★王云偉，白彩鳳（北京碧水源科技股份有限公司，北京102206）

摘要：本文通過(guò)采用貝加萊X20PCC系統架構完成了對無(wú)錫碩放污水處理廠(chǎng)自動(dòng)化系統的改造，解決了本水廠(chǎng)控制設備多、控制條件復雜、采集數據量大的問(wèn)題，最終達到了水廠(chǎng)擴容的目的；同時(shí)提高了此污水處理廠(chǎng)的自動(dòng)化程度、自控系統穩定性、自控系統兼容性，并且對人力運營(yíng)成本有一定的降低。

關(guān)鍵詞：污水處理；X20

1 項目概況

無(wú)錫碩放污水處理廠(chǎng)位于無(wú)錫碩放鎮，該污水處理廠(chǎng)原有處理站一座，但由于是早期建造，因而自動(dòng)化程度不高、水質(zhì)差，并且不能滿(mǎn)足現日益增加的日處理量。為了提高出水質(zhì)量，并考慮到節省人力和以后進(jìn)一步擴容的需要，亟需一套完整的先進(jìn)的綜合程度較高的污水處理方案。該項目采用“A2O+MBR”工藝改造原傳統工藝，新工藝主要由預處理單元、生化單元、MBR單元、鼓風(fēng)機曝氣單元、出水消毒單元及污泥處理單元六部分組成，其中預處理單元包含粗格柵、細格柵、提升泵、膜格柵等；生化單元包含厭氧區、缺氧區、好氧區和低氧區等；MBR單元包含膜池及設備間；鼓風(fēng)機曝氣單元主要實(shí)現對生化單元和MBR單元的曝氣吹掃功能；污泥處理單元主要用于污泥脫水處理。具體工藝流程如圖1所示。該工藝與傳統處理工藝比較，電氣設備多，控制復雜，采集數據較多。因而需要一套穩定的、較為先進(jìn)的自控系統配合。

圖1 工藝流程圖

2 網(wǎng)路結構

根據整個(gè)工程的建筑物及水處理的工藝設備布置情況，主要分為三級控制系統：現場(chǎng)監控級、車(chē)間監控級、廠(chǎng)級管理級。其層級關(guān)系如圖2所示。

現場(chǎng)控制級主要是對現場(chǎng)工藝設備進(jìn)行運行狀態(tài)的采集和設備啟停的控制，其控制邏輯取決于下位機系統的邏輯程序。車(chē)間監控級主要是對膜池設備間系統的監控，其存在值班室，用于就近系統的集中監視和控制。廠(chǎng)級管理級用于整個(gè)水廠(chǎng)工藝系統的整體監控，從而了解整個(gè)水廠(chǎng)的運行情況。工業(yè)以太網(wǎng)用于廠(chǎng)級管理，車(chē)間級控制系統的操作員站和主控制站之間的連接；貝加萊X2X總線(xiàn)和西門(mén)子PROFIBU-DP現場(chǎng)總線(xiàn)用于主控制站站內與主控制站和子控制站之間的連接。

圖2 網(wǎng)絡(luò )層級關(guān)系圖

本項目的自控系統分為中央控制系統、次級控制系統、現場(chǎng)控制系統三部分。

中央控制系統簡(jiǎn)稱(chēng)為中控室系統，其主要作用是對全廠(chǎng)設備間運行情況的監視和控制，其主通過(guò)上位機實(shí)現全廠(chǎng)整個(gè)工藝流程的運行情況，同時(shí)也包含了報警系統、報表系統、歷史數據系統等，為了更好地用戶(hù)體驗，中控室引入了寬屏電視、打印機、UPS供電等設備。本系統主要是用于對全廠(chǎng)的統籌管理與值班使用，方便運營(yíng)者的集中管理、集中監控。次級控制系統稱(chēng)之為分控室系統，其位于現場(chǎng)設備間附近，與中控室系統距離較遠，用于對此設備間附件的設備進(jìn)行集中監控和值班。分控室系統的值班人員由于距離現場(chǎng)比較近，因此在出現事故時(shí)可以及時(shí)去現場(chǎng)進(jìn)行處理，降低事故所造成的損失。中控室系統和分控室系統示意圖如圖3所示。

圖3 中控室系統和分控室系統示意圖

現場(chǎng)控制系統主要是數據采集和設備聯(lián)動(dòng)控制，其主要依賴(lài)于下位機的邏輯程序?，F場(chǎng)控制系統示意圖如圖4所示。其主要分為開(kāi)關(guān)量的數據采集與控制、模擬量的數據采集與控制和通訊儀表的采集三部分。此外通過(guò)各現場(chǎng)控制站之間的通訊工作可以實(shí)現各站之間的設備聯(lián)動(dòng)，最終使整個(gè)水廠(chǎng)設備渾然一體。

圖4 現場(chǎng)控制系統示意圖

3 硬件配置

貝加萊PCC系統具有強大的功能，優(yōu)良的性能，良好的耐惡劣環(huán)境的能力。新一代的X20系統能夠勝任中大型的集散控制和復雜的過(guò)程控制。其良好的兼容性、強大的通訊能力、優(yōu)良的實(shí)時(shí)性、豐富的功能函數、品種繁多的硬件模塊、多種編程語(yǔ)言的使用等，使貝加萊PCC能夠廣泛適應各種工業(yè)控制的需要。貝加萊PCC系統在國內自控行業(yè)應用較少，在污水處理行業(yè)應用更少，近期貝加萊推出X20 PCC系統，它與以前的同級PCC系統相比其靈活的編程方法是其他PCC無(wú)法比擬的，并且其體積小重量輕，支持熱插拔。在通訊方面除支持CAN、Profibus、Ethernet、Ethernet Powerlink等外，還可以通過(guò)插入第三方模塊擴展。貝加萊PLC系統不僅支持常見(jiàn)編程語(yǔ)言，如梯形圖、指令表、文本ST、Automation Basic等更為值得一提的是其可以通過(guò)C語(yǔ)言編輯自己的通訊協(xié)議來(lái)滿(mǎn)足特殊需要，而在污水處理應用中由于是集成各個(gè)廠(chǎng)商的設備進(jìn)行集散式控制，要求設備之間有良好的兼容性，不同通訊協(xié)議間的數據轉換及傳輸問(wèn)題變得突出，而貝加萊PCC支持C語(yǔ)言編程能夠很好地解決這個(gè)問(wèn)題。

設備的選型和配置：自控系統PCC采用貝加萊X20系列的X20CP1484 PCC和西門(mén)子S7-200。本系統主要包含鼓風(fēng)機房站、設備間站、臭氧設備間、污泥脫水機等系統的配置。限于篇幅原因，本文只列舉了兩類(lèi)站點(diǎn)的配置。

（1）鼓風(fēng)機房站、設備間站系統作為主站，通過(guò)以太網(wǎng)的方式全廠(chǎng)主網(wǎng)絡(luò )鏈接，其配置如表1所示。

表1 主站配置

由于鼓風(fēng)機房站、設備間站配置相似，只是點(diǎn)數不同而已，因此這些站點(diǎn)的配置僅是數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊及這些模塊的輔助配件不同而已，因此這里并沒(méi)有標明數量。

電源模塊主要是對本底板進(jìn)行供電，同時(shí)對于此

底板上的模塊、CPU進(jìn)行一定功率的供電，來(lái)保證此次底板上的模塊、CPU之間的用電。

CPU模塊用于存儲和運行工程師所編寫(xiě)的邏輯程序，并且其自帶的以太網(wǎng)口承擔了與全廠(chǎng)主網(wǎng)絡(luò )通訊的功能。

接口模塊用于擴展底板或遠程站點(diǎn)使用，即當本地底板插口用完或者需要進(jìn)行遠程擴展時(shí)底板時(shí)使用此模塊可以進(jìn)行通訊，來(lái)完各底板之間的通訊鏈接，從而保證各個(gè)底板模塊與CPU之間的鏈接。

數字量輸入模塊用于采集現場(chǎng)的開(kāi)關(guān)量信號，即獲取現場(chǎng)設備的開(kāi)關(guān)量狀態(tài)。

數字量輸出模塊用于控制現場(chǎng)的開(kāi)關(guān)量信號，即控制現場(chǎng)設備的啟停、開(kāi)關(guān)等。

模擬量輸入模塊用于主要用于采集現場(chǎng)的儀表信號，大部分采用4~20ma的形式，通過(guò)工程量的轉換來(lái)獲取儀表的工程值。

模擬量輸出模塊用于輸出4~20mA的電流，從而控制頻率、開(kāi)度等信號。

（2）細格柵站、除臭間等系統為了節約成本，采用西門(mén)子S7-200系列PLC，其通訊方式采用DP總線(xiàn)，以DP從站的形式鏈接到PCC系統，從而間接接入到全廠(chǎng)主網(wǎng)絡(luò )中。其配置如表2所示。其模塊功能相似，僅型號和性能不同，因此不再贅述。

表2 各模塊配置

4 主要控制方案及實(shí)現方法

4.1 控制模式的要求

4.1.1 就地/遠程控制模式

（1）就地手動(dòng)控制

就地控制級別為最高級。當控制柜上方式選擇開(kāi)關(guān)被切換到就地控制時(shí)，PCC將不對該設備進(jìn)行控制，只進(jìn)行狀態(tài)監視，現場(chǎng)操作人員通過(guò)控制柜上手動(dòng)按鈕啟動(dòng)停止設備，控制柜提供基本控制聯(lián)鎖。

（2）就地遠程切換

當控制柜上方式選擇開(kāi)關(guān)被切換到遠程（自動(dòng)）控制時(shí)，現場(chǎng)手動(dòng)就不起作用了，其現場(chǎng)控制權，交由上位機控制。

4.1.2 上位機控制模式

（1）遠程手動(dòng)控制

控制室操作人員可根據現場(chǎng)情況向下發(fā)出調度控制指令，調整設備運行狀態(tài)達到工藝要求?？刂剖也僮魅藛T也可以選擇遠程手動(dòng)方式，直接手動(dòng)控制單個(gè)現場(chǎng)設備。

（2）遠程自動(dòng)控制

按PCC程序聯(lián)動(dòng)、聯(lián)鎖等各種邏輯關(guān)系控制設備的啟動(dòng)停止。

4.2 主要設備控制方案

4.2.1 格柵

（1）手動(dòng)控制：?jiǎn)闻_粗格柵進(jìn)行啟動(dòng)、停止操作。

（2）自動(dòng)控制：有兩種運行方式。

·本地方式：由本地控制柜內設定一個(gè)時(shí)間周期

（運行時(shí)間和待機時(shí)間需設備安裝后現場(chǎng)調試時(shí)確定），粗格柵定時(shí)開(kāi)啟進(jìn)行清渣。

·遠程方式：由PCC根據程序的時(shí)間設定和前后液位差來(lái)決定粗格柵的開(kāi)啟和停止。

4.2.2 提升泵（三用一備，軟啟）

（1）現場(chǎng)控制：按鈕選擇現場(chǎng)控制則為手動(dòng)控制，不接受PCC控制，按控制柜上開(kāi)車(chē)按鈕，提升泵啟動(dòng)工作。選擇停止按鈕時(shí)設備停止運行。

（2）遠程方式：由提升泵依據集水池和膜池液位自動(dòng)起停開(kāi)啟臺數。

4.2.3 MBR池產(chǎn)水

系統由膜池和輔助設備間兩個(gè)單體組成，整個(gè)系統控制由以下4個(gè)子控制系統組成：

（1）產(chǎn)水系統：由產(chǎn)水流量計給出信號，PCC采集流量值，通過(guò)PID方式控制產(chǎn)水。該系統又分為4個(gè)相對獨立的產(chǎn)水系統，并聯(lián)運行。共用抽真空泵及在線(xiàn)清洗系統。

（2）反洗系統控制：由PCC控制全自動(dòng)的在線(xiàn)反洗程序，該系統4個(gè)出水廊道共用一套反洗系統。

（3）在線(xiàn)清洗系統控制：按膜污染情況在線(xiàn)完成。

（4）在線(xiàn)加藥系統控制：按水質(zhì)自動(dòng)在線(xiàn)加藥。

4.2.4 設備間

滲透抽吸泵受膜池液位和提升泵房集水池液位控制，當膜開(kāi)始產(chǎn)水，產(chǎn)水閥門(mén)打開(kāi)，滲透抽吸泵啟動(dòng)工作；當膜池低液位時(shí)，膜停止產(chǎn)水，滲透抽吸泵停止工作產(chǎn)水閥關(guān)閉。

產(chǎn)水流量受頻率控制，進(jìn)行產(chǎn)水。

膜組在產(chǎn)水過(guò)程中，氣動(dòng)產(chǎn)水調節閥開(kāi)啟，水反洗閥、真空閥、化學(xué)反洗閥關(guān)閉。

產(chǎn)水泵的控制

·產(chǎn)水泵遠程控制：按鈕選擇遠程控制按鈕，接受中央PCC控制。

·產(chǎn)水泵現場(chǎng)控制：按鈕選擇現場(chǎng)控制則為手動(dòng)控制，不接受PCC控制，按操作柱上開(kāi)車(chē)按鈕，產(chǎn)水泵啟動(dòng)工作。

4.2.5 鼓風(fēng)機

每臺鼓風(fēng)機配備軟啟，5用2備。

控制方式：現場(chǎng)手動(dòng)（中控室顯示其運行狀態(tài)）。

控制室監控：鼓風(fēng)機運行狀況。

鼓風(fēng)機有過(guò)流保護或軟起動(dòng)器故障報警。

4.2.6 加藥間

·卸料泵現場(chǎng)采用手動(dòng)控制（中控室顯示其運行狀態(tài)）。

·加藥間有高低液位自動(dòng)控制或人工現場(chǎng)控制。

·低位停止PAC計量泵；每個(gè)PAC溶液罐設高低2個(gè)液位，高低位報警；止溶解罐攪拌槳；

·每個(gè)PAC溶解罐設1個(gè)低液位，低位報警，并停

·助凝劑溶液罐設高低2個(gè)液位，高低位報警；低位停止助凝劑投加計量泵；

·助凝劑溶解罐設1個(gè)低液位，低位報警，并停止溶解罐攪拌槳；甲醇溶液罐設高低2個(gè)液位，高低位報警；低位停止甲醇計量泵。

4.3 上位機系統

4.3.1 控制功能

在中控室設置了兩臺工控計算機、一臺激光打印機、不間斷電源（UPS）等，并配套了相應的操作系統系統軟件、組態(tài)軟件、編程軟件和應用軟件。

工控計算機主要通過(guò)數據通訊網(wǎng)絡(luò )連續采集各PLC控制站送來(lái)的數據，并對其進(jìn)行處理、存儲和顯示，同時(shí)也具備對下位設備施控的功能。工控計算機帶有21"的彩色液晶監視器用來(lái)顯示工藝流程、設備狀態(tài)、過(guò)程參數和報警信息，同時(shí)可驅動(dòng)打印機生成各類(lèi)圖表和事件報警。工控計算機可適合連續的工作條件。

不間斷電源UPS用于停電情況下為監控計算機及打印機提供電源、記錄事故參數。連續供電時(shí)間30分鐘。

本工程中的工控計算機將與各PLC控制站通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現數據連接，數據傳輸速率為10/100Mbps。

4.3.2 顯示功能

監控系統以圖形或圖像的方式形象顯示工藝流程、各設備狀態(tài)以及廠(chǎng)區概貌、工藝布置圖。通過(guò)I/O輸入輸出域、棒圖、曲線(xiàn)、數據表格等方式監視液位、流量等監控點(diǎn)。

4.3.3 報警功能

系統自動(dòng)進(jìn)行報警和事件處理。當報警發(fā)生時(shí)，如液位超高或過(guò)低，系統可快速檢測并通過(guò)畫(huà)面狀態(tài)變化提示，并顯示報警文本，同時(shí)發(fā)出聲音報警提醒監控人員注意。報警到達時(shí)間、確認時(shí)間及排除時(shí)間、報警值、限位值、當前操作員等相應信息自動(dòng)進(jìn)入存檔。報警到達以及報警確認但未排除，采用兩種聲音提示。報警可手動(dòng)消音。報警信息存儲半年以上，以便進(jìn)行故障分析和查詢(xún)。操作事件等狀態(tài)變化也自動(dòng)進(jìn)行存儲歸檔。

4.3.4 數據歸檔

流量、污水處理量等數值按定義周期自動(dòng)進(jìn)行存儲。存儲的數據可按曲線(xiàn)或數據列表的方式進(jìn)行顯示。并提供歷史數據查詢(xún)、ZOOM顯示、觀(guān)察線(xiàn)、在線(xiàn)關(guān)閉打開(kāi)曲線(xiàn)、在線(xiàn)調整時(shí)間范圍、在線(xiàn)修整顯示模式等功能。存儲數據可保存13個(gè)月。

4.3.5 報表功能

報表系統將把重要過(guò)程數據定時(shí)記錄下來(lái)，寫(xiě)入數據庫，形成數據庫文檔，運行人員可依據相應的要求打印或預覽數據報表。

設定以下報表：

·生產(chǎn)報表

·日報表

報表既可以屏幕查看，也可以按要求打印輸出。

4.3.6 用戶(hù)管理

操作人員操作設備必須進(jìn)行登錄。根據不同操作人員的級別，系統自動(dòng)判斷封鎖操作人員所能進(jìn)行的操

作。當報警發(fā)生時(shí)，當前操作員被記錄存檔。系統根據用戶(hù)名和密碼顯示和控制屏幕上的畫(huà)面及操作。無(wú)權限的用戶(hù)只能瀏覽畫(huà)面，不能修改參數機設備控制。

5 總結

通過(guò)合理地使用貝加萊PCC系統，實(shí)現了大量數據的實(shí)時(shí)采集與設備控制，同時(shí)借助于貝加萊PCC的強加編程功能，完成復雜邏輯程序的編寫(xiě)及調試工作；分控室的設立，提高系統的穩定性同時(shí)降低事故損失。通過(guò)長(cháng)期的使用，較好地實(shí)現了貝加萊PCC系統與西門(mén)子之間的總線(xiàn)通訊，保持兼容性的同時(shí)降低系統成本。

作者簡(jiǎn)介：

王云偉 （1974-），男，山西人，本科，現就職于北京碧水源科技股份有限公司，主要從事水處理電控系統工作。

參考文獻：

[1] 安建峰. PLC自動(dòng)化控制系統在污水處理廠(chǎng)中的應用[J]. 科學(xué)與信息化, 2017.

[2] 蔡曉萍. PLC控制系統在污水處理廠(chǎng)的應用[J]. 杭氧科技, 2019.

[3] 貝加萊. X20 System User′s Manual[Z]. 2016.

[4] 林兵. 貝加萊X20PLC作為控制系統通信網(wǎng)關(guān)的應用[J]. 自動(dòng)化信息, 2010.

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年10月刊