本文摘要：摘要：隨著城市化進程的加快，城市污水排放量日益增多，水污染形式也逐漸嚴(yán)峻，成為制約城市發(fā)展與威脅人們?nèi)罕娊】档囊蛩亍Ｒ虼�，現(xiàn)代城市建設(shè)中，逐漸加大了污水處理廠的建設(shè)，系統(tǒng)采取合理的水處理方法，使得水排放達到環(huán)境允許標(biāo)準(zhǔn)。然而，從當(dāng)前污水處
摘要：隨著城市化進程的加快，城市污水排放量日益增多，水污染形式也逐漸嚴(yán)峻，成為制約城市發(fā)展與威脅人們?nèi)罕娊】档囊蛩�。因此，現(xiàn)代城市建設(shè)中，逐漸加大了污水處理廠的建設(shè)，系統(tǒng)采取合理的水處理方法，使得水排放達到環(huán)境允許標(biāo)準(zhǔn)。然而，從當(dāng)前污水處理廠建設(shè)情況上來看，存在控制系統(tǒng)落后、污水處理效率低等情況。
關(guān)鍵詞：PLC技術(shù);污水處理廠;控制系統(tǒng)設(shè)計
為保證污水處理過程的安全性、可靠性和生產(chǎn)的連續(xù)性，提高污水處理廠的自動化水平，控制系統(tǒng)采用目前國內(nèi)外污水處理廠廣泛應(yīng)用并取得良好效果的可編程邏輯控制器(PLC)集散型控制系統(tǒng)以及監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，集散型控制系統(tǒng)的特點是將管理層和控制層分開。
1、污水處理
污水處理廠常用的處理方法主要有化學(xué)法、物理法與生物法，按照處理程度劃分可以將分為一級、二級、三級處理，處理程度主要根據(jù)水污染的程度選擇。其中一級處理主要采取物理方法，除去污水中懸浮狀的固體污染物，經(jīng)過一級處理后的污水，其中的BOD含量下降30%左右。二級處理主要除去污水中的膠狀物體以及溶解性的有機物質(zhì)，常使用化學(xué)分解的方法，去除率能達到80%-90%左右，出水效果好。三級處理能夠進一步對污水難以降解的氮、磷等有機元素進行處理，主要使用的方法包括生物脫氮除磷法、混凝沉淀法、活性炭吸附法、電滲析法等。
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2、污水處理工藝
2.1現(xiàn)場控制層。一般中小城市的污水處理廠的建設(shè)規(guī)模小，廠區(qū)的面積不會太大，根據(jù)工藝和控制的要求。廠區(qū)內(nèi)設(shè)置幾個PLC分站，具體如下：變電所現(xiàn)場控制站(1#PLC)負責(zé)提升泵房、細格柵、沉砂池、氧化溝、配水排泥井等構(gòu)筑物工藝設(shè)備的監(jiān)控和工藝檢測儀表的數(shù)據(jù)采集;脫水機房現(xiàn)場控制站(2#PLC)負責(zé)污泥濃縮池、污泥脫水間、二沉池、消毒池等構(gòu)筑物設(shè)備的監(jiān)控和工藝檢測儀表的數(shù)據(jù)采集。
每個PLC通過PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)與各個子站進行通訊，完成凈化廠各功能塊的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制。同時PLC通過CPU自帶的MODBUS接口與軟啟動器、變頻器和多功能電表組成MODBUS網(wǎng)絡(luò)。該功能層實現(xiàn)了污水處理廠各單元過程所有過程參數(shù)、設(shè)備運行狀態(tài)及電氣參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，單元過程及設(shè)備的控制，并通過網(wǎng)絡(luò)模塊和中央控制室通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機，組成100 M光纖以太環(huán)網(wǎng)，向監(jiān)控層傳送數(shù)據(jù)和接受監(jiān)控層控制指令。
Modbus是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的一種使用主-從技術(shù)。主設(shè)備可單獨和從設(shè)備通訊，也能以廣播方式和所有從設(shè)備通訊。主站PLC發(fā)出查詢的要求，從站將主要設(shè)備的主要電氣參數(shù)，電流、電壓、頻率、功率因數(shù)、有功無功功率等信息傳送到PLC，并定期刷新后再傳送。監(jiān)控計算機則通過工業(yè)以太網(wǎng)通訊程序讀取信息，而Profibus是一種高速、便宜的通訊連接，它專門設(shè)計為自動化控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散的I/O之間進行通訊使用，它可取代0-10V或4～20 mA的串聯(lián)式信號傳輸。通過使用RS-485傳輸技術(shù)或光纖媒體。使得對數(shù)據(jù)鏈路層的存取變得簡單方便。
2.2過程監(jiān)控層。
該層的中心是在中控室內(nèi)。是工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)點的系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器、2臺工程師/操作員站計算機、打印機、UPS電源及監(jiān)視屏等設(shè)備，其主要職能是進行系統(tǒng)中的信息交換與信息顯示及控制。上位機系統(tǒng)是由兩臺八核的臺式機組成，他們互為冗余。采用Windows 7操作系統(tǒng)，采用WinCC7.4版本的工廠監(jiān)控軟件。
上位機能夠?qū)崟r顯示全廠所有設(shè)備運行狀態(tài)和各種參數(shù)值，當(dāng)故障發(fā)生時，記錄故障時間、類別，同時屏幕閃現(xiàn)紅色報警�？梢娫搶油ㄟ^上位監(jiān)控軟件實現(xiàn)了對主要工藝設(shè)備的控制和調(diào)度。對污水處理全過程中的工藝參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、優(yōu)化和調(diào)整，對主要工藝流程進行動態(tài)模擬和趨勢分析、實時數(shù)據(jù)處理和實時控制，在控制組態(tài)上實現(xiàn)各種常規(guī)與復(fù)雜的優(yōu)化控制、專家控制、模糊控制等先進的智能控制。同時，功能強大與穩(wěn)定的實時和歷史數(shù)據(jù)庫亦通過以太網(wǎng)成為上下層間的信息通道。
2.3廠區(qū)管理層
廠長辦公室計算機和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成的局域網(wǎng)即構(gòu)成了廠區(qū)管理層。通過關(guān)系數(shù)據(jù)庫和相關(guān)的管理軟件，為決策者提供了各項生產(chǎn)及運營的調(diào)度管理所必須的信息平臺。同時該層可以與Internet接軌，通過交換機、防火墻、固定IP地址，使用移動PC，在其他地方接入互聯(lián)網(wǎng)和工廠的PLC進行通訊，采集PLC數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)視和控制，但要有較高的網(wǎng)絡(luò)安全防護功能，僅僅有授權(quán)的用戶等級可對進程數(shù)據(jù)庫進行訪問。
3、方案特點
3.1高可靠與高穩(wěn)定性。
隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，它不僅在辦公自動化領(lǐng)域而且在工業(yè)自動化場合得到了廣泛應(yīng)用，這些都標(biāo)志著工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為當(dāng)今工業(yè)控制的主流網(wǎng)絡(luò)，真正開放互連的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，環(huán)形冗余方案的出現(xiàn)則保證了更高的可靠性。單一點的鏈路中斷不會造成網(wǎng)絡(luò)通訊的中斷。該系統(tǒng)采用了基于工業(yè)以太網(wǎng)的集成式全分布控制，體現(xiàn)了集中管理分散控制的原則，也保證了高可靠與高穩(wěn)定性。
除了網(wǎng)絡(luò)部分外，自控系統(tǒng)通過下列技術(shù)與工程措施，確保了系統(tǒng)的長期穩(wěn)定可靠運性：整個系統(tǒng)選用符合工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)的成熟定型產(chǎn)品;PLC模塊具有自診斷(檢錯)與容錯功能;PLC控制柜內(nèi)具有完善的抗干擾及防雷等技術(shù)措施;中控室及現(xiàn)地控制站設(shè)備均具備供電冗余功能;即使在上位機發(fā)生故障或通信中斷時，現(xiàn)地控制站亦可以在手動模式下獨立完成基本局部控制。
3.2高擴展性。
工業(yè)以太網(wǎng)具有向下兼容性。對于雙絞線或光纖介質(zhì)，如果將傳輸速度從10 Mbps提升到100 Mbps，在大多數(shù)場合不需要改變現(xiàn)有的布線。只需更新網(wǎng)絡(luò)設(shè)備即可。同樣，如果將本系統(tǒng)主干網(wǎng)從100 Mbps以太網(wǎng)提升到干兆以太網(wǎng)，只需升級網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，而無需重新鋪設(shè)光纜。
3.3開放性。
系統(tǒng)對用戶是開放的。設(shè)備的增減、控制方案的選取、系統(tǒng)的擴縮與維護等，用戶都可以在廣泛的設(shè)備環(huán)境下便利地自己完成。所有硬件接口。軟件協(xié)議全部按開放性的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計、編制。
3.4系統(tǒng)方案設(shè)計。
控制系統(tǒng)分成生產(chǎn)管理與現(xiàn)場控制，現(xiàn)場控制使用DP總線與MODBUS總線，控制站與監(jiān)控計算機使用以太網(wǎng)連，確保信息能夠迅速技術(shù)的反應(yīng)到計算機中。污水自動處理控制系統(tǒng)包括遠程輸入與輸出單元、現(xiàn)場控制站、中央調(diào)控、及計算機管理系統(tǒng)等。(1)計算機管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，計算機管理系統(tǒng)由投影儀用計算機、廠長室計算機、總工室計算機與化驗室計算機組成，4臺計算機皆用以太網(wǎng)連接，輔助設(shè)備包括打印機、投影儀等設(shè)備，完成過程監(jiān)控與管理工作。
(2)中央監(jiān)控工作室。中央監(jiān)控工作室由兩臺監(jiān)控計算機PC1與PC2、打印機、服務(wù)器、DLP背投顯示設(shè)備以及工業(yè)以太網(wǎng)交換機組成，能夠?qū)ξ鬯幚淼母鱾�過程進行監(jiān)控，包括數(shù)據(jù)采集、集中調(diào)度、報表生成、故障分析記錄與生成等，通過DLP顯示設(shè)備，能夠直觀的顯示出處理廠的各工藝處理情況，由控制人員指導(dǎo)生產(chǎn)。該系統(tǒng)中還包括一套DLP投影系統(tǒng)，主要作用是能夠?qū)⒈O(jiān)控信息通過數(shù)據(jù)傳輸反映到顯示屏中，形成多網(wǎng)格顯示系統(tǒng)，通過點擊矩陣中的監(jiān)控系統(tǒng)，利用投影設(shè)備在大屏幕上顯示，該系統(tǒng)能夠同時顯示12處監(jiān)控畫面，并且可以根據(jù)監(jiān)控設(shè)備數(shù)量的大小，采取縮小矩形邊框的方式來增加顯示數(shù)量。
(3)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)以工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場高速數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)組成，保證中央控制室、監(jiān)控站的數(shù)據(jù)通訊迅速�？刂葡到y(tǒng)中，工業(yè)光纖以太網(wǎng)的使用，采取冗余系統(tǒng)設(shè)計，能夠保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時刻處于可靠的狀態(tài)，現(xiàn)場使用的高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)線為PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，負責(zé)PLC控制器主站與從站的數(shù)據(jù)傳輸，以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)100Mb/s的通訊速率，大大提高了各個系統(tǒng)之間的聯(lián)合度。
4、結(jié)束語
PLC技術(shù)在污水處理廠的突破性使用，使污水處理廠的處理效率得到很大程度的提升，并且利用PLC技術(shù)構(gòu)建的自動化控制處理系統(tǒng)，在節(jié)省人力與物流方面也起到較大作用。
參考文獻：
[1]徐紅.基于PLC的污水處理廠控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn).2016.
[2]張東朝.PLC在城市污水處理廠中的自動化控制系統(tǒng)設(shè)計.2017.
作者：張寶林
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