基于IPC

引言

污水的處理過(guò)程比較復(fù)雜,一些大型污水處理廠處理過(guò)程更為復(fù)雜,需要多個(gè)控制站對(duì)整個(gè)污水處理廠設(shè)備進(jìn)行控制,采用大量的在線分析儀表對(duì)溫度、液位、pH值、溶解氧濃度等進(jìn)行監(jiān)測(cè),機(jī)械設(shè)備通常根據(jù)在線分析儀表檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整。一般來(lái)說(shuō),一個(gè)中小型污水處理廠需要控制的設(shè)備的點(diǎn)就有上百個(gè)甚至數(shù)百個(gè)。因此,為了使污水廠在最佳條件下運(yùn)行,以及減少人力、物力的消耗,應(yīng)對(duì)污水廠控制系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì),以有效降低運(yùn)行成本和管理成本。

為了提高整個(gè)污水廠的污水處理效率,降低運(yùn)行成本,在上位機(jī)自動(dòng)化監(jiān)控界面對(duì)污水廠的生產(chǎn)工藝過(guò)程及主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和控制,并將一些在線分析儀表的模擬量數(shù)據(jù)采集到上位機(jī)監(jiān)控界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,這就需要把整個(gè)污水廠的機(jī)械設(shè)備和儀表按一定的邏輯和順序與PLC相連,把機(jī)械設(shè)備和儀表的運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)PLC控制站采集到上位機(jī)監(jiān)控界面進(jìn)行顯示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,控制系統(tǒng)最后決定采用IPC+PLC的集散控制系統(tǒng),把監(jiān)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和顯示技術(shù)融合于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。

1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

污水處理廠整體工藝流程圖如圖1所示。

污水處理廠的儀器儀表和機(jī)械設(shè)備一般是購(gòu)置于不同的生產(chǎn)設(shè)備廠商,而且還要考慮污水廠的后期擴(kuò)建和升級(jí)改造,因此,在本項(xiàng)目中采用適用于中小型控制系統(tǒng)的IPC+PLC集散控制系統(tǒng),把監(jiān)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和顯示技術(shù)融合在一起,來(lái)完成對(duì)整個(gè)污水處理廠的運(yùn)行和管理。

污水處理廠控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示,系統(tǒng)自上而下由三層構(gòu)成,分別是中央控制室、現(xiàn)場(chǎng)控制站以及就地控制站。

1.1中央控制室

中央控制室屬于監(jiān)控管理層,通常稱為上位機(jī),對(duì)污水處理廠的生產(chǎn)過(guò)程和工藝參數(shù)集成于組態(tài)軟件iF1x上顯示,便于對(duì)整個(gè)污水處理廠的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和控制。

1.2現(xiàn)場(chǎng)控制站

根據(jù)污水處理過(guò)程的工藝要求以及本系統(tǒng)所采用的集散控制原則,在生產(chǎn)區(qū)內(nèi)設(shè)置了兩個(gè)控制站,分別負(fù)責(zé)各生產(chǎn)工藝階段的參數(shù)采集以及設(shè)備運(yùn)行控制。PLC1控制站和PLC2控制站使用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享,其中PLC1站使用的是西門(mén)子的s7一400PLC,PLC2的主站使用的是s7一300PLC。中控室配備有UPs電源進(jìn)行持續(xù)不間斷供電。

1.2.1第一分控站(PLC1)

PLC控制柜置于變電所中。PLC1控制站主要負(fù)責(zé)粗格柵、細(xì)格柵、進(jìn)水泵房、沉砂池、氧化溝、消毒車間等工藝流程的自動(dòng)化控制及數(shù)據(jù)采集。

1.2.2第二分控站(PLC2)

PLC控制柜置于污泥脫水車間。PLC2控制系統(tǒng)的組成相對(duì)復(fù)雜,涉及中央控制柜和控制子系統(tǒng)之間的通信,PLC2控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)脫水車間儀器儀表設(shè)備、板框壓濾機(jī)、石灰投加系統(tǒng)的自動(dòng)化控制和儀器儀表數(shù)據(jù)采集。在PLC2控制系統(tǒng)中PLC2為主控PLC,負(fù)責(zé)第二分控站的整體過(guò)程工藝控制,從圖2中可以看到,板框壓濾機(jī)自帶西門(mén)子s7一300PLC,石灰投加系統(tǒng)自帶西門(mén)子s7一200PPC,兩個(gè)子系統(tǒng)和主控PPC2之間通過(guò)ProfiBus一DP通信。觸摸屏和主控PPC2之間的通信方式為工業(yè)以太網(wǎng),使用觸摸屏可以方便地在污泥脫水車間對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行控制以及對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和修改。

1.3就地控制站

就地控制站主要包括一些執(zhí)行單元以及各種在線儀器儀表,它們分散于不同的工藝流程中。執(zhí)行單元受就地控制按鈕箱、PPC控制柜上的按鈕開(kāi)關(guān)以及觸摸屏的控制。在線分析儀表將現(xiàn)場(chǎng)采集到的流量、濃度、pH值信號(hào)轉(zhuǎn)換為4~20mA的電流信號(hào)送到PPC模擬量輸入模塊(AI)端口,也可以使用ModBus數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)Rs485通信方式對(duì)模擬量和數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行采集,通過(guò)AI或者M(jìn)odBus模塊將模擬量轉(zhuǎn)換為CPU可以直接處理的數(shù)字量信號(hào),然后送到中控室上位機(jī)顯示。高壓綜合繼電保護(hù)裝置和低壓綜合智能測(cè)量裝置通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)MoDBUsTCPsPAVE連接到工業(yè)以太網(wǎng),與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信,將功耗信息采集到上位機(jī)組態(tài)界面,顯示主要用電設(shè)備的功耗數(shù)據(jù)和污水廠的總功耗等。

2PLC1控制站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PPC1控制站設(shè)在變配電所,主要負(fù)責(zé)對(duì)粗格柵、提升泵房、細(xì)格柵、沉砂池、鼓風(fēng)機(jī)房等生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)的控制,包括對(duì)各個(gè)車間內(nèi)的儀器儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集等,主要控制的污水廠設(shè)備有:粗格柵機(jī)、提升泵、鼓風(fēng)機(jī)等。

2.1PLC1主程序結(jié)構(gòu)

在PPC1主程序中采用了子程序塊調(diào)用的模塊化設(shè)計(jì),s7一400PPC工作方式為不斷循環(huán)執(zhí)行用戶程序。PPC從sToP模式切換到RUN模式時(shí),CPU執(zhí)行啟動(dòng)操作程序。程序循環(huán)掃描過(guò)程如圖3所示。

2.2粗格柵的控制

粗格柵間是污水處理的第一階段,主要是攔截污水中的塊狀雜物,去除污水中的漂浮物和懸浮狀污染物,調(diào)節(jié)污水的pH值,對(duì)污水進(jìn)行初步凈化,以減輕后續(xù)的污水處理負(fù)荷。

粗格柵間工作過(guò)程中有兩個(gè)設(shè)備需要聯(lián)動(dòng),一臺(tái)是粗格柵機(jī),另一臺(tái)是螺旋輸送機(jī),其作用分別是過(guò)濾雜質(zhì)及運(yùn)輸雜質(zhì)。工作過(guò)程如下:通過(guò)超聲波液位計(jì)測(cè)量液位差,把超聲波液位計(jì)輸出的4~20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)采集到PPC1控制站的AI模塊,CPU模塊對(duì)相應(yīng)的程序和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,和格柵間液位差的設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比,當(dāng)所采集到的液位差達(dá)到設(shè)定值后,控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟粗格柵機(jī)進(jìn)行除渣操作。在粗格柵間,螺旋輸送機(jī)和粗格柵機(jī)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行,粗格柵機(jī)運(yùn)行之前螺旋輸送機(jī)按照編寫(xiě)的程序自動(dòng)開(kāi)啟,螺旋輸送機(jī)在粗格柵機(jī)停止一段時(shí)間之后自動(dòng)停止。

粗格柵運(yùn)行方式:

(1)液位差控制方式:粗格柵運(yùn)行條件為采集到的格柵液位差計(jì)工程信號(hào)大于等于0.3m,當(dāng)液位差降低至0.2m及其以下時(shí),粗格柵機(jī)停止運(yùn)行。

(2)時(shí)間控制方式:粗格柵機(jī)停止運(yùn)行達(dá)到2h之后,再次開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn),運(yùn)轉(zhuǎn)2h之后粗格柵機(jī)再停止運(yùn)轉(zhuǎn)2h,如果粗格柵機(jī)還是處于自動(dòng)位置,控制方式為時(shí)間控制,往復(fù)按照此規(guī)律運(yùn)行。

粗格柵機(jī)和螺旋輸送機(jī)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行,啟動(dòng)粗格柵機(jī)時(shí),按照編寫(xiě)的程序首先自動(dòng)啟動(dòng)螺旋輸送機(jī),延時(shí)40s后粗格柵機(jī)啟動(dòng);當(dāng)粗格柵機(jī)停止工作之后,螺旋輸送機(jī)延時(shí)80s停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)粗格柵機(jī)發(fā)生電機(jī)過(guò)載故障時(shí),粗格柵機(jī)會(huì)將故障信號(hào)發(fā)送至PPC1控制站,在PPC1控制站和中央控制室均發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào),出現(xiàn)故障的粗格柵機(jī)首先停止運(yùn)轉(zhuǎn),延時(shí)80s后螺旋輸送機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn),并關(guān)閉進(jìn)水閘門(mén),防止液位差超過(guò)允許上限。當(dāng)螺旋輸送機(jī)發(fā)生故障時(shí),故障信號(hào)會(huì)發(fā)送至PPC1控制站,立即輸出控制信號(hào)使粗格柵機(jī)停止運(yùn)行,發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。粗格柵時(shí)間控制運(yùn)行方式流程圖如圖4所示。

2.3提升泵的控制

提升泵房?jī)?nèi)有兩臺(tái)提升泵,其安裝于進(jìn)水池的底部,在提升泵房設(shè)有一套超聲波液位計(jì),用來(lái)監(jiān)測(cè)提升泵房的液位信號(hào),測(cè)量的液位信號(hào)以4~20mA的模擬量信號(hào)形式輸入到PPC1控制站的AI模塊,PPC控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)提升泵房?jī)?nèi)的液位變化來(lái)控制提升泵的開(kāi)啟數(shù)量。對(duì)提升泵開(kāi)啟數(shù)量的控制是通過(guò)事先在PPC中編好的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的,當(dāng)泵房水位高于或低于某個(gè)設(shè)定值時(shí),PPC控制系統(tǒng)將根據(jù)軟件程序自動(dòng)增加或減少水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。同時(shí),系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)累計(jì)每臺(tái)提升泵的運(yùn)行時(shí)間,自動(dòng)對(duì)提升泵的運(yùn)行進(jìn)行輪換,保證泵的總運(yùn)行時(shí)間基本相等,使兩臺(tái)提升泵始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài),延長(zhǎng)泵的使用壽命。

污水提升泵的主回路系統(tǒng)中采用三相五線制供電方式,電動(dòng)機(jī)均設(shè)置了良好的接地。提升泵電機(jī)的控制方式分為手動(dòng)、自動(dòng)兩種,手動(dòng)方式又分為現(xiàn)場(chǎng)控制箱按鈕手動(dòng)和監(jiān)控手動(dòng),正常運(yùn)行情況下,電機(jī)會(huì)進(jìn)行PLC自動(dòng)控制。

2.4鼓風(fēng)機(jī)的控制

好氧池的溶氧儀實(shí)時(shí)測(cè)量污水中的Do濃度,然后將溶氧儀測(cè)量的模擬信號(hào)采集到PLC的AI,經(jīng)過(guò)CPU比較、邏輯運(yùn)算,輸出信號(hào)控制鼓風(fēng)機(jī)的開(kāi)啟和關(guān)閉。設(shè)定的氧化溝好氧池理想溶解氧濃度為2mg/L,對(duì)氧化溝好氧池的控制流程圖如圖5所示。

3PLC2控制站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC2控制站位于脫水車間,主要負(fù)責(zé)對(duì)來(lái)自二沉池的污泥進(jìn)行污泥制備、脫水、泥餅外運(yùn)處理,脫水車間內(nèi)的主要設(shè)備有板框壓濾機(jī)、污泥進(jìn)料螺桿泵、污泥混凝池?cái)嚢铏C(jī)、傾斜輸送機(jī)、FeC13投加泵等。

3.1PLC2控制站電氣原理設(shè)計(jì)

本污水處理系統(tǒng)嚴(yán)格按照GB50054一1995《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電氣原理圖設(shè)計(jì),按照工藝流程中各個(gè)設(shè)備在車間的分布,分塊設(shè)計(jì)電氣原理圖。

本系統(tǒng)采用三相五線供電方式,現(xiàn)場(chǎng)所有電機(jī)設(shè)備都有兩種控制方式:就地按鈕箱控制方式和自動(dòng)控制方式。就地按鈕箱控制方式需要在現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)按下運(yùn)行/停止按鈕,正常情況下電機(jī)設(shè)備設(shè)置為自動(dòng)控制方式。圖6為PLC2控制站的動(dòng)力柜電氣原理圖。

圖6中,浪涌保護(hù)器用于對(duì)間接雷電和直接雷電影響或其他瞬時(shí)過(guò)壓的電涌進(jìn)行保護(hù),注意其回路在布置時(shí)要與其他回路保持一定的距離:熔斷器的作用是防止三相電壓不平衡時(shí)擊穿電源指示燈以及sw1旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn):電壓選擇開(kāi)關(guān)的作用是分別監(jiān)視相電壓和線電壓的值是否處于正常范圍:電流選擇開(kāi)關(guān)的作用是監(jiān)視U、V、w各相電流值。

3.2板框壓濾機(jī)邏輯控制

板框壓濾機(jī)是脫水車間PLC2控制站的最主要工藝設(shè)備,可以對(duì)制備好的污泥進(jìn)行脫水、壓縮和泥餅外運(yùn)處理。板框壓濾機(jī)(PLC21從站)自帶西門(mén)子s7-300PLC,通過(guò)ProfiBus-DP網(wǎng)絡(luò)和主控PLC1進(jìn)行通信。板框壓濾機(jī)的控制分為四個(gè)控制流程,分別為進(jìn)泥、污泥脫水、卸泥和濾布清洗?？偟牟叫蛄鞒虉D如圖7所示。

(1)板框壓濾機(jī)準(zhǔn)備就緒時(shí),發(fā)送就緒信號(hào)至PLC2主控站,PLC2發(fā)起啟動(dòng)命令,并啟動(dòng)相應(yīng)的污泥泵。當(dāng)注泥壓力達(dá)到設(shè)定值、污泥池液位過(guò)低、攪拌泵電機(jī)故障或者污泥螺桿泵慢速時(shí),由PLC2控制停止污泥進(jìn)料,結(jié)束進(jìn)泥。

(2)脫水流程:脫水機(jī)啟動(dòng)隔膜擠壓泵,進(jìn)行污泥脫水,脫水結(jié)束之后進(jìn)行泄壓。

(3)卸泥流程:卸泥過(guò)程中不需要人工進(jìn)行干預(yù),板框壓濾機(jī)PLC21自動(dòng)完成,板框壓濾機(jī)自帶監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。

(4)濾布清洗流程:高壓清洗泵處于自動(dòng)控制狀態(tài)時(shí),由板框壓濾機(jī)PLC21發(fā)出請(qǐng)求信號(hào),PLC2主控站啟動(dòng)高壓清洗泵,清洗結(jié)束時(shí)停止。若在運(yùn)行過(guò)程中,清洗水箱處于低液位,則停止高壓清洗泵,并發(fā)出報(bào)警。旁通閥處于自動(dòng)控制狀態(tài)時(shí),由板框壓濾機(jī)PLC21發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)開(kāi)啟,在濾布清洗時(shí)打開(kāi),清洗結(jié)束后關(guān)閉。

3.3脫水車間PLC2控制站軟件實(shí)現(xiàn)

PLC2控制站的PLC主程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和PLC1控制站基本相同,都是采用子程序塊調(diào)用的模塊化設(shè)計(jì)。

脫水車間PLC2控制站主要是對(duì)開(kāi)關(guān)量和模擬量的數(shù)據(jù)采集和輸出控制,開(kāi)關(guān)量的控制主要是根據(jù)用戶編寫(xiě)的程序?qū)囬g的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行邏輯控制。本項(xiàng)目中主要是實(shí)現(xiàn)主控PLC對(duì)變頻器和電磁流量計(jì)模擬信號(hào)的采集以及PLC模擬量輸出控制變頻器的頻率,其中模擬量輸入/輸出信號(hào)均采用4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。

據(jù)圖8可以得出PLC對(duì)1#污泥泵變頻器數(shù)據(jù)采集、處理和輸出過(guò)程。首先變頻器4~20mA輸出信號(hào)輸入到PLC的AI模塊,經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為整形數(shù)(存放于PIw304中),在PLC程序內(nèi)部對(duì)相應(yīng)的信號(hào)進(jìn)行處理之前,需要將該整形數(shù)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)變頻器量程的實(shí)際物理值MОoHОZU(位于DB1數(shù)據(jù)塊內(nèi)),此時(shí)需要FC105功能塊實(shí)現(xiàn)其功能。然后,當(dāng)實(shí)際物理值處理完畢輸出時(shí),需要把實(shí)際的物理值MОoHОZU轉(zhuǎn)換為整形數(shù)(存放于P0w320中),此時(shí)需要FC106功能塊實(shí)現(xiàn)其功能。最后,經(jīng)過(guò)AО模塊的D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換為4~20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出到變頻器,根據(jù)變頻器頻率的變化來(lái)控制污泥泵設(shè)備。

3.4上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面是本污水處理控制系統(tǒng)主要的人機(jī)交互界面。污水廠控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目所使用的上位機(jī)組態(tài)軟件為GE公司的iFIx4.0,實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的可視化。

實(shí)現(xiàn)iFIx上位機(jī)監(jiān)控軟件與西門(mén)子PLC的通信,通常是使用ОPC服務(wù)器收集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備PLC的數(shù)字量信號(hào)和模擬量信號(hào),通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的ОPC接口把數(shù)據(jù)信息傳送到ОPC客戶端。iFIx和西門(mén)子s7-300/400PLC的通信是通過(guò)simaticNetОPC服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

4結(jié)語(yǔ)

污水處理自動(dòng)控制技術(shù)是國(guó)家大力發(fā)展的有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要技術(shù),污水處理廠作為工業(yè)生產(chǎn)和城市污水處理的重要部門(mén),對(duì)水資源的保護(hù)和污水的循環(huán)利用起到了非常重要的作用。本文結(jié)合實(shí)際污水處理項(xiàng)目,從系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、軟硬件配置,主要機(jī)械設(shè)備的工作流程圖、控制程序以及上位機(jī)組態(tài)界面運(yùn)行實(shí)現(xiàn)等幾個(gè)方面,對(duì)污水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面闡述。本項(xiàng)目中的污水處理控制系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期效果,對(duì)整個(gè)污水處理生產(chǎn)工藝過(guò)程實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控和管理。整個(gè)控制系統(tǒng)已安裝調(diào)試完畢并順利投產(chǎn),且運(yùn)行安全、可靠。