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★王云偉，白彩鳳（北京碧水源科技股份有限公司，北京102206）

摘要：本文通過采用貝加萊X20PCC系統(tǒng)架構(gòu)完成了對無錫碩放污水處理廠自動化系統(tǒng)的改造，解決了本水廠控制設(shè)備多、控制條件復(fù)雜、采集數(shù)據(jù)量大的問題，最終達(dá)到了水廠擴(kuò)容的目的；同時提高了此污水處理廠的自動化程度、自控系統(tǒng)穩(wěn)定性、自控系統(tǒng)兼容性，并且對人力運營成本有一定的降低。

關(guān)鍵詞：污水處理；X20

1 項目概況

無錫碩放污水處理廠位于無錫碩放鎮(zhèn)，該污水處理廠原有處理站一座，但由于是早期建造，因而自動化程度不高、水質(zhì)差，并且不能滿足現(xiàn)日益增加的日處理量。為了提高出水質(zhì)量，并考慮到節(jié)省人力和以后進(jìn)一步擴(kuò)容的需要，亟需一套完整的先進(jìn)的綜合程度較高的污水處理方案。該項目采用“A2O+MBR”工藝改造原傳統(tǒng)工藝，新工藝主要由預(yù)處理單元、生化單元、MBR單元、鼓風(fēng)機(jī)曝氣單元、出水消毒單元及污泥處理單元六部分組成，其中預(yù)處理單元包含粗格柵、細(xì)格柵、提升泵、膜格柵等；生化單元包含厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)和低氧區(qū)等；MBR單元包含膜池及設(shè)備間；鼓風(fēng)機(jī)曝氣單元主要實現(xiàn)對生化單元和MBR單元的曝氣吹掃功能；污泥處理單元主要用于污泥脫水處理。具體工藝流程如圖1所示。該工藝與傳統(tǒng)處理工藝比較，電氣設(shè)備多，控制復(fù)雜，采集數(shù)據(jù)較多。因而需要一套穩(wěn)定的、較為先進(jìn)的自控系統(tǒng)配合。

圖1 工藝流程圖

2 網(wǎng)路結(jié)構(gòu)

根據(jù)整個工程的建筑物及水處理的工藝設(shè)備布置情況，主要分為三級控制系統(tǒng)：現(xiàn)場監(jiān)控級、車間監(jiān)控級、廠級管理級。其層級關(guān)系如圖2所示。

現(xiàn)場控制級主要是對現(xiàn)場工藝設(shè)備進(jìn)行運行狀態(tài)的采集和設(shè)備啟停的控制，其控制邏輯取決于下位機(jī)系統(tǒng)的邏輯程序。車間監(jiān)控級主要是對膜池設(shè)備間系統(tǒng)的監(jiān)控，其存在值班室，用于就近系統(tǒng)的集中監(jiān)視和控制。廠級管理級用于整個水廠工藝系統(tǒng)的整體監(jiān)控，從而了解整個水廠的運行情況。工業(yè)以太網(wǎng)用于廠級管理，車間級控制系統(tǒng)的操作員站和主控制站之間的連接；貝加萊X2X總線和西門子PROFIBU-DP現(xiàn)場總線用于主控制站站內(nèi)與主控制站和子控制站之間的連接。

圖2 網(wǎng)絡(luò)層級關(guān)系圖

本項目的自控系統(tǒng)分為中央控制系統(tǒng)、次級控制系統(tǒng)、現(xiàn)場控制系統(tǒng)三部分。

中央控制系統(tǒng)簡稱為中控室系統(tǒng)，其主要作用是對全廠設(shè)備間運行情況的監(jiān)視和控制，其主通過上位機(jī)實現(xiàn)全廠整個工藝流程的運行情況，同時也包含了報警系統(tǒng)、報表系統(tǒng)、歷史數(shù)據(jù)系統(tǒng)等，為了更好地用戶體驗，中控室引入了寬屏電視、打印機(jī)、UPS供電等設(shè)備。本系統(tǒng)主要是用于對全廠的統(tǒng)籌管理與值班使用，方便運營者的集中管理、集中監(jiān)控。次級控制系統(tǒng)稱之為分控室系統(tǒng)，其位于現(xiàn)場設(shè)備間附近，與中控室系統(tǒng)距離較遠(yuǎn)，用于對此設(shè)備間附件的設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控和值班。分控室系統(tǒng)的值班人員由于距離現(xiàn)場比較近，因此在出現(xiàn)事故時可以及時去現(xiàn)場進(jìn)行處理，降低事故所造成的損失。中控室系統(tǒng)和分控室系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 中控室系統(tǒng)和分控室系統(tǒng)示意圖

現(xiàn)場控制系統(tǒng)主要是數(shù)據(jù)采集和設(shè)備聯(lián)動控制，其主要依賴于下位機(jī)的邏輯程序。現(xiàn)場控制系統(tǒng)示意圖如圖4所示。其主要分為開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集與控制、模擬量的數(shù)據(jù)采集與控制和通訊儀表的采集三部分。此外通過各現(xiàn)場控制站之間的通訊工作可以實現(xiàn)各站之間的設(shè)備聯(lián)動，最終使整個水廠設(shè)備渾然一體。

圖4 現(xiàn)場控制系統(tǒng)示意圖

3 硬件配置

貝加萊PCC系統(tǒng)具有強(qiáng)大的功能，優(yōu)良的性能，良好的耐惡劣環(huán)境的能力。新一代的X20系統(tǒng)能夠勝任中大型的集散控制和復(fù)雜的過程控制。其良好的兼容性、強(qiáng)大的通訊能力、優(yōu)良的實時性、豐富的功能函數(shù)、品種繁多的硬件模塊、多種編程語言的使用等，使貝加萊PCC能夠廣泛適應(yīng)各種工業(yè)控制的需要。貝加萊PCC系統(tǒng)在國內(nèi)自控行業(yè)應(yīng)用較少，在污水處理行業(yè)應(yīng)用更少，近期貝加萊推出X20 PCC系統(tǒng)，它與以前的同級PCC系統(tǒng)相比其靈活的編程方法是其他PCC無法比擬的，并且其體積小重量輕，支持熱插拔。在通訊方面除支持CAN、Profibus、Ethernet、Ethernet Powerlink等外，還可以通過插入第三方模塊擴(kuò)展。貝加萊PLC系統(tǒng)不僅支持常見編程語言，如梯形圖、指令表、文本ST、Automation Basic等更為值得一提的是其可以通過C語言編輯自己的通訊協(xié)議來滿足特殊需要，而在污水處理應(yīng)用中由于是集成各個廠商的設(shè)備進(jìn)行集散式控制，要求設(shè)備之間有良好的兼容性，不同通訊協(xié)議間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及傳輸問題變得突出，而貝加萊PCC支持C語言編程能夠很好地解決這個問題。

設(shè)備的選型和配置：自控系統(tǒng)PCC采用貝加萊X20系列的X20CP1484 PCC和西門子S7-200。本系統(tǒng)主要包含鼓風(fēng)機(jī)房站、設(shè)備間站、臭氧設(shè)備間、污泥脫水機(jī)等系統(tǒng)的配置。限于篇幅原因，本文只列舉了兩類站點的配置。

（1）鼓風(fēng)機(jī)房站、設(shè)備間站系統(tǒng)作為主站，通過以太網(wǎng)的方式全廠主網(wǎng)絡(luò)鏈接，其配置如表1所示。

表1 主站配置

由于鼓風(fēng)機(jī)房站、設(shè)備間站配置相似，只是點數(shù)不同而已，因此這些站點的配置僅是數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊及這些模塊的輔助配件不同而已，因此這里并沒有標(biāo)明數(shù)量。

電源模塊主要是對本底板進(jìn)行供電，同時對于此

底板上的模塊、CPU進(jìn)行一定功率的供電，來保證此次底板上的模塊、CPU之間的用電。

CPU模塊用于存儲和運行工程師所編寫的邏輯程序，并且其自帶的以太網(wǎng)口承擔(dān)了與全廠主網(wǎng)絡(luò)通訊的功能。

接口模塊用于擴(kuò)展底板或遠(yuǎn)程站點使用，即當(dāng)本地底板插口用完或者需要進(jìn)行遠(yuǎn)程擴(kuò)展時底板時使用此模塊可以進(jìn)行通訊，來完各底板之間的通訊鏈接，從而保證各個底板模塊與CPU之間的鏈接。

數(shù)字量輸入模塊用于采集現(xiàn)場的開關(guān)量信號，即獲取現(xiàn)場設(shè)備的開關(guān)量狀態(tài)。

數(shù)字量輸出模塊用于控制現(xiàn)場的開關(guān)量信號，即控制現(xiàn)場設(shè)備的啟停、開關(guān)等。

模擬量輸入模塊用于主要用于采集現(xiàn)場的儀表信號，大部分采用4~20ma的形式，通過工程量的轉(zhuǎn)換來獲取儀表的工程值。

模擬量輸出模塊用于輸出4~20mA的電流，從而控制頻率、開度等信號。

（2）細(xì)格柵站、除臭間等系統(tǒng)為了節(jié)約成本，采用西門子S7-200系列PLC，其通訊方式采用DP總線，以DP從站的形式鏈接到PCC系統(tǒng)，從而間接接入到全廠主網(wǎng)絡(luò)中。其配置如表2所示。其模塊功能相似，僅型號和性能不同，因此不再贅述。

表2 各模塊配置

4 主要控制方案及實現(xiàn)方法

4.1 控制模式的要求

4.1.1 就地/遠(yuǎn)程控制模式

（1）就地手動控制

就地控制級別為最高級。當(dāng)控制柜上方式選擇開關(guān)被切換到就地控制時，PCC將不對該設(shè)備進(jìn)行控制，只進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視，現(xiàn)場操作人員通過控制柜上手動按鈕啟動停止設(shè)備，控制柜提供基本控制聯(lián)鎖。

（2）就地遠(yuǎn)程切換

當(dāng)控制柜上方式選擇開關(guān)被切換到遠(yuǎn)程（自動）控制時，現(xiàn)場手動就不起作用了，其現(xiàn)場控制權(quán)，交由上位機(jī)控制。

4.1.2 上位機(jī)控制模式

（1）遠(yuǎn)程手動控制

控制室操作人員可根據(jù)現(xiàn)場情況向下發(fā)出調(diào)度控制指令，調(diào)整設(shè)備運行狀態(tài)達(dá)到工藝要求。控制室操作人員也可以選擇遠(yuǎn)程手動方式，直接手動控制單個現(xiàn)場設(shè)備。

（2）遠(yuǎn)程自動控制

按PCC程序聯(lián)動、聯(lián)鎖等各種邏輯關(guān)系控制設(shè)備的啟動停止。

4.2 主要設(shè)備控制方案

4.2.1 格柵

（1）手動控制：單臺粗格柵進(jìn)行啟動、停止操作。

（2）自動控制：有兩種運行方式。

·本地方式：由本地控制柜內(nèi)設(shè)定一個時間周期

（運行時間和待機(jī)時間需設(shè)備安裝后現(xiàn)場調(diào)試時確定），粗格柵定時開啟進(jìn)行清渣。

·遠(yuǎn)程方式：由PCC根據(jù)程序的時間設(shè)定和前后液位差來決定粗格柵的開啟和停止。

4.2.2 提升泵（三用一備，軟啟）

（1）現(xiàn)場控制：按鈕選擇現(xiàn)場控制則為手動控制，不接受PCC控制，按控制柜上開車按鈕，提升泵啟動工作。選擇停止按鈕時設(shè)備停止運行。

（2）遠(yuǎn)程方式：由提升泵依據(jù)集水池和膜池液位自動起停開啟臺數(shù)。

4.2.3 MBR池產(chǎn)水

系統(tǒng)由膜池和輔助設(shè)備間兩個單體組成，整個系統(tǒng)控制由以下4個子控制系統(tǒng)組成：

（1）產(chǎn)水系統(tǒng)：由產(chǎn)水流量計給出信號，PCC采集流量值，通過PID方式控制產(chǎn)水。該系統(tǒng)又分為4個相對獨立的產(chǎn)水系統(tǒng)，并聯(lián)運行。共用抽真空泵及在線清洗系統(tǒng)。

（2）反洗系統(tǒng)控制：由PCC控制全自動的在線反洗程序，該系統(tǒng)4個出水廊道共用一套反洗系統(tǒng)。

（3）在線清洗系統(tǒng)控制：按膜污染情況在線完成。

（4）在線加藥系統(tǒng)控制：按水質(zhì)自動在線加藥。

4.2.4 設(shè)備間

滲透抽吸泵受膜池液位和提升泵房集水池液位控制，當(dāng)膜開始產(chǎn)水，產(chǎn)水閥門打開，滲透抽吸泵啟動工作；當(dāng)膜池低液位時，膜停止產(chǎn)水，滲透抽吸泵停止工作產(chǎn)水閥關(guān)閉。

產(chǎn)水流量受頻率控制，進(jìn)行產(chǎn)水。

膜組在產(chǎn)水過程中，氣動產(chǎn)水調(diào)節(jié)閥開啟，水反洗閥、真空閥、化學(xué)反洗閥關(guān)閉。

產(chǎn)水泵的控制

·產(chǎn)水泵遠(yuǎn)程控制：按鈕選擇遠(yuǎn)程控制按鈕，接受中央PCC控制。

·產(chǎn)水泵現(xiàn)場控制：按鈕選擇現(xiàn)場控制則為手動控制，不接受PCC控制，按操作柱上開車按鈕，產(chǎn)水泵啟動工作。

4.2.5 鼓風(fēng)機(jī)

每臺鼓風(fēng)機(jī)配備軟啟，5用2備。

控制方式：現(xiàn)場手動（中控室顯示其運行狀態(tài)）。

控制室監(jiān)控：鼓風(fēng)機(jī)運行狀況。

鼓風(fēng)機(jī)有過流保護(hù)或軟起動器故障報警。

4.2.6 加藥間

·卸料泵現(xiàn)場采用手動控制（中控室顯示其運行狀態(tài)）。

·加藥間有高低液位自動控制或人工現(xiàn)場控制。

·低位停止PAC計量泵；每個PAC溶液罐設(shè)高低2個液位，高低位報警；止溶解罐攪拌槳；

·每個PAC溶解罐設(shè)1個低液位，低位報警，并停

·助凝劑溶液罐設(shè)高低2個液位，高低位報警；低位停止助凝劑投加計量泵；

·助凝劑溶解罐設(shè)1個低液位，低位報警，并停止溶解罐攪拌槳；甲醇溶液罐設(shè)高低2個液位，高低位報警；低位停止甲醇計量泵。

4.3 上位機(jī)系統(tǒng)

4.3.1 控制功能

在中控室設(shè)置了兩臺工控計算機(jī)、一臺激光打印機(jī)、不間斷電源（UPS）等，并配套了相應(yīng)的操作系統(tǒng)系統(tǒng)軟件、組態(tài)軟件、編程軟件和應(yīng)用軟件。

工控計算機(jī)主要通過數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)連續(xù)采集各PLC控制站送來的數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行處理、存儲和顯示，同時也具備對下位設(shè)備施控的功能。工控計算機(jī)帶有21"的彩色液晶監(jiān)視器用來顯示工藝流程、設(shè)備狀態(tài)、過程參數(shù)和報警信息，同時可驅(qū)動打印機(jī)生成各類圖表和事件報警。工控計算機(jī)可適合連續(xù)的工作條件。

不間斷電源UPS用于停電情況下為監(jiān)控計算機(jī)及打印機(jī)提供電源、記錄事故參數(shù)。連續(xù)供電時間30分鐘。

本工程中的工控計算機(jī)將與各PLC控制站通過以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)連接，數(shù)據(jù)傳輸速率為10/100Mbps。

4.3.2 顯示功能

監(jiān)控系統(tǒng)以圖形或圖像的方式形象顯示工藝流程、各設(shè)備狀態(tài)以及廠區(qū)概貌、工藝布置圖。通過I/O輸入輸出域、棒圖、曲線、數(shù)據(jù)表格等方式監(jiān)視液位、流量等監(jiān)控點。

4.3.3 報警功能

系統(tǒng)自動進(jìn)行報警和事件處理。當(dāng)報警發(fā)生時，如液位超高或過低，系統(tǒng)可快速檢測并通過畫面狀態(tài)變化提示，并顯示報警文本，同時發(fā)出聲音報警提醒監(jiān)控人員注意。報警到達(dá)時間、確認(rèn)時間及排除時間、報警值、限位值、當(dāng)前操作員等相應(yīng)信息自動進(jìn)入存檔。報警到達(dá)以及報警確認(rèn)但未排除，采用兩種聲音提示。報警可手動消音。報警信息存儲半年以上，以便進(jìn)行故障分析和查詢。操作事件等狀態(tài)變化也自動進(jìn)行存儲歸檔。

4.3.4 數(shù)據(jù)歸檔

流量、污水處理量等數(shù)值按定義周期自動進(jìn)行存儲。存儲的數(shù)據(jù)可按曲線或數(shù)據(jù)列表的方式進(jìn)行顯示。并提供歷史數(shù)據(jù)查詢、ZOOM顯示、觀察線、在線關(guān)閉打開曲線、在線調(diào)整時間范圍、在線修整顯示模式等功能。存儲數(shù)據(jù)可保存13個月。

4.3.5 報表功能

報表系統(tǒng)將把重要過程數(shù)據(jù)定時記錄下來，寫入數(shù)據(jù)庫，形成數(shù)據(jù)庫文檔，運行人員可依據(jù)相應(yīng)的要求打印或預(yù)覽數(shù)據(jù)報表。

設(shè)定以下報表：

·生產(chǎn)報表

·日報表

報表既可以屏幕查看，也可以按要求打印輸出。

4.3.6 用戶管理

操作人員操作設(shè)備必須進(jìn)行登錄。根據(jù)不同操作人員的級別，系統(tǒng)自動判斷封鎖操作人員所能進(jìn)行的操

作。當(dāng)報警發(fā)生時，當(dāng)前操作員被記錄存檔。系統(tǒng)根據(jù)用戶名和密碼顯示和控制屏幕上的畫面及操作。無權(quán)限的用戶只能瀏覽畫面，不能修改參數(shù)機(jī)設(shè)備控制。

5 總結(jié)

通過合理地使用貝加萊PCC系統(tǒng)，實現(xiàn)了大量數(shù)據(jù)的實時采集與設(shè)備控制，同時借助于貝加萊PCC的強(qiáng)加編程功能，完成復(fù)雜邏輯程序的編寫及調(diào)試工作；分控室的設(shè)立，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性同時降低事故損失。通過長期的使用，較好地實現(xiàn)了貝加萊PCC系統(tǒng)與西門子之間的總線通訊，保持兼容性的同時降低系統(tǒng)成本。

作者簡介：

王云偉 （1974-），男，山西人，本科，現(xiàn)就職于北京碧水源科技股份有限公司，主要從事水處理電控系統(tǒng)工作。

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摘自《自動化博覽》2022年10月刊