大連市市政設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 仉宏偉

 

摘 要        本文介紹了和利時公司LK系列PLC在大孤山污水處理廠自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，描述了基于改良A2/O生物除磷脫氮處理工藝下的工藝、控制系統(tǒng)設(shè)計原則、控制系統(tǒng)設(shè)計及功能實現(xiàn)等

 

1．引言

大孤山污水處理廠一期是一個以處理工業(yè)污水為主的城市污水處理廠，近期處理能力2×104 m3/d，遠(yuǎn)期達(dá)到7×104 m3/d。2008年7月建成近期2×104 m3/d的污水處理廠投產(chǎn)。大孤山污水處理廠主要的處理工藝為：厭氧+好氧+沉淀+曝氣生物濾池+混凝+絮凝+氣浮+消毒，占地面積5.616公頃。原2×104 m3/d水廠，其出水水質(zhì)只能達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978-1996）中的一級B標(biāo)準(zhǔn)，不能達(dá)到《遼寧省污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 21/1627-2008）中規(guī)定一級A標(biāo)準(zhǔn)”。因此，大連開發(fā)區(qū)大孤山污水處理廠擴(kuò)建、改造工程的建設(shè)，是實現(xiàn)排放標(biāo)準(zhǔn)要求的必要措施。

 

 設(shè)計規(guī)模確定為7萬m3/日。

（2）根據(jù)現(xiàn)有水廠實際進(jìn)水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及遼寧省頒布的《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求，確定設(shè)計進(jìn)、出水水質(zhì)為：

表1-1   大孤山污水污水處理廠進(jìn)、出水水質(zhì)

 

出水指標(biāo)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級標(biāo)準(zhǔn)的A標(biāo)準(zhǔn)。

 

 

2.工藝方案  

一級處理：新建粗格柵、增加提升泵數(shù)量、新增細(xì)格柵及曝氣沉砂池。

水解酸化池：新增水解酸化池一座。

 

生化處理：新建生化池，處理規(guī)模為5.0×104m3/d，改良A2O生物池由預(yù)缺氧區(qū)、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)及好氧區(qū)組成。預(yù)缺氧區(qū)、厭氧區(qū)和缺氧區(qū)設(shè)有潛水?dāng)嚢铏C(jī)；好氧區(qū)設(shè)有曝氣頭，預(yù)缺氧區(qū)及厭氧區(qū)。每座池好氧池出水端設(shè)有4臺內(nèi)回流泵，3用1備�；旌弦夯亓髦寥毖鯀^(qū)�；亓魑勰嘤蛇M(jìn)水渠首端進(jìn)入預(yù)缺氧區(qū)。生物池曝氣氣源來自鼓風(fēng)機(jī)房，每根曝氣干管上設(shè)有一個電動空氣調(diào)節(jié)閥，根據(jù)生物池內(nèi)DO值，調(diào)節(jié)曝氣量，以滿足工藝要求，并達(dá)到節(jié)能的目的。

 

二沉池：二沉池為周進(jìn)周出輻流式二沉池，為鋼筋混凝結(jié)構(gòu)。共兩座，并聯(lián)運行。

 

配水井及污泥回流泵房：配水井及污泥回流泵房為鋼筋混凝土池雙層結(jié)構(gòu)。上層作為二沉池進(jìn)出水配水池，生物池來水均勻配水至兩個沉淀池。下層為污泥回流泵、剩余污泥泵泵池，分別將污泥輸送至預(yù)缺氧池和污泥貯池。

 

深度處理：新建深度處理車間一座，內(nèi)設(shè)混凝沉淀、轉(zhuǎn)盤過濾、紫外消毒及加藥間。

污泥處理：新建污泥貯池及污泥脫水間。污泥脫水采用濃縮脫水一體機(jī)。

 

工藝流程框圖

 

3.自控儀表設(shè)計

3.1設(shè)計原則

根據(jù)工藝方案對自控儀表系統(tǒng)的要求和運行管理經(jīng)驗，全廠的自控系統(tǒng)由計算機(jī)控制管理系統(tǒng)和儀表檢測系統(tǒng)兩大部分組成。前者遵循“集中管理、分散控制、資源共享”的原則，后者遵循“工藝必需、先進(jìn)實用、維護(hù)簡便” 的原則。

 

3.2系統(tǒng)方案

大孤山污水處理廠處理工藝為改良A20工藝。為了保證污水處理過程的安全可靠和生產(chǎn)的連續(xù)性，提高自動化水平，并適應(yīng)整個污水處理工藝需要，采用以和利時公司HOLLiAS LK大型PLC為主的集中和分散相結(jié)合的自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對全廠工藝參數(shù)、電氣參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測、控制、連鎖和報警以及報表打印，通過使用在主站和遠(yuǎn)程站間的一系列通訊鏈，完成整個污水廠工藝流程所必需的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)通訊，順序控制，時間控制，回路調(diào)節(jié)及上位監(jiān)視和管理作用。在滿足工藝流程的要求之外，還能實現(xiàn)污水廠的安全生產(chǎn)，提高生產(chǎn)管理水平。

 

LK系列PLC是和利時公司在總結(jié)十多年控制系統(tǒng)設(shè)計和工程項目實施經(jīng)驗基礎(chǔ)上推出的適用于中、高性能控制領(lǐng)域的產(chǎn)品，CPU模塊集成工業(yè)級處理器（主頻可達(dá)533MHz），指令處理速度可達(dá)13ns。相對傳統(tǒng)PLC而言，LK可編程控制器充分融合了DCS和PLC的優(yōu)點，采用了高性能的模擬量處理技術(shù)、小型化的結(jié)構(gòu)設(shè)計、開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、通用的系統(tǒng)平臺、使產(chǎn)品不僅具有強大的功能和卓越的性能，而且具有更高的可靠性、更佳的開放性和易用性。

 

整個系統(tǒng)設(shè)1個中央控制室、4個現(xiàn)場PLC控制站組成�，F(xiàn)場PLC控制站，由可編程序控制器（PLC）系統(tǒng)及檢測儀表組成，對污水處理廠各工藝過程進(jìn)行分散控制；再由中央控制室（CCR），對全廠實行集中管理。中央控制室、PLC控制站之間的數(shù)據(jù)通訊采用高速的、實時的工業(yè)以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為環(huán)形，通訊速率為100Mbps，傳輸介質(zhì)為光纖。系統(tǒng)整體性能具有如下特點：

1）先進(jìn)性

設(shè)計中不僅采用了目前世界上先進(jìn)的主流產(chǎn)品，而且著眼于企業(yè)“管控一體化”的需求，貫徹了數(shù)字化、信息化環(huán)保的先進(jìn)思想，使企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步智能應(yīng)用成為現(xiàn)實。該方案使控制系統(tǒng)有機(jī)地成為企業(yè)整個IT架構(gòu)的一部分。采用先進(jìn)的計算機(jī)控制系統(tǒng)，主要用于污水廠的生產(chǎn)控制、運行操作、監(jiān)視管理。控制系統(tǒng)配有可靠的硬件設(shè)備，和功能強大，運行可靠，界面友好的系統(tǒng)軟件、編程軟件和控制軟件。

 

2）可靠性

控制系統(tǒng)在嚴(yán)格的工業(yè)環(huán)境下長期、穩(wěn)定地運行。系統(tǒng)組件的的設(shè)計符合真正的工業(yè)等級，滿足國內(nèi)、國際的安全標(biāo)準(zhǔn)。并且易配置、易接線、易維護(hù)、隔離性好，結(jié)構(gòu)堅固，抗腐蝕，適應(yīng)較寬的溫度變化范圍。

 

3）強大功能

PLC的編程語言符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，易學(xué)、易懂、易用。CPU內(nèi)置軟PID，并提供了豐富的指令集及函數(shù)庫，用戶直接調(diào)用。高速工業(yè)以太網(wǎng)作為系統(tǒng)的骨干網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸、高度數(shù)據(jù)共享。組態(tài)軟件圖庫豐富，網(wǎng)絡(luò)功能強大，報警、報表、歷史數(shù)據(jù)以及二次開發(fā)功能完善而易用。

 

4）故障診斷

完整的自診功能，可以在運行中自動地診斷出系統(tǒng)的任何一個部件是否出現(xiàn)故障，并且在監(jiān)控軟件中及時、準(zhǔn)確地反映出故障狀態(tài)、故障時間、故障地點、及相關(guān)信息。在系統(tǒng)發(fā)生故障后，I/O的狀態(tài)返回到系統(tǒng)根據(jù)工藝要求預(yù)設(shè)置的狀態(tài)上。

 

5）擴(kuò)展性和兼容性

TCP/IP協(xié)議是目前開放性較好的協(xié)議，可以輕松進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)應(yīng)為面向?qū)ο蟮�，實時式，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)對數(shù)據(jù)變化響應(yīng)可達(dá)到1毫秒。操作系統(tǒng)和監(jiān)控軟件具有冗余和容錯及災(zāi)難性恢復(fù)等功能。組態(tài)軟件支持DDE、OPC、ODBC、SQL，且提供豐富的API編程接口，同時也為世界各PLC廠商提供了完善的驅(qū)動程序庫，從而可以將其它系統(tǒng)輕松接入本系統(tǒng)。

 

3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

大孤山污水處理廠自動化控制系統(tǒng)分為三級管理，包括生產(chǎn)管理級、現(xiàn)場控制級及就地控制級�，F(xiàn)場各種數(shù)據(jù)通過PLC系統(tǒng)進(jìn)行采集，并通過主干通訊網(wǎng)絡(luò)——工業(yè)以太網(wǎng)傳送到中央控制室監(jiān)控計算機(jī)集中監(jiān)控和管理，傳輸介質(zhì)為光纖，通訊速率為100Mbps。中央控制室監(jiān)控計算機(jī)的控制命令也通過上述通道傳送到PLC的測控終端，實施各單元的分散控制�，F(xiàn)場與中央控制室之間通過高速工業(yè)以太網(wǎng)連接，高速工業(yè)以太網(wǎng)采用開放式的總線結(jié)構(gòu)，以便于實現(xiàn)近遠(yuǎn)期系統(tǒng)的無縫對接。

 

1）生產(chǎn)管理級（中央控制室）

中央控制室設(shè)兩套互為熱備的監(jiān)控操作站、兩臺打印機(jī)、一套UPS電源。這兩套監(jiān)控操作站為冗余配備，可以分別側(cè)重監(jiān)測或組態(tài)功能，故障時互為備用，具有靈活的運行方式。并且可與分布在廠內(nèi)其它位置的計算機(jī)（如廠長辦公室、總工室、化驗室等）便地通過局域網(wǎng)與之相連，實時監(jiān)控現(xiàn)場各工藝過程的生產(chǎn)運行狀況；主要完成對污水處理廠的管理、調(diào)度、集中操作、監(jiān)視、系統(tǒng)功能組態(tài)、控制參數(shù)在線修改和設(shè)置、記錄、報表生成及打印、故障報警及打印，對實時采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，控制操作以及分析統(tǒng)計等功能。通過高分辨率液晶顯示器及投影儀可直觀地動態(tài)顯示全廠格工藝流程段的實時工況、各工藝參數(shù)的趨勢畫面，使操作人員及時掌握全廠運行情況。

 

2）現(xiàn)場控制級（PLC控制站）

現(xiàn)場控制站配置控制柜。柜內(nèi)包括和利時公司HOLLiAS LK系列可編程序控制器、24VDC電源裝置、光纖以太網(wǎng)交換機(jī)、過電壓保護(hù)裝置、小型繼電器、安裝連接線纜及附件等。按照生產(chǎn)區(qū)域、功能和MCC的分配狀況劃分為五個控制區(qū)域，各控制區(qū)域設(shè)置一套現(xiàn)場控制站。分別為預(yù)處理工段、生物處理工段、二沉池及污泥泵房、污泥脫水間、深度處理間，負(fù)責(zé)每個工藝段的設(shè)備自動控制。

 

現(xiàn)場控制級接受生產(chǎn)管理級的調(diào)度，但并不依賴于生產(chǎn)管理級而運行：若監(jiān)控計算機(jī)出現(xiàn)故障或者并沒有投入使用或者通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，現(xiàn)場控制站仍繼續(xù)正常工作，對整個工藝過程沒有影響。

 

3）就地控制級（現(xiàn)場按鈕箱）

將現(xiàn)場控制箱上的“就地/遠(yuǎn)程”旋鈕切換至“就地”位置，通過箱上的“啟動/停止”按鈕實現(xiàn)就地手動控制。

 

3.4控制方式

大孤山污水處理廠自動化控制系統(tǒng)控制方式設(shè)計為現(xiàn)場設(shè)備就地手動控制、計算機(jī)控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程手動控制、計算機(jī)控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程自動控制三種控制方式。三種方式的級別由高到低依次為就地手動控制、遠(yuǎn)程手動、遠(yuǎn)程自動。

 

1）就地手動模式：設(shè)備的現(xiàn)場控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠(yuǎn)程”開關(guān)選擇“就地”方式時，通過現(xiàn)場控制箱或MCC控制柜上的按鈕實現(xiàn)對設(shè)備的啟/停、開/關(guān)操作。設(shè)備的急停按鈕或其他保護(hù)和安全連鎖裝置(如:過載保護(hù)、溫度及液位保護(hù)等)必須是硬線連接至電氣控制回路，不受方式選擇開關(guān)的限制�，F(xiàn)場控制箱（柜）在開關(guān)在“手動”位置時，設(shè)備為離線方式，PLC不能對設(shè)備進(jìn)行任何控制。

 

遠(yuǎn)程手動模式：即遠(yuǎn)程手動控制方式�，F(xiàn)場控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠(yuǎn)程” 開關(guān)選擇“遠(yuǎn)程”方式時，操作人員通過操作終端（HMI）或中控系統(tǒng)操作站的監(jiān)控畫面用鼠標(biāo)器或鍵盤選擇“手動”方式并對設(shè)備進(jìn)行啟/停、開/關(guān)操作。

 

2）遠(yuǎn)程自動：現(xiàn)場控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠(yuǎn)程”開關(guān)選擇“遠(yuǎn)程”方式，且現(xiàn)場控制站的“自動/手動”設(shè)定為“自動”方式時，設(shè)備的運行完全由各PLC根據(jù)供水廠的工況及生產(chǎn)要求來完成對設(shè)備的運行或開/關(guān)控制，而不需要人工干預(yù)。

 

3.5系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

大孤山污水處理廠自控系統(tǒng)是開放的控制系統(tǒng)，中央控制室、PLC控制站之間的數(shù)據(jù)通訊采用高速的、實時的工業(yè)以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為環(huán)形，通訊速率為100Mbps，傳輸介質(zhì)為光纖。在出現(xiàn)故障時，再現(xiàn)增加或刪除任意一個節(jié)點，都不會影響到其他設(shè)備的運行和通訊。它除了具有良好的網(wǎng)絡(luò)通訊能力外，還具有與其它控制系統(tǒng)通訊功能和標(biāo)準(zhǔn)的對外通訊接口，以后可以任意擴(kuò)展。

 

為提高網(wǎng)絡(luò)通訊的效率，在中控室設(shè)置以太網(wǎng)交換機(jī)，交換機(jī)的通訊機(jī)理可以保證各節(jié)點之間互不干擾。中控室內(nèi)部監(jiān)控計算機(jī)和綜合樓內(nèi)其他計算機(jī)采用屏蔽雙絞線連接到交換機(jī)，網(wǎng)絡(luò)速度為100Mbps；交換機(jī)與現(xiàn)場PLC站的連接為鎧裝光纖。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完全可以滿足污水處理廠運行的要求。

 

3.6系統(tǒng)功能

3.6.1中央控制室功能

中央控制室監(jiān)控計算機(jī)是操作員監(jiān)控及獲取數(shù)據(jù)的平臺，和利時公司的上位監(jiān)控組態(tài)軟HollyView6.53及LK編程軟件PowerPro V4提供了強大的軟件編程及系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。系統(tǒng)包括以下功能：管理權(quán)限、實時工藝流程圖顯示、故障報警、實時曲線、歷史曲線、參數(shù)設(shè)置、調(diào)節(jié)回路顯示、事件記錄、畫面切換及報表處理等功能。

 

3.6.2現(xiàn)場PLC控制站功能

1)         按控制程序?qū)λ�轄工段�?nèi)的工藝過程、電氣設(shè)備進(jìn)行自動控制，同時采集工藝參數(shù)，電氣參數(shù)及電氣設(shè)備運行狀態(tài)。

2)         通過通信網(wǎng)絡(luò)與中央控制室的監(jiān)控管理系統(tǒng)進(jìn)行通信。向監(jiān)控管理系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)，并接受監(jiān)控管理系統(tǒng)發(fā)出的開停機(jī)命令。

3)         現(xiàn)場控制站提供方便的自動控制, 臨界報警和連續(xù)的回路控制。

4)         為控制站PLC程序預(yù)置的值，可以通過中央監(jiān)控站調(diào)整。

 

3.7防雷、過電壓保護(hù)及接地

    為了確保自控儀控系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，對中央控制室、現(xiàn)場控制站的電源進(jìn)線設(shè)置兩級避雷器。對非光纜通訊網(wǎng)絡(luò)端口、以及4~20mA模擬信號端口配置相應(yīng)的防雷保護(hù)器件。

整個污水處理廠的接地裝置按照國家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)系統(tǒng)接地要求等電位或分別接地。儀表自控系統(tǒng)的接采用分類匯總，較終與總結(jié)地板連接的方式。接地電阻小于1歐姆。

 

3.8工廠管理計算機(jī)系統(tǒng)

分別在廠長辦公室、實驗室、總工程師室等處配置計算機(jī)，并采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)(集線器方式)與中央控制系統(tǒng)連接，組成工廠計算機(jī)綜合管理控制系統(tǒng)。

 

3.9遠(yuǎn)程通訊

廠區(qū)內(nèi)控制中心與公司級控制中心的通訊，由數(shù)據(jù)服務(wù)器承擔(dān)，通過公共數(shù)據(jù)寬帶網(wǎng)，將污水廠處理水量和水質(zhì)數(shù)據(jù)、污水廠各種運行數(shù)據(jù)等，實時傳送到市污水管理部門，并接受監(jiān)控管理系統(tǒng)發(fā)出的管理指令。

 

4.結(jié)束語

本文論述了基于LK系列PLC在污水處理廠升級改造項目中控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，充分發(fā)揮了LK系列PLC配置靈活、控制可靠、開放性強和在線維護(hù)方便等優(yōu)點，為整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供了可靠保障，達(dá)到了減少對大氣環(huán)境、海域環(huán)境及噪聲環(huán)境的影響，對大連市的環(huán)境保護(hù)創(chuàng)造了良好條件。

參考文獻(xiàn)

《大連開發(fā)區(qū)大孤山污水處理廠擴(kuò)建、改造工程》可行性研究報告 。2011

 和利時公司.HOLLiAS LK系列大型