摘要：為達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，山東禹城第二污水處理廠需要對(duì)全廠實(shí)行集中管理，采用高性能、高品質(zhì)的PLC產(chǎn)品確?？刂葡到y(tǒng)安全、高效運(yùn)行。以和利時(shí)公司LK系列PLC為核心的控制系統(tǒng)在基于A2/O生物除磷脫氮污水處理工藝中得到應(yīng)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(yōu)化的控制方案。
關(guān)鍵詞：LK系列PLC；控制系統(tǒng)
1 引言
山東禹城第二污水處理廠項(xiàng)目是2011年禹城市二十大民生實(shí)事工程之一，總設(shè)計(jì)規(guī)模9萬m3/d，其中一期工程設(shè)計(jì)規(guī)模3萬m3/d。設(shè)計(jì)出水水質(zhì)達(dá)到《城市污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目實(shí)施完畢后將有效解決高新開發(fā)區(qū)內(nèi)工業(yè)企業(yè)的污水處理問題。該污水處理廠控制系統(tǒng)以和利時(shí)公司LK系列PLC為核心，為整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保障。
2 污水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
污水處理廠控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于現(xiàn)代先進(jìn)控制思想，采用分散控制、集中監(jiān)測管理的控制方式，以和利時(shí)公司LK系列PLC為核心的控制系統(tǒng)?；?span lang="EN-US">LK系列PLC應(yīng)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(yōu)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(jié)合的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，設(shè)1個(gè)中心控制室、4個(gè)現(xiàn)場PLC控制站。整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示?，F(xiàn)場控制站對(duì)污水處理廠各過程進(jìn)行分散控制，再由中心控制室對(duì)全廠實(shí)行集中管理。各現(xiàn)場控制站與中心控制室之間由工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，傳輸介質(zhì)為光纖，采用環(huán)型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，傳輸速率為100Mbps。
圖1 結(jié)構(gòu)原理圖
3 污水處理控制系統(tǒng)的功能
污水處理廠升級(jí)改造控制系統(tǒng)分為三級(jí)管理，包括生產(chǎn)管理級(jí)（中心控制室）、現(xiàn)場控制級(jí)（PLC控制站）及就地控制級(jí)。各級(jí)管理功能如下：
3.1 生產(chǎn)管理級(jí)（中心控制室）
主要完成對(duì)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(bào)表生成及打印、故障報(bào)警等功能。系統(tǒng)提供了友好的人機(jī)界面，具備如下功能：
1）采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控全廠各工段的工藝參數(shù)值，電氣參數(shù)值及生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息。
2）調(diào)節(jié)回路顯示，包括所有調(diào)節(jié)回路，可修改設(shè)定值、控制方式、調(diào)節(jié)參數(shù)等，并有實(shí)時(shí)趨勢圖便于進(jìn)行PID回路整定。
3）根據(jù)采集到的信息，建立各類信息數(shù)據(jù)庫并對(duì)各類工藝參數(shù)值作出趨勢曲線(含歷史數(shù)據(jù))，供操作人員分析比較。
4）報(bào)警系統(tǒng)提供過程中出現(xiàn)的故障、操作狀態(tài)以及自動(dòng)化過程中的綜合信息以幫助及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)情況，以減少污水處理廠運(yùn)行過程中的嚴(yán)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(jiān)控回路出現(xiàn)故障，系統(tǒng)中相應(yīng)監(jiān)控畫面中的回路部分會(huì)變色和閃爍，并伴有音響和報(bào)警信息提示操作員注意，同時(shí)將報(bào)警信息存儲(chǔ)及打印輸出。系統(tǒng)具有不同的信息類型和信息等級(jí)，以幫助操作人員能以最快的速度確認(rèn)最重要的報(bào)警信息。
5）以"人--機(jī)"對(duì)話方式指導(dǎo)操作。自動(dòng)狀態(tài)下，可用鍵盤或鼠標(biāo)對(duì)有關(guān)設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)操作（如開/停機(jī)操作）。
6）顯示全廠平面及幾十幅工藝流程中的剖面圖。
7）動(dòng)態(tài)圖形及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。圖形系統(tǒng)可以處理所有屏幕上的輸入輸出信號(hào)。可根據(jù)用戶需要，利用圖形工具對(duì)工藝圖、動(dòng)態(tài)曲線、歷史趨勢圖、棒圖及表格進(jìn)行動(dòng)態(tài)或靜態(tài)顯示。
8）對(duì)重要設(shè)備的操作、重要參數(shù)的修改自動(dòng)進(jìn)行記錄，以便進(jìn)行管理及事故分析。
9）系統(tǒng)設(shè)置為多用戶、多區(qū)域方式進(jìn)行嚴(yán)格的安全管理。
10）采用分級(jí)操作與維護(hù)的工作方式。所有人員進(jìn)入系統(tǒng)操作，首先進(jìn)行登錄，登錄包括用戶名稱和口令，系統(tǒng)根據(jù)登錄人的級(jí)別開放相應(yīng)的功能：對(duì)于一般操作員只能進(jìn)行簡單的、系統(tǒng)正常情況下的操作；而對(duì)于系統(tǒng)維護(hù)則應(yīng)由系統(tǒng)管理員來完成。
11）與工廠管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)進(jìn)行通信。
3.2 現(xiàn)場控制級(jí)（PLC控制站）
根據(jù)廠區(qū)內(nèi)生產(chǎn)構(gòu)筑物的分布和工藝過程的要求，各現(xiàn)場PLC站通過主干網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)起來。作為控制層，具備如下功能：
1）按控制程序?qū)λ牴ざ蝺?nèi)的工藝過程、電氣設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制，同時(shí)采集工藝參數(shù)，電氣參數(shù)及電氣設(shè)備運(yùn)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(dòng)控制, 臨界報(bào)警和連續(xù)的回路控制。
4）無響應(yīng)報(bào)警：在任何時(shí)候，如果現(xiàn)場設(shè)備對(duì)控制站PLC的輸出無響應(yīng)（開/?；蜷_/關(guān)超時(shí)不響應(yīng)）。控制站PLC要發(fā)出一個(gè)錯(cuò)誤信號(hào)。
5）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。
3.2.1 粗格柵和提升泵房控制站
主要用于粗格柵和提升泵房設(shè)備的控制及數(shù)據(jù)采集。主要功能包括：
1）通過超聲波液位差計(jì)連續(xù)測量粗格柵前后液位差值，并與設(shè)定值比較，控制機(jī)械格柵的開啟和上下運(yùn)行排渣。也可采用設(shè)定時(shí)間控制排渣周期。
2）通過超聲波液位計(jì)測量液位數(shù)據(jù)，根據(jù)液位開啟提升泵。
3）實(shí)時(shí)采集液位計(jì)、液位差、進(jìn)水泵管道壓力等參數(shù)。
3.2.2 細(xì)格柵控制站
主要用于細(xì)格柵、沉砂池設(shè)備的控制及數(shù)據(jù)采集。主要功能包括：
1）通過超聲波液位差計(jì)連續(xù)測量細(xì)格柵前后液位差值，并與設(shè)定值比較，控制機(jī)械格柵的開啟和上下運(yùn)行排渣。也可采用設(shè)定時(shí)間控制排渣周期。
2）實(shí)時(shí)采集液位差、進(jìn)水COD，PH，SS，流量等參數(shù)。
3）根據(jù)設(shè)定周期控制沉砂池上其它設(shè)備的運(yùn)行。
3.2.3 SBR控制站
主要用于水解酸化池及設(shè)備的控制及數(shù)據(jù)采集。主要功能包括：
1）自動(dòng)控制處于工作狀態(tài)的所有設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行。
2）根據(jù)工藝要求使設(shè)備周期性循環(huán)運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間現(xiàn)場可調(diào)整。
3）實(shí)時(shí)采集壓力、液位等參數(shù)。
4）完成與其他設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)。
3.2.4 脫水機(jī)房站
主要用于脫水機(jī)房設(shè)備的控制及數(shù)據(jù)采集。主要功能包括：
1）脫水機(jī)房控制由脫水機(jī)房廠家負(fù)責(zé)，PLC站點(diǎn)只進(jìn)行監(jiān)控操作。
2）對(duì)儲(chǔ)泥池?cái)嚢杵鬟M(jìn)行控制，按照定時(shí)控制。
3）實(shí)時(shí)采集儲(chǔ)泥池液位、剩余污泥管流量等參數(shù)。
4）控制鼓風(fēng)機(jī)管道閥門的開度
3.3 就地控制級(jí)
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(dòng)/停止”按鈕實(shí)現(xiàn)就地手動(dòng)控制。
污水處理廠升級(jí)改造控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三種控制方式，三種方式的級(jí)別由高到低依次為就地手動(dòng)、遠(yuǎn)程手動(dòng)、遠(yuǎn)程自動(dòng)。
4 污水處理控制系統(tǒng)的特點(diǎn)
基于LK系列PLC在污水處理廠處理控制系統(tǒng)有以下特點(diǎn)。
1）高性能。系統(tǒng)組件的設(shè)計(jì)符合真正的工業(yè)等級(jí)，控制系統(tǒng)能在嚴(yán)格的工業(yè)環(huán)境下長期、穩(wěn)定地運(yùn)行，盡可能降低控制系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)，保證能源收益，確保水廠7×24小時(shí)的不間斷供水服務(wù)。
LK系列PLC配置了工業(yè)級(jí)的處理器，其主頻可以達(dá)到533MHz，同時(shí)具有納秒級(jí)的處理速度，單條指令最快可以達(dá)到13ns的處理速度；具有大容量的內(nèi)存，程序容量可以達(dá)到16M，數(shù)據(jù)容量可以達(dá)到64M，而掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)則可以達(dá)到1M；還擁有非常大的系統(tǒng)I/O容量，數(shù)字量I/O可達(dá)57344點(diǎn)，模擬量I/O則可達(dá)3584點(diǎn)；LK系列PLC的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器是超長不限點(diǎn)的，只要在程序容量允許的范圍內(nèi)用戶可以隨意使用。
2）高可靠性。PLC控制站一般設(shè)于高電磁干擾環(huán)境，如提升泵房、鼓風(fēng)機(jī)房等。 基于LK系列PLC的控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的電磁兼容性，系統(tǒng)采用各種隔離、抗干擾設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)能在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。
水處理環(huán)境可能因遭受污染并加速設(shè)備中電子元件的老化，基于LK系列PLC可提供特殊的保護(hù)工藝（保護(hù)涂層）的模塊，提高元件在腐蝕性化學(xué)品和腐蝕性環(huán)境中的使用壽命，避免意外停機(jī)，降低維護(hù)成本。
3）易用性和易維護(hù)性。PLC控制系統(tǒng)一經(jīng)安裝完畢，控制系統(tǒng)便可進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。在自動(dòng)運(yùn)行過程中需要PLC控制系統(tǒng)在不影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的情況下進(jìn)行模塊的更換及系統(tǒng)維護(hù)。
LK系列PLC的模塊支持帶電插拔，更換模塊時(shí)無需中斷系統(tǒng)運(yùn)行，新模塊將會(huì)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的初始化設(shè)置，并快速與CPU建立通信；背板上設(shè)計(jì)有防混淆，以避免插錯(cuò)模塊；靈活的SD存儲(chǔ)卡，可進(jìn)行工程恢復(fù)及備份復(fù)制，使系統(tǒng)維護(hù)更加方便、快捷。
4）開放性和兼容性?；跇?biāo)準(zhǔn)協(xié)議的通訊網(wǎng)絡(luò)可非常方便地將第三方設(shè)備接入，如加藥系統(tǒng)、紫外線消毒、及污泥脫水機(jī)等，允許大量過程反饋信息傳輸，支持設(shè)備參數(shù)訪問功能，可提高系統(tǒng)的性能與診斷能力。
該控制系統(tǒng)不僅支持與各種上位監(jiān)控軟件的通訊，例如iFIX、INTOUCH、組態(tài)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(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議，都可以很方便的進(jìn)行連接。
強(qiáng)大的擴(kuò)展功能可為遠(yuǎn)期擴(kuò)容、升級(jí)改造預(yù)留接口及容量。
5）過程診斷和在線維護(hù)。提供的強(qiáng)大診斷功能，能夠方便、高效訪問相關(guān)信息，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致故障的根本原因以及需要修正的過程參數(shù)等，以便提前發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中存在的問題，可以避免設(shè)備意外停機(jī)，從而降低運(yùn)營成本。
操作站安裝上位監(jiān)控組態(tài)軟件HollyView6.53及LK編程軟件PowerPro V4，具有強(qiáng)大的功能，可方便、直觀地進(jìn)行上位機(jī)組態(tài)和PLC編程，且支持在線下載、在線修改以及離線仿真調(diào)試等功能。
5 結(jié)論
基于LK系列PLC在污水處理廠控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，充分發(fā)揮了LK系列PLC配置靈活、控制可靠、開放性強(qiáng)和在線維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，為整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保障。
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