北京萬邦達環保技術股份有限公司，北京，100875，高亦強

 

摘要：為達到一級A排放標準，山東禹城第二污水處理廠需要對全廠實行集中管理，采用高性能、高品質的PLC產品確保控制系統安全、高效運行。以和利時公司LK系列PLC為核心的控制系統在基于A2/O生物除磷脫氮污水處理工藝中得到應用，并能完全滿足工藝控制的要求，提供了一種高可靠性、低成本、更優化的控制方案。

 

關鍵詞：LK系列PLC；控制系統

 

1  引言

山東禹城第二污水處理廠項目是2011年禹城市二十大民生實事工程之一，總設計規模9萬m3/d，其中一期工程設計規模3萬m3/d。設計出水水質達到《城市污水處理廠污染物排放標準》一級A標準，項目實施完畢后將有效解決高新開發區內工業企業的污水處理問題。該污水處理廠控制系統以和利時公司LK系列PLC為核心，為整個系統的安全穩定運行提供了可靠保障。

 

2  污水處理控制系統的設計

污水處理廠控制系統設計基于現代先進控制思想，采用分散控制、集中監測管理的控制方式，以和利時公司LK系列PLC為核心的控制系統。基于LK系列PLC應用于污水處理廠，完全能滿足A2/O生物除磷脫氮處理工藝控制的要求，提供了一種高可靠性、低成本、更優化的控制方案。

 

污水處理廠采用以LK210為主要PLC的集中和分散相結合的計算機控制系統，設1個中心控制室、4個現場PLC控制站。整個控制系統的結構原理圖如圖1所示。現場控制站對污水處理廠各過程進行分散控制，再由中心控制室對全廠實行集中管理。各現場控制站與中心控制室之間由工業以太網進行數據通信，傳輸介質為光纖，采用環型拓撲網絡結構，傳輸速率為100Mbps。

 

圖1  結構原理圖

 

3  污水處理控制系統的功能

污水處理廠升級改造控制系統分為三級管理，包括生產管理級（中心控制室）、現場控制級（PLC控制站）及就地控制級。各級管理功能如下：

3.1 生產管理級（中心控制室）

主要完成對污水處理廠的管理、調度、集中操作、監視、系統功能組態、控制參數在線修改和設置、記錄、報表生成及打印、故障報警等功能。系統提供了友好的人機界面，具備如下功能：

1）采集和實時監控全廠各工段的工藝參數值，電氣參數值及生產設備的運行狀態信息。

2）調節回路顯示，包括所有調節回路，可修改設定值、控制方式、調節參數等，并有實時趨勢圖便于進行PID回路整定。

3）根據采集到的信息，建立各類信息數據庫并對各類工藝參數值作出趨勢曲線(含歷史數據)，供操作人員分析比較。

4）報警系統提供過程中出現的故障、操作狀態以及自動化過程中的綜合信息以幫助及時發現危險情況，以減少污水處理廠運行過程中的嚴重事故和故障。這些信息以可見和可聽的方式提醒操作人員，如某一監控回路出現故障，系統中相應監控畫面中的回路部分會變色和閃爍，并伴有音響和報警信息提示操作員注意，同時將報警信息存儲及打印輸出。系統具有不同的信息類型和信息等級，以幫助操作人員能以較快的速度確認較重要的報警信息。

5）以"人--機"對話方式指導操作。自動狀態下，可用鍵盤或鼠標對有關設備進行手動操作（如開/停機操作）。

6）顯示全廠平面及幾十幅工藝流程中的剖面圖。

7）動態圖形及實時數據顯示。圖形系統可以處理所有屏幕上的輸入輸出信號。可根據用戶需要，利用圖形工具對工藝圖、動態曲線、歷史趨勢圖、棒圖及表格進行動態或靜態顯示。

8）對重要設備的操作、重要參數的修改自動進行記錄，以便進行管理及事故分析。

9）系統設置為多用戶、多區域方式進行嚴格的安全管理。

10）采用分級操作與維護的工作方式。所有人員進入系統操作，首先進行登錄，登錄包括用戶名稱和口令，系統根據登錄人的級別開放相應的功能：對于一般操作員只能進行簡單的、系統正常情況下的操作；而對于系統維護則應由系統管理員來完成。

11）與工廠管理系統聯網，實現資源共享、綜合管理。

12）通過通信總線與其他廠家的控制系統進行通信。

3.2  現場控制級（PLC控制站）

根據廠區內生產構筑物的分布和工藝過程的要求，各現場PLC站通過主干網絡聯結起來。作為控制層，具備如下功能：

1）按控制程序對所轄工段內的工藝過程、電氣設備進行自動控制，同時采集工藝參數，電氣參數及電氣設備運行狀態。

2）通過通信網絡與中央控制室的監控管理系統進行通信。向監控管理系統傳送數據，并接受監控管理系統發出的開停機命令。

3）現場控制站提供方便的自動控制, 臨界報警和連續的回路控制。

4）無響應報警：在任何時候，如果現場設備對控制站PLC的輸出無響應（開/停或開/關超時不響應）。控制站PLC要發出一個錯誤信號。

5）為控制站PLC程序預置的值，可以通過中央監控站調整。

3.2.1  粗格柵和提升泵房控制站

主要用于粗格柵和提升泵房設備的控制及數據采集。主要功能包括：

1）通過超聲波液位差計連續測量粗格柵前后液位差值，并與設定值比較，控制機械格柵的開啟和上下運行排渣。也可采用設定時間控制排渣周期。

2）通過超聲波液位計測量液位數據，根據液位開啟提升泵。

3）實時采集液位計、液位差、進水泵管道壓力等參數。

3.2.2  細格柵控制站

主要用于細格柵、沉砂池設備的控制及數據采集。主要功能包括：

1）通過超聲波液位差計連續測量細格柵前后液位差值，并與設定值比較，控制機械格柵的開啟和上下運行排渣。也可采用設定時間控制排渣周期。

2）實時采集液位差、進水COD，PH，SS，流量等參數。

3）根據設定周期控制沉砂池上其它設備的運行。

3.2.3  SBR控制站

主要用于水解酸化池及設備的控制及數據采集。主要功能包括：

1）自動控制處于工作狀態的所有設備的連續運行。

2）根據工藝要求使設備周期性循環運行，運行時間現場可調整。

3）實時采集壓力、液位等參數。

4）完成與其他設備的聯網。

3.2.4  脫水機房站

主要用于脫水機房設備的控制及數據采集。主要功能包括：

1）脫水機房控制由脫水機房廠家負責，PLC站點只進行監控操作。

2）對儲泥池攪拌器進行控制，按照定時控制。

3）實時采集儲泥池液位、剩余污泥管流量等參數。

4）控制鼓風機管道閥門的開度

3.3 就地控制級

將現場控制箱上的“就地/遠程”旋鈕切換至“就地”位置，通過箱上的“啟動/停止”按鈕實現就地手動控制。

污水處理廠升級改造控制系統設計為三種控制方式，三種方式的級別由高到低依次為就地手動、遠程手動、遠程自動。

 

4  污水處理控制系統的特點

基于LK系列PLC在污水處理廠處理控制系統有以下特點。

1）高性能。系統組件的設計符合真正的工業等級，控制系統能在嚴格的工業環境下長期、穩定地運行，盡可能降低控制系統故障風險，保證能源收益，確保水廠7×24小時的不間斷供水服務。

LK系列PLC配置了工業級的處理器，其主頻可以達到533MHz，同時具有納秒級的處理速度，單條指令較快可以達到13ns的處理速度；具有大容量的內存，程序容量可以達到16M，數據容量可以達到64M，而掉電保持數據的存儲則可以達到1M；還擁有非常大的系統I/O容量，數字量I/O可達57344點，模擬量I/O則可達3584點；LK系列PLC的定時器和計數器是超長不限點的，只要在程序容量允許的范圍內用戶可以隨意使用。

2）高可靠性。PLC控制站一般設于高電磁干擾環境，如提升泵房、鼓風機房等。 基于LK系列PLC的控制系統具有較強的電磁兼容性，系統采用各種隔離、抗干擾設計，保證系統能在強電磁干擾環境中穩定運行。

水處理環境可能因遭受污染并加速設備中電子元件的老化，基于LK系列PLC可提供特殊的保護工藝（保護涂層）的模塊，提高元件在腐蝕性化學品和腐蝕性環境中的使用壽命，避免意外停機，降低維護成本。

3）易用性和易維護性。PLC控制系統一經安裝完畢，控制系統便可進入自動運行狀態。 在自動運行過程中需要PLC控制系統在不影響整個系統運行的情況下進行模塊的更換及系統維護。

LK系列PLC的模塊支持帶電插拔，更換模塊時無需中斷系統運行，新模塊將會自動進行數據的初始化設置，并快速與CPU建立通信；背板上設計有防混淆，以避免插錯模塊；靈活的SD存儲卡，可進行工程恢復及備份復制，使系統維護更加方便、快捷。

4）開放性和兼容性。基于標準協議的通訊網絡可非常方便地將第三方設備接入，如加藥系統、紫外線消毒、及污泥脫水機等，允許大量過程反饋信息傳輸，支持設備參數訪問功能，可提高系統的性能與診斷能力。

該控制系統不僅支持與各種上位監控軟件的通訊，例如iFIX、INTOUCH、組態王、MCGS、力控等，而且支持與主流品牌觸摸屏的通訊，例如Pro-Face、HITECH、eView、Weinview、nTouch。只要HMI支持標準的通訊協議，都可以很方便的進行連接。

強大的擴展功能可為遠期擴容、升級改造預留接口及容量。

5）過程診斷和在線維護。提供的強大診斷功能，能夠方便、高效訪問相關信息，發現導致故障的根本原因以及需要修正的過程參數等，以便提前發現生產過程中存在的問題，可以避免設備意外停機，從而降低運營成本。

操作站安裝上位監控組態軟件HollyView6.53及LK編程軟件PowerPro V4，具有強大的功能，可方便、直觀地進行上位機組態和PLC編程，且支持在線下載、在線修改以及離線仿真調試等功能。

 

5  結論

基于LK系列PLC在污水處理廠控制系統的設計與實現，充分發揮了LK系列PLC配置靈活、控制可靠、開放性強和在線維護方便等優點，為整個系統的安全穩定運行提供了可靠保障。

 

參考文獻：

[1]  LK大型可編程控制器硬件手冊[M].北京：北京和利時集團，2011

[2]  LK系列可編程控制器選型樣本[M].北京：北京和利時集團，2011

[3]  水處理行業自動化解決方案[M].北京：北京和利時集團，2010