（許昌學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，河南 許昌 461000）李躍磊，王 武
                     
    李躍磊（1984-）男，河南許昌人，助教，主要從事實(shí)驗室管理和實(shí)驗教學(xué)研究。

    基金項目：河南省教育廳自然科學(xué)研究資助項目（2008A510014）

    摘要：針對傳統污水處理過(guò)程自動(dòng)化程度低，效率低下的具體特點(diǎn)，結合OMRON PLC 構建了分布式控制系統，分析了具體的工藝流程和模塊設計，實(shí)現了可靠性高、控制靈活、擴展容易的自動(dòng)化污水處理系統。

    關(guān)鍵詞：污水處理；自動(dòng)控制；PLC；分布式控制

    Abstract: The distributed control system for sewage disposal with OMRON PLC was constructed to replace the traditional sewage disposal one with low automation and low efficiency. The technological process and module design were analyzed. Control system for sewage disposal with high reliability, feasible control ability and extensibility is developed.

    Key words: Sewage disposal; Automatic control; PLC; Distributed control

    1 引言

    我國現有污水處理廠(chǎng)多數設計標準低，工藝技術(shù)和設備落后，污水處理的可變因素很多，水量、濃度、溫度、氣量、微生物狀態(tài)、系統控制和機械運行情況等，都影響污水處理的功能和效率，建立高度自動(dòng)化的污水處理廠(chǎng)，把廢水重新利用，能有效地抑制污水污染和環(huán)境污染，符合中國21世紀可持續發(fā)展戰略，己成為當今社會(huì )刻不容緩的任務(wù)[1]。而高效穩定的污水處理系統就是做好這一工作的保障。近幾年來(lái)，我國新建城市污水處理廠(chǎng)和新增污水處理站大都采用了PLC 和現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，在污水處理項目中取得了成功的經(jīng)驗，取得了很好的污水處理效果。本文在某污水處理廠(chǎng)的工藝流程的基礎上，結合具體工藝設計了污水處理廠(chǎng)的污水處理監控系統。

    2 污水處理系統構架

    污水處理常用的一般監控系統可分為兩層。上層為中央控制室內的兩臺中心監控計算機，即上位機，通常是設置成兩臺計算機互為備用的形式。下層則為若干現場(chǎng)可編程控制器，它們分布在水處理廠(chǎng)中不同的位置，分別負責一部分設備的控制。被控設備，如閥門(mén)、泵、風(fēng)機等都與可編程控制器的I/O相連，PLC通過(guò)輸入和輸出控制信號對其進(jìn)行控制量采集和控制。上位機和現場(chǎng)可編程控制器之間則借助PLC通信網(wǎng)絡(luò )來(lái)交換數據[2]。

    根據污水處理廠(chǎng)的生產(chǎn)工藝，整個(gè)污水處理過(guò)程可以分成三個(gè)模塊[3]：

    （1）污水雜物的去除及預處理。

    （2）SBR池中進(jìn)行污水的物理化學(xué)反應及水與污泥的分離。SBR法是序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reaotor）的簡(jiǎn)稱(chēng)，又名間歇曝氣，它的主體構筑物是SBR反應池，污水在這個(gè)反應池中完成反應、沉淀、排水及排除剩余污泥等工序，使處理過(guò)程大大簡(jiǎn)化。

    （3）水的消毒及污泥烘干處理

    由于三個(gè)模塊具有明顯的分界性，所以設計了三個(gè)PLC站，即1#PLC站、2#PLC站和3#PLC站用于現場(chǎng)的過(guò)程控制。配置了兩臺上位監控機，對三個(gè)現場(chǎng)PLC站的運行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。

    現場(chǎng)PLC站以2#PLC站為通訊主站，通過(guò)COM口與上位監控機通訊，另外兩臺PLC站則通過(guò)2#PLC主站與上位機進(jìn)行通訊，上位機把讀上來(lái)的數據信息經(jīng)過(guò)處理后在畫(huà)面上動(dòng)態(tài)顯示出來(lái)。整個(gè)系統是一個(gè)分散控制，集中管理的集散系統。

    3 OMRON PLC系統在水廠(chǎng)控制中的應用

    污水處理廠(chǎng)監控系統選用的是OMRON公司的C系列的中型C200H系列PLC，OMRON的C系列PLC是一種比較先進(jìn)的可編程控制器。

    3.1 PLC 1# 控制站設計

    PLC 1#控制站設計是整個(gè)污水處理的第一步，主要完成兩項工作：一是污水中大體積雜物如石頭、稻草的祛除；二是控制集水井中的水位高度。粗格柵的設計從上圖可以看出，污水通過(guò)進(jìn)水口進(jìn)入一個(gè)緩沖池，緩沖池中設有兩個(gè)粗格柵，目的是將稻草之類(lèi)的大型雜物排除出去，如圖1 所示[4]。
                    
                                
                                        圖1 PLC1#控制站結構圖

    由于污水一般是工業(yè)污水和生活污水，其中雜物不需要每時(shí)每刻都進(jìn)行處理。根據工程師的經(jīng)驗，設定粗格柵每隔2小時(shí)運行15分鐘，且兩個(gè)格柵不能同時(shí)工作，其工作時(shí)序如圖2所示。
         
                             
                                     圖2 PLC1#控制站粗格柵工作時(shí)序

    3.2 集水井水泵的控制

    經(jīng)過(guò)粗格柵處理后的污水，匯集在集水井中，等待進(jìn)一步處理。整個(gè)集水井大約可以存貯500立方米的污水。當污水達到一定高度時(shí)，必須將污水立即從集水井中輸入到SBR池中。污水水位與投入運行的水泵有如下關(guān)系：在液位處于上升階段，當水位超過(guò)1.2m時(shí)，投入一臺水泵運行；水位超過(guò)1.45m時(shí)，投入兩臺水泵運：水位超過(guò)1.65m時(shí)，投入三臺水泵運行；當水位超過(guò)2m時(shí)，四臺水泵全部投入運行。在液位處于下降階段，當水位低于1.65m時(shí)，關(guān)閉一臺水泵；當水位低于1.45m時(shí)，關(guān)閉兩臺水泵；當水位低于1.2m時(shí)，關(guān)閉三臺水泵；當水位低于0.5m時(shí)，必須關(guān)閉所有水泵。當碰到特殊情況時(shí)，比如某臺泵發(fā)生過(guò)流故障時(shí)，下一臺就必須自動(dòng)切入。而若此時(shí)其它的泵都正在運行，則整個(gè)控制系統處于等待狀態(tài)。當水泵修復后，只要還符合開(kāi)泵條件，這臺泵馬上就可以投入運行。從上面的分析可知：液位的升降系數是控制水泵運行的關(guān)鍵因素。超聲波液位儀利用超聲波在空氣中的傳輸速度和傳輸時(shí)間，可以比較準確地測量出液面的高度。四臺水泵的順序控制是整個(gè)集水井控制的關(guān)鍵。對于每一臺水泵，共有3個(gè)控制繼電器：過(guò)流保護、自動(dòng)和退出自動(dòng)、啟動(dòng)水泵和關(guān)閉水泵。節點(diǎn)分配見(jiàn)表1。

                               

    3.3 PLC 2# 控制站設計

    PLC 2#控制站是整個(gè)污水處理過(guò)程中最重要的一環(huán)。該處理過(guò)程主要完成兩項工作；一是將集水井中流出的水在細格柵中進(jìn)行過(guò)濾，把直徑超過(guò)3cm的雜質(zhì)進(jìn)一步濾去，并暫時(shí)貯存在調節池中；二是集中控制SBR池中污水的物理化學(xué)反應，將水與污泥分離，基本達到清水的目的，整個(gè)2#PLC站的結構如圖3所示[5]：
    
                                   
                                        圖3 PLC2#控制站結構圖 

    細格柵的控制過(guò)程設計原理與1#PLC站的粗格柵的控制原理基本類(lèi)似，細格柵流出的水先暫存在調節池中。2#PLC時(shí)刻監視調節池中的貯水水位，并根據SBR池的運行情況決定需要開(kāi)啟哪幾個(gè)提升水泵(tbl-tb3)和哪幾個(gè)進(jìn)水閥門(mén)(sml-sm3)。

    3.4 PLC 3# 控制站設計

    PLC 3# 控制站的工藝控制框圖如圖4所示，3#PLC主要完成兩項任務(wù)：一是SBR中的輸出的接近清水進(jìn)一步加藥處理，達到去除水中有毒的微生物，并使水質(zhì)達到國家允許的排放標準；第二項任務(wù)是將SBR池中所排出的污泥也進(jìn)行加藥處理，并在污泥中加入一定量的化肥，最終將污泥烘干，使其成為一種可以用以農業(yè)的化肥土，為企業(yè)進(jìn)一步贏(yíng)得效益[6]。

    整個(gè)子系統的輸入是I1、I2，其中，I1是取自SBR池中初步處理過(guò)的污水，I2是取自SBR池中沉淀下來(lái)的污泥。輸出也有兩個(gè)：一個(gè)是W21，即達標水；第二個(gè)是經(jīng)脫水機的烘千、成塊的污泥。
                               
                              
                                           圖4 PLC3#控制站結構圖

    3.5 通信網(wǎng)絡(luò )設計

    整個(gè)控制系統采用何種通信方式是系統配置的關(guān)鍵。為了便于上位監控計算機以較高的通信速率與下層的各PLC交換信息，避免 “通信瓶頸” 問(wèn)題，本文采用OMRON PLC廠(chǎng)家提供的配套網(wǎng)絡(luò )硬件ControllLink通信模塊。這樣，上下層通信可以直接通過(guò)插在上位監控機和各PLC中的網(wǎng)絡(luò )模塊，設置相應的地址表，并借助簡(jiǎn)單的內部命令進(jìn)行數據交換[7-8]。

    在本文介紹的污水處理廠(chǎng)的監控系統中，可以通過(guò)在上位機和各現場(chǎng)PLC之間插入ControllerLink模塊進(jìn)行通信。2#PLC是與上位機直接連接的主站，它的部分內存作為存放上位機與各現場(chǎng)PLC交換數據的公共區域 (即數據鏈接區，包括發(fā)送區和接收區)，網(wǎng)絡(luò )上的可編程控制器和計算機不需要編制通信程序，就能通過(guò)網(wǎng)絡(luò )地址表設定的鏈接(映射)共享數據。

    4 結束語(yǔ)

    本文構建了基于OMRON PLC 的污水處理自控系統，展開(kāi)了工藝設計和詳細的控制系統設計，根據工藝流程把整個(gè)系統分成三個(gè)子系統：進(jìn)水子系統，氧化溝控制子系統，沉淀池子系統。

    該系統具有較好的擴展能力，系統應用程序設計簡(jiǎn)單，在物理上實(shí)現了真正的分散控制，使系統的危險性分散，可靠性提高。在今后的工作中，尚需進(jìn)一步提高節能效果，同時(shí)給出各個(gè)模塊的I/O資源詳細說(shuō)明，和具體的控制算法。

    其他作者：王武（1978-），男，甘肅蘭州人，講師，碩士，主要從事控制理論與控制工程、智能控制方向的研究。

    參考文獻：

    [1] 王東云，牛正光. CompactLogix PLC 在污水處理系統中的應用[J]. 電子技術(shù)應用，2008，(6): 88-94.

    [2] 李憶，張莉娜. 污水處理工程中的自動(dòng)控制系統[J]. 漳州師范學(xué)院學(xué)報，2006，1: 54-58.

    [3] 李建平，石奮蘇. 基于Profibus-DP 總線(xiàn)的污水處理系統[J]. 微計算機信息，2009，(25): 52-54.

    [4] 俞金壽. 過(guò)程控制系統和應用[M] . 北京: 機械工業(yè)出版社. 2003.

    [5] 楊靜. Quantum PLC 在電廠(chǎng)化學(xué)水處理控制中的應用[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表，2009，(4): 82-84.

    [6] 周文明，鄒曉嵐，熊勝利. 自動(dòng)控制系統在水廠(chǎng)中的應用[J]. 自動(dòng)化博覽，1999.3:18-19.

    [7] 邵裕森，戴先中. 過(guò)程控制工程[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社，2000.

    [8] 雷霖. PLC通信技術(shù)及其應用研究[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表，1999. 5: 25-27.

     摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第五期