)后，會(huì)按照貯泥池內(nèi)泥位的高度來(lái)進(jìn)行自動(dòng)化操作。

4.4 PLC3的設(shè)計(jì)

在此自動(dòng)化系統(tǒng)中，PLC3控制主站放置于污水處理廠的加藥間內(nèi)，主要包含2套系統(tǒng)。此系統(tǒng)均為廠家提供，可以借助以太網(wǎng)與控制主站進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交流和傳遞。

4.5 PLC4的設(shè)計(jì)

PLC4控制主站放置于污水處理廠的濾池操作間內(nèi)，此空間內(nèi)的設(shè)備較多，其也是污水處理工藝的最末端，因此，PLC的控制效果直接決定著水質(zhì)質(zhì)量。在對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要重視此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，在進(jìn)行硬件的選擇上，CPU模塊選擇1769-30ER來(lái)進(jìn)行操作[5]。

4.6 PLC1-I01控制子站設(shè)計(jì)

該自動(dòng)化系統(tǒng)中，控制子站和PLC1主站為掛靠關(guān)系，其子站無(wú)獨(dú)立的CPU裝置，但是卻具有獨(dú)立的物理地址，因此，可以以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)與PLC1進(jìn)行數(shù)據(jù)交換工作，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交換功能。為了有效地保證污水處理工藝的連續(xù)性和可靠性，降低硬件設(shè)備的成本投入，所以在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要選擇與PLC1同廠家制造的遠(yuǎn)程I/0模塊作作為控制子站的硬件平臺(tái)。通過(guò)對(duì)污水處理廠各個(gè)設(shè)備和工藝環(huán)節(jié)的要求，在子站中模擬量I/0模塊采用電流型模塊，從而對(duì)進(jìn)水提升泵、輸送機(jī)等設(shè)備進(jìn)行全面的控制。

5 電氣控制電路

5.1 格柵電機(jī)的電氣控制設(shè)計(jì)

格柵工作狀態(tài)的自動(dòng)化控制需要借助格柵電機(jī)來(lái)進(jìn)行操作，能有效地將龐大的懸浮物隔離處理，為后續(xù)的工藝環(huán)境減減輕工作量。格柵電機(jī)的控制原理分為兩種。

1）借助電控柜就地對(duì)其進(jìn)行控制；

2）借助PLC實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。以雙向開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行選擇控制，當(dāng)撥到2檔時(shí)，需要按下啟動(dòng)按鈕。當(dāng)電路處于連通狀態(tài)時(shí)，觸電器通電，電機(jī)就可以進(jìn)行工作。在停機(jī)過(guò)程中，需要按下電氣系統(tǒng)中的按鈕，切斷電源，交流觸電器進(jìn)行斷電操作，電機(jī)停止工作。若電機(jī)處于超負(fù)荷工作狀態(tài)下，間隔一段時(shí)間后才能進(jìn)行后續(xù)命令的執(zhí)行，并且電機(jī)完全停止工作后，無(wú)法自動(dòng)進(jìn)行啟動(dòng)操作。

電機(jī)遠(yuǎn)程控制能將直流器當(dāng)作控制對(duì)象，對(duì)其吸合動(dòng)作進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備的目的。若雙向開(kāi)關(guān)被撥動(dòng)，電機(jī)進(jìn)入到工作模式，交流接觸器完成斷路操作時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)停止工作，處于停機(jī)狀態(tài)。當(dāng)線路連通時(shí)，PLC能對(duì)設(shè)備和對(duì)應(yīng)設(shè)備之間的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。若PLC傳遞給電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)，則24V繼電器會(huì)發(fā)生指令，使KA吸合，電機(jī)進(jìn)入到工作狀態(tài)。

5.2 曝氣機(jī)電氣控制的設(shè)計(jì)

曝氣機(jī)電路的設(shè)計(jì)原理是借助變頻器來(lái)對(duì)羅茨風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度、頻率等進(jìn)行調(diào)控，從而對(duì)曝氣池內(nèi)氧氣的含量進(jìn)行全面的控制，確保微生物能充分地發(fā)生生物反應(yīng)，對(duì)有機(jī)污染物進(jìn)行降解，實(shí)現(xiàn)凈水的目的。當(dāng)操作人員按下電機(jī)啟動(dòng)按鈕時(shí)，電機(jī)開(kāi)始進(jìn)行工作，松開(kāi)按鈕時(shí)，電機(jī)停止進(jìn)行工作，一般采用此方案對(duì)電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了有效地提高污水處理工藝的自動(dòng)化控制程度，以PLC控制技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出更加完善的污水處理自動(dòng)化控制系統(tǒng)，對(duì)污水處理過(guò)程中的各個(gè)設(shè)備和操作環(huán)節(jié)進(jìn)行全面動(dòng)態(tài)化的監(jiān)督和控制，這樣不僅僅有效地提高了污水處理的效率，而且還能確保水質(zhì)符合國(guó)家環(huán)保要求，更為關(guān)鍵的是采用此自動(dòng)化控制系統(tǒng)能有效地降低污水處理過(guò)程中能量的消耗，減少人力、物力和財(cái)力的投入，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的。