1 引言
重慶市巫山縣位于四川盆地東部，長江三峽庫區(qū)腹心地帶，東北與湖北省神農(nóng)架國家自然保護(hù)區(qū)毗鄰，西北與重慶市區(qū)連壤相依。巫山縣城就坐落在長江北岸巫峽西口、大寧河與長江匯合處，其污水排放水體為長江，故建立完善的污水處理系統(tǒng)，是維護(hù)長江水系的水質(zhì)清澈的重要保障。
而污水處理廠的各處理設(shè)備分布分散，每個工藝區(qū)段相對獨立；I/O點中以離散量為主，模擬量為輔；由于這些特點，使其更適宜以PLC為主要控制器的集散式控制方案。本文介紹的就是這樣的一套以PLC為主組成的順控系統(tǒng)。
2 污水處理工藝流程簡介
由重慶地區(qū)的污水水質(zhì)狀況，及國家對三峽地區(qū)污水排放水系的嚴(yán)格控制，結(jié)合巫山縣的地理條件，經(jīng)多方論證與方案比較，決定采用Orbal(奧貝爾)氧化溝并輔助化學(xué)除磷裝置的污水處理工藝。
該廠污水處理過程主要分為機(jī)械處理、生化處理、污泥處理三個階段。現(xiàn)將其工藝流程介紹如下（見圖1所示）。
機(jī)械處理段——由進(jìn)水泵提升、粗細(xì)格柵攔截漂浮物和懸浮物，再經(jīng)鐘式沉砂池及計量槽進(jìn)行沉砂處理后，轉(zhuǎn)入生化處理。
Orbal(奧貝爾)氧化溝由三個相對獨立的同心圓（橢圓）溝道組成，污水通過淹沒式進(jìn)入口由外溝道進(jìn)入，然后依次進(jìn)入中間溝道和內(nèi)溝道，最后由內(nèi)溝流出，至二沉池（二沉池來取代中心島）。進(jìn)入氧化溝的污水在旋轉(zhuǎn)曝氣圓盤的作用下，混合液得到有效的混合、曝氣和推流，懸浮有機(jī)物在溝內(nèi)可獲得較徹底地降解，并較高程度地實現(xiàn)“同時硝化反硝化”的效果。為了適應(yīng)出水的高要求，在二沉池的進(jìn)水處投加鋁鹽，在二沉池沉淀的同時進(jìn)行輔助化學(xué)除磷，再經(jīng)過接觸池加氯消毒處理，最終經(jīng)排水管排出。
Orbal(奧貝爾)氧化溝具有延時曝氣的特點，懸浮有機(jī)物在溝內(nèi)可獲得較徹底地降解，污泥在溝內(nèi)達(dá)到相對好氧穩(wěn)定，剩余污泥量少，無需厭氧消化，可直接進(jìn)入污泥濃縮脫水處理過程。二沉池排出的污泥，一部分經(jīng)回流污泥泵返回外溝，剩余部分污泥經(jīng)剩余污泥泵送至脫水機(jī)房的污泥調(diào)節(jié)池，再經(jīng)投泥泵送入帶式污泥濃縮脫水系統(tǒng)的處理，最終泥餅裝車送至廠外。
通過以上工藝過程的描述，我們可以知道污水處理過程是按一定流程和順序循環(huán)進(jìn)行的，有其固有的順序性和周期性。
3 控制系統(tǒng)的設(shè)計
控制系統(tǒng)設(shè)計目的是對污水處理過程的機(jī)械處理階段、生化處理階段、污泥處理階段進(jìn)行順序控制，及在故障情況下的緊急停車等一系列處理過程進(jìn)行全自動PLC控制。
3.1 機(jī)械處理段的自動控制系統(tǒng)：
（1）每臺格柵前后安裝了一臺液位差計，PLC根據(jù)液位計檢測到的水位差值和時間設(shè)定，自動控制格柵除污機(jī)的運行；當(dāng)水位差值超過設(shè)定值或時間設(shè)定值時，自動控制格柵和螺旋輸送機(jī)按照預(yù)先編制的程序運行。
（2）污水提升泵房是全廠的咽喉，一旦出現(xiàn)故障，全廠就得停產(chǎn)，泵的控制至關(guān)重要。設(shè)在前池的液位計將檢測到的水位信號送到控制運算器，PLC根據(jù)檢測值與設(shè)定值的差值來自動控制水泵的運行。當(dāng)水位升高到預(yù)定的水位值時，自動控制水泵按照預(yù)先編制的程序依此逐臺啟動；當(dāng)水位減低到預(yù)定的水位值時，自動控制水泵按預(yù)先編制的程序依此逐臺關(guān)閉。同時累積水泵運行時間，自動輪換水泵，保證水泵累計運行時間均等，并處于在最佳運行狀態(tài)。當(dāng)水位降到設(shè)定下限水位時，干運轉(zhuǎn)保護(hù)起動，自動控制水泵全部停止運行，以保證水泵的安全。
（3）鐘式沉砂池由一套變速及調(diào)整系統(tǒng)機(jī)構(gòu)控制箱來就地控制，其轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速和高度均可根據(jù)除砂效率和有機(jī)物分離效率的要求，哪個更高而定來進(jìn)行調(diào)整。另外進(jìn)出水口及池中水位可視需要去除的砂粒的粒徑而定。沉砂池系統(tǒng)各設(shè)備的運行狀態(tài)及故障信號送至中控室去顯示監(jiān)控。
（4）為了提高污水處理廠的工作效率和運轉(zhuǎn)管理水平，正確掌握處理污水量及動力消耗，反映運行成本，在沉砂池后設(shè)置了巴式計量槽。每個計量槽安裝超聲波流量計一臺、溫度計和PH計一臺，將信息輸入計算機(jī)，對全廠污水進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。
3.2 生化處理段的自動控制系統(tǒng)：
Orbal(奧貝爾)氧化溝的運行控制：我們在外溝、中溝、內(nèi)溝各設(shè)置1臺溶解氧測量儀表，將儀表檢測到的溶氧儀測量值送至現(xiàn)場PLC控制子站，PLC根據(jù)氧化溝中的溶解氧含量，按照預(yù)先已編制好的程序（為保證氧化溝內(nèi)流速均勻；所預(yù)先編制的動作順序），自動控制轉(zhuǎn)碟的運轉(zhuǎn)臺數(shù)和運行時間；以滿足外、中、內(nèi)溝的溶氧值穩(wěn)定在生化反應(yīng)的設(shè)定值。在外溝，因所需溶氧值較低，溶氧儀將不能工作在其測量范圍的精確量程內(nèi)，檢測值的誤差較大，為此在外溝另設(shè)有一臺氧化-還原電位計，用來校正被監(jiān)控參數(shù)的測量。同時，還可調(diào)節(jié)氧化溝的出水堰板，以改變轉(zhuǎn)碟浸沒水深來增減空氣曝氣量，既保證了氧化溝生物處理過程的穩(wěn)定又節(jié)約了能源。
根據(jù)以往的Orbal(奧貝爾)氧化溝的運行情況，在編制氧化溝的運行控制程序時，還需注意三點：一，考慮水中溶解氧的變化速率，避免控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定，需設(shè)置溶解氧的控制死區(qū)；二，為避免轉(zhuǎn)碟的控制不穩(wěn)定，在程序中設(shè)置轉(zhuǎn)碟的時間死區(qū)，在此時間內(nèi)轉(zhuǎn)碟不可啟停；三，為了平衡轉(zhuǎn)碟的工作時間，應(yīng)開轉(zhuǎn)碟和應(yīng)停轉(zhuǎn)碟要符合先開先停、先停先開的原則，目的是減少轉(zhuǎn)碟電機(jī)的損耗，達(dá)到節(jié)能的要求。
另外，在中溝我們還設(shè)置了混合液濃度檢測儀表，在外溝設(shè)置了檢測液位的超聲波液位計。以加強(qiáng)對氧化溝生物反應(yīng)情況的監(jiān)控。
3.3 污泥沉淀濃縮處理段的自動控制系統(tǒng)：
（1）在污泥濃縮加藥系統(tǒng)，我們根據(jù)容積比設(shè)置了一套自動控制配藥系統(tǒng)（見圖2）。
加藥系統(tǒng)按照預(yù)先編制的程序運行，定時加藥、配水及攪拌。首先進(jìn)行藥液的配置控制，由PLC根據(jù)所確定的容積比去自動控制除磷藥劑原液與稀釋水的投加量，配制成所需濃度的除磷藥劑；在配藥罐上還設(shè)有超聲波液位計，液位信號送至PLC，當(dāng)藥液量和水量比例滿足配比要求，配藥過程結(jié)束后，PLC自動控制打開配藥罐出口的電動球閥，進(jìn)入加藥階段。除磷藥劑的投加量，由PLC控制計量泵去完成。
（2）脫水機(jī)房設(shè)帶式脫水機(jī)及全部附屬裝置。負(fù)責(zé)脫水、加藥、進(jìn)泥、出泥、反沖洗等設(shè)備的連鎖控制，整套脫水系統(tǒng)按照預(yù)先編制的程序運行，PLC負(fù)責(zé)對各設(shè)備的運行情況進(jìn)行監(jiān)控及連鎖保護(hù)。
4 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)
4.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成
PLC控制系統(tǒng)由工藝過程監(jiān)控系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、可編程序控制器及檢測儀表組成。采用分布式計算機(jī)集散控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對全廠的工藝流程進(jìn)行分散控制、集中管理。控制系統(tǒng)采用了過程監(jiān)控級（即中央監(jiān)控站-主站）和現(xiàn)場控制級（即兩個智能子站—PLC站）的兩層結(jié)構(gòu)，劃分為中央控制室、第一分控室、第二分控室三個區(qū)域。
過程監(jiān)控級設(shè)在中央控制室（主站）內(nèi)，由兩臺工控機(jī)、兩臺打印機(jī)和通訊卡等組成工程師站、操作員站及數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)。操作員站
是操作員用以完成對整個污水處理廠進(jìn)行實時監(jiān)控功能的崗位，負(fù)責(zé)對全廠的工況進(jìn)行監(jiān)控和管理調(diào)度，可對每個智能子站中的設(shè)備進(jìn)行
操作，但在同一時間內(nèi)只允許一個站操作同一個設(shè)備；工程師站可以實現(xiàn)在線控制系統(tǒng)的編程及各種參數(shù)的設(shè)定與修改等任務(wù)；數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)則用來提供或接受工業(yè)過程的實時信息及與上級管理站的通訊等任務(wù)。
現(xiàn)場控制級為兩個智能子站，分別設(shè)置在兩個分控室內(nèi)，由PLC控制器、I/O處理單元及現(xiàn)場檢測儀表組成，用以完成數(shù)據(jù)采集、處理等功能，負(fù)責(zé)對污水處理廠各個反應(yīng)處理階段進(jìn)行就地分散控制，分站的操作權(quán)限由主站來分配。兩個智能子站和主站通過現(xiàn)場通訊總
線相連（PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置如圖3所示）。
PLC選用的是施耐德公司的PREMIUM可編程序控制器，它具有模擬量、開關(guān)量的采集處理和計算功能以及邏輯控制、計時比較等順序控制功能，并且具有集成的批處理功能和高速數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)，以滿足連鎖控制的快速響應(yīng)的要求。
根據(jù)本系統(tǒng)的要求，我們選用以下設(shè)備（詳見表1） ：
4.2系統(tǒng)軟件
PREMIUM PLC控制系統(tǒng)軟件為兩部分。
4.2.1監(jiān)控級應(yīng)用軟件
監(jiān)控級應(yīng)用軟件為Monitor Pro監(jiān)控軟件。具有實時數(shù)據(jù)庫、趨勢和實時圖表、模擬畫面、報警管理、數(shù)據(jù)庫巡航等功能，監(jiān)控軟件采用全漢化界面，設(shè)計有工藝流程圖、各工藝單元流程圖、趨勢圖、報表、報警、各種電量參數(shù)圖、各種設(shè)備的操作和參數(shù)設(shè)定畫面。操作員通過菜單命令或鼠標(biāo)點擊，可瀏覽所有工藝過程畫面，顯示當(dāng)前狀態(tài)并按順序記錄、輸出；能完成各類數(shù)據(jù)的記錄、存盤、報警，處理打印各種生產(chǎn)報表、曲線圖和站圖表（顯示出泵/閥的狀態(tài)，提供最重要的檢測值和報警），以及對各階段的反應(yīng)時間和給定值的調(diào)整等。同時，全廠所有可操作的設(shè)備均可由操作員在工作站上通過鼠標(biāo)和權(quán)限進(jìn)行遙控操作，完成生產(chǎn)指揮調(diào)度過程。
由于污水處理廠自控系統(tǒng)需要經(jīng)過長期運行，獲得經(jīng)驗數(shù)據(jù)，然后重新調(diào)整控制系統(tǒng)。所以各種可能需要調(diào)整的參數(shù)均可在上位機(jī)進(jìn)行設(shè)定，如回流污泥泵、剩余污泥泵的工作時間，溶解氧的控制死區(qū)，轉(zhuǎn)碟工作的時間死區(qū)等。這樣，操作人員可以隨時根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整控制參數(shù)，優(yōu)化工藝的運行效果。
4.2.2編程工具軟件：
PLC編程工具為PL7 Pro，該軟件可在WINDOWS系列操作系統(tǒng)上運行，采用圖形編程界面，具有梯形圖（LD）和功能塊圖（DFB）指令表（IL）及結(jié)構(gòu)化文本語言等多種編程語言可供編程人員編程時使用。可對I/O設(shè)備進(jìn)行
組態(tài)和參數(shù)化，能對任何連接到控制總線的節(jié)點進(jìn)行測試和啟動，可在線修改系統(tǒng)中任一點
的用戶程序。并包括先進(jìn)的系統(tǒng)診斷能力、過程診斷工具和遠(yuǎn)程維護(hù)等。
污水處理廠控制程序流程圖見圖4所示。
5 PREMIUM PLC 控制系統(tǒng)的功能和工作狀態(tài)
為了確保在PLC系統(tǒng)意外情況下污水處理的順利進(jìn)行，我們配備了自控、手控兩套裝置，各工藝參數(shù)的顯示信號分別經(jīng)計算機(jī)和就地常規(guī)儀表顯示，這樣當(dāng)計算機(jī)由于某種原因產(chǎn)生故障或設(shè)備檢修維護(hù)時，可以手動操作。
5.1 手動狀態(tài)（MAN）
在剛開始初試階段，系統(tǒng)尚未穩(wěn)定之前，可以使用手動操作，用鼠標(biāo)直接遙控現(xiàn)場工藝操作。
考慮到現(xiàn)場調(diào)試和全自動運行時故障處理的需要，設(shè)計的手動控制程序，可以對機(jī)械處理段、生化處理段及污泥濃縮處理段各個反應(yīng)階段實現(xiàn)手動控制，各工藝根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)移，中途可退出狀態(tài)。在需要關(guān)閉整個控制系統(tǒng)時，還可在現(xiàn)場對重要的部分單元進(jìn)行手工操作。
5.2 自動狀態(tài)（AUTO）
當(dāng)工藝處理過程由不穩(wěn)定運行轉(zhuǎn)為穩(wěn)定運行，工藝參數(shù)達(dá)到工藝要求時，將系統(tǒng)由手動切換為自動狀態(tài)。整個系統(tǒng)完全由PLC可編程控制器來自動控制。無論由A/M、M/A，偏差是否為零，切換過程都是無擾動的，調(diào)節(jié)輸出決不會發(fā)生突變。
5.3 自診斷
過程診斷、實時時鐘，狀態(tài)和故障顯示報警。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，上位機(jī)畫面對應(yīng)設(shè)備有紅燈閃爍，直至故障消除。報警內(nèi)容加入報警數(shù)據(jù)庫，并在報警畫面顯示；報警信息可通過打印機(jī)打印；通過報警畫面可以查詢?nèi)繗v
史故障情況。
6 結(jié)束語
該污水處理廠所設(shè)計的控制系統(tǒng)具有以下特點：
（1）該廠采用的Orbal(奧貝爾)氧化溝污水處理工藝流程簡單，構(gòu)筑物及機(jī)械設(shè)備少，控制系統(tǒng)所選用的PREMIUM PLC可編程控制系統(tǒng)可靠性高，運行管理很方便，為設(shè)備安全穩(wěn)定地運行提供了更好的保障。
（2）考慮到該廠還將實施二期工程，控制
系統(tǒng)的設(shè)計在控制網(wǎng)絡(luò)和可擴(kuò)展性方面予以了較強(qiáng)的能力，選用的PLC控制器為完全模塊化，配置靈活，擴(kuò)展方便，易于升級。PREMIUM PLC系統(tǒng)還具有標(biāo)準(zhǔn)的總線系統(tǒng)接口，用現(xiàn)場總線可實現(xiàn)PLC與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊，上位機(jī)還可以通過以態(tài)網(wǎng)與公司管理級及調(diào)度室實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。
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[3]施耐德電氣公司. Modicon TSX Premium 系列手冊[M] .北京：Schneider Electric China, 2001
[4]施耐德電氣公司. Modicon TSX Premium 自動化平臺[M] .北京：Schneider Electric China, 2001
作者簡介：
李文華，自動化儀表工程師。1983年畢業(yè)于南京師范大學(xué)動力分院自動化專業(yè)，畢業(yè)后在化工設(shè)計研究院從事十幾年自控設(shè)計，曾在《工業(yè)儀表與自動化裝置》發(fā)表題為《工業(yè)燃煤鍋爐微機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)分析與設(shè)計》；在《工業(yè)水處理》發(fā)表題為《SIMATIC S7 300控
制系統(tǒng)在工業(yè)水處理藥劑生產(chǎn)中的設(shè)計及應(yīng)用》。現(xiàn)在天津市市政工程設(shè)計研究院給排水一所從事自動化工程設(shè)計。
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