施耐德PLC在城市污水廠中的應用

[摘　要]：我國城市污水任意排放日益嚴重，全面建立完善的自動檢測監(jiān)控系統(tǒng)勢在必行。本文重點介紹介紹施耐德電氣Premium PLC在城市污水處理Orbal氧化溝工藝中的應用及其網(wǎng)絡構成。PLC的使用使得系統(tǒng)設備運行更加穩(wěn)定、合理，有效的延長了設備使用壽命和節(jié)約了能源。
[關鍵詞]：污水處理、Premium PLC、Orbal工藝、網(wǎng)絡、VB6.0、報表、能源

[Abstract]： The city-waste water is let progressively at random. We should build the waste water treatment plant full-scale and we should use automation system in it. This paper introduces The application and network of The Schneider Electric PLC in the waste water treatment plant . The use of PLC system makes the equipment running in a steady and rationalization state. It prolongs the equipments’ lives and it economize the energy sources.
[Key Words]： waste water treatment， Premium PLC ，Orbal technic ， worknet ，VB6.0 ，report forms ，energy sources

引言：

　　隨著我國的社會和經濟的高速發(fā)展，環(huán)境問題日益突出，尤其是城市水環(huán)境的惡化，加劇了水資源的短缺，嚴重影響著人民群眾的身心健康，這些情況已經成為城市可持續(xù)發(fā)展的嚴重制約因素；我國現(xiàn)階段很多大中型城市的廢水排放量大，已造成城市地表水的嚴重污染；三峽庫區(qū)水環(huán)境保護事關三峽工程長期安全運行和長江中下游地區(qū)經濟社會的可持續(xù)發(fā)展，因此受到國內外廣泛關注，但目前各城市仍然是直接排放污水或因水處理自控系統(tǒng)不完善沒處理好就把污水排放了，很多操作和檢測監(jiān)控過程仍停留在人工階段，監(jiān)控時間覆蓋率低，手工采集樣品缺乏科學性和代表性，難以反映企業(yè)和城市污水處理及排放連續(xù)變化的情況。大范圍的建立污水處理系統(tǒng)及在線自動控制監(jiān)控體系，勢在必行。

系統(tǒng)簡介：

　　重慶巫山污水處理廠位于巫山縣城邊緣，廠區(qū)緊鄰長江流域，處于三峽庫區(qū)腹地，該污水處理廠采用的是改良型Orbal氧化溝工藝，日處理污水量3萬噸，廠區(qū)主體構筑物有：綜合樓、配電房、進水提升泵房、粗細格柵井及旋流沉砂裝置、Orbal氧化溝、終沉池、污泥回流剩余泵井、脫水機房等；整個廠區(qū)設備及閥門均采用MCC和PLC兩種控制方式，正常情況下可以實現(xiàn)儀表、PLC的完全自動檢測控制及運行狀況監(jiān)控；下位機采用施耐德電氣的Premium 系列PLC，上位機采用北京華富Control2000監(jiān)控軟件。該廠自動控制系統(tǒng)于2006年7月11日全面完成調試，目前系統(tǒng)運行正常。

污水處理系統(tǒng)詳述：

一、Orbal氧化溝工藝介紹如（圖一）

　　Orbal氧化溝水處理工藝起源于南非，后經不斷改進和推廣，在全球范圍得到廣泛應用。城市污水由管道集中后，水流首先經過粗格柵，將粗的垃圾去除，然后由提升泵將污水提高水頭（后面工藝要求有高水頭），再經過細格柵及旋流沉砂池，進一步去除小的垃圾和泥砂，污水進入水處理主體結構——氧化溝，污水在“O”型的氧化溝中經過曝氣機調節(jié)曝氣，使得污水得到缺氧、氧化、硝化、反硝化等反應，在該過程中完成BOD（生物耗氧量）、COD（化學耗氧量）的去除及污水脫氮的功能，并為下一步水的沉淀作好準備，經過氧化溝處理的水流入終沉池，加入Fe3+、或Al3+ 使得水中的（PO4）3- 得以沉淀，充分沉淀后，清水最后經二氧化氯消毒后排入長江。沉淀的污泥經脫水機濾干后焚燒處理。

二、廠區(qū)主要設備控制要求

1、粗細格柵機及其附屬輸送壓榨設備的控制

定時控制：根據(jù)外來污水狀況和運行經驗，通過設定相關定時參數(shù)，自動控制格柵機的啟動時間和停止時間。
液位差控制：在格柵機的前后均設置一臺超聲波液位傳感器，檢測出格柵機的前后液位差。設定低液位差LDF2和高液位差LDF1，當檢測到的液位差大于LDF1時，啟動格柵機；當檢測到的液位差低于LDF2時，停止格柵機（減少了運行時間，有效的節(jié)約成本）。控制過程如（圖二）

格柵附屬設備的聯(lián)動：皮帶輸送機和壓榨機作為格柵機的附屬輸送壓榨設備，它們在定時或自動運行模式下，一般與格柵機聯(lián)動。附屬設備適當?shù)奶崆盎蜓訒r運行。

2、 提升泵的自動控制

控制描述如（圖三、四）：
（1） P1—變頻器，BU1—軟啟動器，PT—超聲波液位計，ZJ1、ZJ2—用于控制系統(tǒng)的MCC/PLC轉換。
（2） 由圖可見，變頻器連接在第一臺水泵電機上，需要加泵時，變頻器停止運行，并由變頻器的輸出端口RO1～RO3輸出信號到PLC，由PLC控制切換過程。
（3） PLC根據(jù)泵池液位高中低信號自動調節(jié)三臺泵的啟停；泵池水位到預設的低水位時啟動1#泵，水位上升到預設的中水位時，1#泵由變頻運行轉換到工頻運行，這時再變頻啟動2#泵，依次啟動到3#泵。
（4） 切換開始時，變頻器停止輸出（變頻器設置為自由停車），利用水泵的慣性將第一臺水泵切換到工頻運行，變頻器連接到第二臺水泵上起動并運行，照此，將第二臺水泵切換到工頻運行，變頻器連接到第三臺水泵上起動并運行。
（5） 水位下降需要減泵時，系統(tǒng)將第三臺水泵停止，第二臺水泵切換到變頻調節(jié)狀態(tài)。水位繼續(xù)下降，系統(tǒng)將第二臺水泵停止，第一臺水泵切換到變頻調節(jié)狀態(tài)。
（6） 另外，設置軟啟動器作為備用。當變頻器或PLC故障時，可用軟起動器現(xiàn)場手動輪流起動各泵運行以保證供水。作為多臺提升泵的自動控制，滿足先啟先停的原則，以優(yōu)化資源的利用率；為了提升泵的安全，系統(tǒng)設置了提升泵的干運轉保護；同時，系統(tǒng)還設置了泵的頻繁啟停保護，群啟動保護等，以延長其使用壽命。

3、曝氣系統(tǒng)的自動控制

　　生化池作為全廠污水處理的核心，具有舉足輕重的作用。污水經過預處理后，在這里通過微生物吸附污水中的有機物，達到脫磷脫氮的目的。對生化池的自動控制，主要是溶解氧濃度的控制。

　　曝氣量自動控制系統(tǒng)作為一個恒值控制系統(tǒng)，系統(tǒng)給定一個保持不變的最佳溶解氧值，通過PLC控制調節(jié)輸出量（即曝氣機開啟臺數(shù)），使被控量（實測氧化溝溶解氧濃度）不斷地接近給定值。在這個系統(tǒng)中，要求穩(wěn)定性和動態(tài)特性良好，被控量向給定值過渡的時間短，同時過程平穩(wěn)，振蕩幅度小。

　　曝氣供氧系統(tǒng)是由鼓風機、電動調節(jié)閥和溶解氧儀共同組成的閉環(huán)系統(tǒng)，為反應池好氧段提供氧氣，并維持好氧過程的溶解氧濃度值。依照好氧過程的溶解氧濃度值控制鼓風機的開啟程度，維持溶解氧濃度值在一定的范圍內變動。控制流程如（圖五）。

三、控制模式

手動模式：手動模式又可以分為盤柜模式和就地模式。盤柜模式就是通過MCC上的按鈕實現(xiàn)對設備的操作；就地模式就是通過現(xiàn)場控制箱上的按鈕實現(xiàn)對設備的操作。
遙控模式：就是通過中心控制室上位操作站實現(xiàn)對設備的操作。
自動模式：設備的運行完全由各PLC根據(jù)污水廠的工況及工藝參數(shù)來完成對設備的啟停控制，而不需要人工干予。

四、系統(tǒng)構成如（圖六）

　　通過前面的描述，設備的控制還是比較復雜的，為達到以上的設備自動控制要求，該工程基本構成如下：
　　下位機：選用了施耐德 Premium PLC來做系統(tǒng)
　　上位機：選用了北京華富Control2000軟件
　　中間協(xié)議：采用Simatic TOP Server，銜接上、下位機，進行數(shù)據(jù)交換

　　整個廠區(qū)共有3個PLC站，硬件采用施耐德電氣Premium PLC，分別用光纖及光纖交換機，采用星型連接方式構成以太網(wǎng)絡連接至中控室，在PLC2站，現(xiàn)場電力儀表采用Modbus通訊方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集；軟件采用施耐德的PL7Pro，根據(jù)控制要求開發(fā)程序，完全可以實現(xiàn)前面描述的控制要求。三個站分別處于進水泵房、配電房、脫水機房，基本配置如下：

　　上位機采用華富Control2000來開發(fā)監(jiān)控畫面進行監(jiān)控：根據(jù)工藝繪制流程圖，顯示所有相關測控儀表的實時值；建立全廠的中心監(jiān)控系統(tǒng)平臺，使操作員能隨時監(jiān)視全廠運行狀態(tài)，并對設備操作發(fā)出控制指令；建立歷史數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)和重要數(shù)據(jù)保存系統(tǒng)，并能對日報表、月報表、年報表進行打印；建立全廠設備的安全報警系統(tǒng)；

　　下位機采用施耐德電氣Premium PLC，上位機用北京華富德Control2000，二者之間的標簽連接及數(shù)據(jù)通訊必須有一個統(tǒng)一的協(xié)議驅動，本工程采用的是SIMATICA TOP SERVER來實現(xiàn)的，報表查詢系統(tǒng)采用VB6.0來開發(fā)外掛程序實現(xiàn)報表的實時查詢。

五、該工程自控系統(tǒng)的特點

　　1、技術先進：現(xiàn)代化的工廠要求與時俱進，該自動化控制系統(tǒng)無論是從使用的現(xiàn)場總線、通訊網(wǎng)絡、可編程控制器、組態(tài)軟件，還是從自動化控制技術來講，都具有時代領先性。
　　2、穩(wěn)定可靠：選用的自動化產品絕大部分來自國外知名品牌，建立的自動化控制平臺，經過嚴格的測試，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行。
　　3、自動化程度高，使用簡單：對于全廠的控制中心——中心控制室上位界面，采用全中文的設計界面，立體三維流程圖形來表達工藝，便于操作員掌握；同時下位機PLC采用施耐德的PLC，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，自動化程度高，整個系統(tǒng)維護量小。
　　4、開放性：該系統(tǒng)采用的現(xiàn)場總線是國際通用的具有開放協(xié)議的現(xiàn)場總線，同時各控制站均留有I/O余量，以便于以后系統(tǒng)的改造和擴展。
　　5、安全性：該系統(tǒng)采用全面的設備保護體系，包括潛水泵的干運轉保護、自控平臺的防雷保護、進水水質異常保護、報警系統(tǒng)等，以防止因為某些意外或操作員的疏忽而發(fā)生事故。

六、應用總結

　　該城市污水處理系統(tǒng)建成后，施耐德電氣Premium PLC系統(tǒng)運行穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)準確快捷，控制的重要設備運行安全，程序開發(fā)好后，其維護量幾乎為零，同時個人感覺該PLC現(xiàn)場安裝、與其它設備的接口等均方便好用，系統(tǒng)投運后，自動化程度高，工作人員維護量小，出水水質能達到國家規(guī)定的標準，該系統(tǒng)的形成投運無疑給長江流域、三峽庫區(qū)的環(huán)保事業(yè)作出了貢獻，希望在長江流域沿線有更多的采用自動化程度高的污水處理廠。巫山污水處理廠的施耐德電氣Premium PLC系統(tǒng)的應用將是一個很好的榜樣。