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     （許昌學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，河南 許昌 461000）李躍磊，王 武
                     
    李躍磊（1984-）男，河南許昌人，助教，主要從事實(shí)驗(yàn)室管理和實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。

    基金項(xiàng)目：河南省教育廳自然科學(xué)研究資助項(xiàng)目（2008A510014）

    摘要：針對(duì)傳統(tǒng)污水處理過(guò)程自動(dòng)化程度低，效率低下的具體特點(diǎn)，結(jié)合OMRON PLC 構(gòu)建了分布式控制系統(tǒng)，分析了具體的工藝流程和模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了可靠性高、控制靈活、擴(kuò)展容易的自動(dòng)化污水處理系統(tǒng)。

    關(guān)鍵詞：污水處理；自動(dòng)控制；PLC；分布式控制

    Abstract: The distributed control system for sewage disposal with OMRON PLC was constructed to replace the traditional sewage disposal one with low automation and low efficiency. The technological process and module design were analyzed. Control system for sewage disposal with high reliability, feasible control ability and extensibility is developed.

    Key words: Sewage disposal; Automatic control; PLC; Distributed control

    1 引言

    我國(guó)現(xiàn)有污水處理廠多數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，工藝技術(shù)和設(shè)備落后，污水處理的可變因素很多，水量、濃度、溫度、氣量、微生物狀態(tài)、系統(tǒng)控制和機(jī)械運(yùn)行情況等，都影響污水處理的功能和效率，建立高度自動(dòng)化的污水處理廠，把廢水重新利用，能有效地抑制污水污染和環(huán)境污染，符合中國(guó)21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，己成為當(dāng)今社會(huì)刻不容緩的任務(wù)[1]。而高效穩(wěn)定的污水處理系統(tǒng)就是做好這一工作的保障。近幾年來(lái)，我國(guó)新建城市污水處理廠和新增污水處理站大都采用了PLC 和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，在污水處理項(xiàng)目中取得了成功的經(jīng)驗(yàn)，取得了很好的污水處理效果。本文在某污水處理廠的工藝流程的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體工藝設(shè)計(jì)了污水處理廠的污水處理監(jiān)控系統(tǒng)。

    2 污水處理系統(tǒng)構(gòu)架

    污水處理常用的一般監(jiān)控系統(tǒng)可分為兩層。上層為中央控制室內(nèi)的兩臺(tái)中心監(jiān)控計(jì)算機(jī)，即上位機(jī)，通常是設(shè)置成兩臺(tái)計(jì)算機(jī)互為備用的形式。下層則為若干現(xiàn)場(chǎng)可編程控制器，它們分布在水處理廠中不同的位置，分別負(fù)責(zé)一部分設(shè)備的控制。被控設(shè)備，如閥門、泵、風(fēng)機(jī)等都與可編程控制器的I/O相連，PLC通過(guò)輸入和輸出控制信號(hào)對(duì)其進(jìn)行控制量采集和控制。上位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)可編程控制器之間則借助PLC通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)交換數(shù)據(jù)[2]。

    根據(jù)污水處理廠的生產(chǎn)工藝，整個(gè)污水處理過(guò)程可以分成三個(gè)模塊[3]：

    （1）污水雜物的去除及預(yù)處理。

    （2）SBR池中進(jìn)行污水的物理化學(xué)反應(yīng)及水與污泥的分離。SBR法是序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reaotor）的簡(jiǎn)稱，又名間歇曝氣，它的主體構(gòu)筑物是SBR反應(yīng)池，污水在這個(gè)反應(yīng)池中完成反應(yīng)、沉淀、排水及排除剩余污泥等工序，使處理過(guò)程大大簡(jiǎn)化。

    （3）水的消毒及污泥烘干處理

    由于三個(gè)模塊具有明顯的分界性，所以設(shè)計(jì)了三個(gè)PLC站，即1#PLC站、2#PLC站和3#PLC站用于現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程控制。配置了兩臺(tái)上位監(jiān)控機(jī)，對(duì)三個(gè)現(xiàn)場(chǎng)PLC站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

    現(xiàn)場(chǎng)PLC站以2#PLC站為通訊主站，通過(guò)COM口與上位監(jiān)控機(jī)通訊，另外兩臺(tái)PLC站則通過(guò)2#PLC主站與上位機(jī)進(jìn)行通訊，上位機(jī)把讀上來(lái)的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)處理后在畫面上動(dòng)態(tài)顯示出來(lái)。整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)分散控制，集中管理的集散系統(tǒng)。

    3 OMRON PLC系統(tǒng)在水廠控制中的應(yīng)用

    污水處理廠監(jiān)控系統(tǒng)選用的是OMRON公司的C系列的中型C200H系列PLC，OMRON的C系列PLC是一種比較先進(jìn)的可編程控制器。

    3.1 PLC 1# 控制站設(shè)計(jì)

    PLC 1#控制站設(shè)計(jì)是整個(gè)污水處理的第一步，主要完成兩項(xiàng)工作：一是污水中大體積雜物如石頭、稻草的祛除；二是控制集水井中的水位高度。粗格柵的設(shè)計(jì)從上圖可以看出，污水通過(guò)進(jìn)水口進(jìn)入一個(gè)緩沖池，緩沖池中設(shè)有兩個(gè)粗格柵，目的是將稻草之類的大型雜物排除出去，如圖1 所示[4]。
                    
                                
                                        圖1 PLC1#控制站結(jié)構(gòu)圖

    由于污水一般是工業(yè)污水和生活污水，其中雜物不需要每時(shí)每刻都進(jìn)行處理。根據(jù)工程師的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定粗格柵每隔2小時(shí)運(yùn)行15分鐘，且兩個(gè)格柵不能同時(shí)工作，其工作時(shí)序如圖2所示。
         
                             
                                     圖2 PLC1#控制站粗格柵工作時(shí)序

    3.2 集水井水泵的控制

    經(jīng)過(guò)粗格柵處理后的污水，匯集在集水井中，等待進(jìn)一步處理。整個(gè)集水井大約可以存貯500立方米的污水。當(dāng)污水達(dá)到一定高度時(shí)，必須將污水立即從集水井中輸入到SBR池中。污水水位與投入運(yùn)行的水泵有如下關(guān)系：在液位處于上升階段，當(dāng)水位超過(guò)1.2m時(shí)，投入一臺(tái)水泵運(yùn)行；水位超過(guò)1.45m時(shí)，投入兩臺(tái)水泵運(yùn)：水位超過(guò)1.65m時(shí)，投入三臺(tái)水泵運(yùn)行；當(dāng)水位超過(guò)2m時(shí)，四臺(tái)水泵全部投入運(yùn)行。在液位處于下降階段，當(dāng)水位低于1.65m時(shí)，關(guān)閉一臺(tái)水泵；當(dāng)水位低于1.45m時(shí)，關(guān)閉兩臺(tái)水泵；當(dāng)水位低于1.2m時(shí)，關(guān)閉三臺(tái)水泵；當(dāng)水位低于0.5m時(shí)，必須關(guān)閉所有水泵。當(dāng)碰到特殊情況時(shí)，比如某臺(tái)泵發(fā)生過(guò)流故障時(shí)，下一臺(tái)就必須自動(dòng)切入。而若此時(shí)其它的泵都正在運(yùn)行，則整個(gè)控制系統(tǒng)處于等待狀態(tài)。當(dāng)水泵修復(fù)后，只要還符合開泵條件，這臺(tái)泵馬上就可以投入運(yùn)行。從上面的分析可知：液位的升降系數(shù)是控制水泵運(yùn)行的關(guān)鍵因素。超聲波液位儀利用超聲波在空氣中的傳輸速度和傳輸時(shí)間，可以比較準(zhǔn)確地測(cè)量出液面的高度。四臺(tái)水泵的順序控制是整個(gè)集水井控制的關(guān)鍵。對(duì)于每一臺(tái)水泵，共有3個(gè)控制繼電器：過(guò)流保護(hù)、自動(dòng)和退出自動(dòng)、啟動(dòng)水泵和關(guān)閉水泵。節(jié)點(diǎn)分配見表1。

                               

    3.3 PLC 2# 控制站設(shè)計(jì)

    PLC 2#控制站是整個(gè)污水處理過(guò)程中最重要的一環(huán)。該處理過(guò)程主要完成兩項(xiàng)工作；一是將集水井中流出的水在細(xì)格柵中進(jìn)行過(guò)濾，把直徑超過(guò)3cm的雜質(zhì)進(jìn)一步濾去，并暫時(shí)貯存在調(diào)節(jié)池中；二是集中控制SBR池中污水的物理化學(xué)反應(yīng)，將水與污泥分離，基本達(dá)到清水的目的，整個(gè)2#PLC站的結(jié)構(gòu)如圖3所示[5]：
    
                                   
                                        圖3 PLC2#控制站結(jié)構(gòu)圖 

    細(xì)格柵的控制過(guò)程設(shè)計(jì)原理與1#PLC站的粗格柵的控制原理基本類似，細(xì)格柵流出的水先暫存在調(diào)節(jié)池中。2#PLC時(shí)刻監(jiān)視調(diào)節(jié)池中的貯水水位，并根據(jù)SBR池的運(yùn)行情況決定需要開啟哪幾個(gè)提升水泵(tbl-tb3)和哪幾個(gè)進(jìn)水閥門(sml-sm3)。

    3.4 PLC 3# 控制站設(shè)計(jì)

    PLC 3# 控制站的工藝控制框圖如圖4所示，3#PLC主要完成兩項(xiàng)任務(wù)：一是SBR中的輸出的接近清水進(jìn)一步加藥處理，達(dá)到去除水中有毒的微生物，并使水質(zhì)達(dá)到國(guó)家允許的排放標(biāo)準(zhǔn)；第二項(xiàng)任務(wù)是將SBR池中所排出的污泥也進(jìn)行加藥處理，并在污泥中加入一定量的化肥，最終將污泥烘干，使其成為一種可以用以農(nóng)業(yè)的化肥土，為企業(yè)進(jìn)一步贏得效益[6]。

    整個(gè)子系統(tǒng)的輸入是I1、I2，其中，I1是取自SBR池中初步處理過(guò)的污水，I2是取自SBR池中沉淀下來(lái)的污泥。輸出也有兩個(gè)：一個(gè)是W21，即達(dá)標(biāo)水；第二個(gè)是經(jīng)脫水機(jī)的烘千、成塊的污泥。
                               
                              
                                           圖4 PLC3#控制站結(jié)構(gòu)圖

    3.5 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

    整個(gè)控制系統(tǒng)采用何種通信方式是系統(tǒng)配置的關(guān)鍵。為了便于上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)以較高的通信速率與下層的各PLC交換信息，避免 “通信瓶頸” 問(wèn)題，本文采用OMRON PLC廠家提供的配套網(wǎng)絡(luò)硬件ControllLink通信模塊。這樣，上下層通信可以直接通過(guò)插在上位監(jiān)控機(jī)和各PLC中的網(wǎng)絡(luò)模塊，設(shè)置相應(yīng)的地址表，并借助簡(jiǎn)單的內(nèi)部命令進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[7-8]。

    在本文介紹的污水處理廠的監(jiān)控系統(tǒng)中，可以通過(guò)在上位機(jī)和各現(xiàn)場(chǎng)PLC之間插入ControllerLink模塊進(jìn)行通信。2#PLC是與上位機(jī)直接連接的主站，它的部分內(nèi)存作為存放上位機(jī)與各現(xiàn)場(chǎng)PLC交換數(shù)據(jù)的公共區(qū)域 (即數(shù)據(jù)鏈接區(qū)，包括發(fā)送區(qū)和接收區(qū))，網(wǎng)絡(luò)上的可編程控制器和計(jì)算機(jī)不需要編制通信程序，就能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)地址表設(shè)定的鏈接(映射)共享數(shù)據(jù)。

    4 結(jié)束語(yǔ)

    本文構(gòu)建了基于OMRON PLC 的污水處理自控系統(tǒng)，展開了工藝設(shè)計(jì)和詳細(xì)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)工藝流程把整個(gè)系統(tǒng)分成三個(gè)子系統(tǒng)：進(jìn)水子系統(tǒng)，氧化溝控制子系統(tǒng)，沉淀池子系統(tǒng)。

    該系統(tǒng)具有較好的擴(kuò)展能力，系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，在物理上實(shí)現(xiàn)了真正的分散控制，使系統(tǒng)的危險(xiǎn)性分散，可靠性提高。在今后的工作中，尚需進(jìn)一步提高節(jié)能效果，同時(shí)給出各個(gè)模塊的I/O資源詳細(xì)說(shuō)明，和具體的控制算法。

    其他作者：王武（1978-），男，甘肅蘭州人，講師，碩士，主要從事控制理論與控制工程、智能控制方向的研究。

    參考文獻(xiàn)：

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    [5] 楊靜. Quantum PLC 在電廠化學(xué)水處理控制中的應(yīng)用[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表，2009，(4): 82-84.

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    [8] 雷霖. PLC通信技術(shù)及其應(yīng)用研究[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表，1999. 5: 25-27.

     摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第五期