控制网

     （许昌学院电气信息工程学院，河南 许昌 461000）李跃磊，王 武
                     
    李跃磊（1984-）男，河南许昌人，助教，主要从事实验室管理和实验教学研究。

    基金项目：河南省教育厅自然科学研究资助项目（2008A510014）

    摘要：针对传统污水处理过程自动化程度低，效率低下的具体特点，结合OMRON PLC 构建了分布式控制系统，分析了具体的工艺流程和模块设计，实现了可靠性高、控制灵活、扩展容易的自动化污水处理系统。

    关键词：污水处理；自动控制；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

    我国现有污水处理厂多数设计标准低，工艺技术和设备落后，污水处理的可变因素很多，水量、浓度、温度、气量、微生物状态、系统控制和机械运行情况等，都影响污水处理的功能和效率，建立高度自动化的污水处理厂，把废水重新利用，能有效地抑制污水污染和环境污染，符合中国21世纪可持续发展战略，己成为当今社会刻不容缓的任务[1]。而高效稳定的污水处理系统就是做好这一工作的保障。近几年来，我国新建城市污水处理厂和新增污水处理站大都采用了PLC 和现场总线技术，在污水处理项目中取得了成功的经验，取得了很好的污水处理效果。本文在某污水处理厂的工艺流程的基础上，结合具体工艺设计了污水处理厂的污水处理监控系统。

    2 污水处理系统构架

    污水处理常用的一般监控系统可分为两层。上层为中央控制室内的两台中心监控计算机，即上位机，通常是设置成两台计算机互为备用的形式。下层则为若干现场可编程控制器，它们分布在水处理厂中不同的位置，分别负责一部分设备的控制。被控设备，如阀门、泵、风机等都与可编程控制器的I/O相连，PLC通过输入和输出控制信号对其进行控制量采集和控制。上位机和现场可编程控制器之间则借助PLC通信网络来交换数据[2]。

    根据污水处理厂的生产工艺，整个污水处理过程可以分成三个模块[3]：

    （1）污水杂物的去除及预处理。

    （2）SBR池中进行污水的物理化学反应及水与污泥的分离。SBR法是序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reaotor）的简称，又名间歇曝气，它的主体构筑物是SBR反应池，污水在这个反应池中完成反应、沉淀、排水及排除剩余污泥等工序，使处理过程大大简化。

    （3）水的消毒及污泥烘干处理

    由于三个模块具有明显的分界性，所以设计了三个PLC站，即1#PLC站、2#PLC站和3#PLC站用于现场的过程控制。配置了两台上位监控机，对三个现场PLC站的运行状态进行实时监控。

    现场PLC站以2#PLC站为通讯主站，通过COM口与上位监控机通讯，另外两台PLC站则通过2#PLC主站与上位机进行通讯，上位机把读上来的数据信息经过处理后在画面上动态显示出来。整个系统是一个分散控制，集中管理的集散系统。

    3 OMRON PLC系统在水厂控制中的应用

    污水处理厂监控系统选用的是OMRON公司的C系列的中型C200H系列PLC，OMRON的C系列PLC是一种比较先进的可编程控制器。

    3.1 PLC 1# 控制站设计

    PLC 1#控制站设计是整个污水处理的第一步，主要完成两项工作：一是污水中大体积杂物如石头、稻草的祛除；二是控制集水井中的水位高度。粗格栅的设计从上图可以看出，污水通过进水口进入一个缓冲池，缓冲池中设有两个粗格栅，目的是将稻草之类的大型杂物排除出去，如图1 所示[4]。
                    
                                
                                        图1 PLC1#控制站结构图

    由于污水一般是工业污水和生活污水，其中杂物不需要每时每刻都进行处理。根据工程师的经验，设定粗格栅每隔2小时运行15分钟，且两个格栅不能同时工作，其工作时序如图2所示。
         
                             
                                     图2 PLC1#控制站粗格栅工作时序

    3.2 集水井水泵的控制

    经过粗格栅处理后的污水，汇集在集水井中，等待进一步处理。整个集水井大约可以存贮500立方米的污水。当污水达到一定高度时，必须将污水立即从集水井中输入到SBR池中。污水水位与投入运行的水泵有如下关系：在液位处于上升阶段，当水位超过1.2m时，投入一台水泵运行；水位超过1.45m时，投入两台水泵运：水位超过1.65m时，投入三台水泵运行；当水位超过2m时，四台水泵全部投入运行。在液位处于下降阶段，当水位低于1.65m时，关闭一台水泵；当水位低于1.45m时，关闭两台水泵；当水位低于1.2m时，关闭三台水泵；当水位低于0.5m时，必须关闭所有水泵。当碰到特殊情况时，比如某台泵发生过流故障时，下一台就必须自动切入。而若此时其它的泵都正在运行，则整个控制系统处于等待状态。当水泵修复后，只要还符合开泵条件，这台泵马上就可以投入运行。从上面的分析可知：液位的升降系数是控制水泵运行的关键因素。超声波液位仪利用超声波在空气中的传输速度和传输时间，可以比较准确地测量出液面的高度。四台水泵的顺序控制是整个集水井控制的关键。对于每一台水泵，共有3个控制继电器：过流保护、自动和退出自动、启动水泵和关闭水泵。节点分配见表1。

                               

    3.3 PLC 2# 控制站设计

    PLC 2#控制站是整个污水处理过程中最重要的一环。该处理过程主要完成两项工作；一是将集水井中流出的水在细格栅中进行过滤，把直径超过3cm的杂质进一步滤去，并暂时贮存在调节池中；二是集中控制SBR池中污水的物理化学反应，将水与污泥分离，基本达到清水的目的，整个2#PLC站的结构如图3所示[5]：
    
                                   
                                        图3 PLC2#控制站结构图 

    细格栅的控制过程设计原理与1#PLC站的粗格栅的控制原理基本类似，细格栅流出的水先暂存在调节池中。2#PLC时刻监视调节池中的贮水水位，并根据SBR池的运行情况决定需要开启哪几个提升水泵(tbl-tb3)和哪几个进水阀门(sml-sm3)。

    3.4 PLC 3# 控制站设计

    PLC 3# 控制站的工艺控制框图如图4所示，3#PLC主要完成两项任务：一是SBR中的输出的接近清水进一步加药处理，达到去除水中有毒的微生物，并使水质达到国家允许的排放标准；第二项任务是将SBR池中所排出的污泥也进行加药处理，并在污泥中加入一定量的化肥，最终将污泥烘干，使其成为一种可以用以农业的化肥土，为企业进一步赢得效益[6]。

    整个子系统的输入是I1、I2，其中，I1是取自SBR池中初步处理过的污水，I2是取自SBR池中沉淀下来的污泥。输出也有两个：一个是W21，即达标水；第二个是经脱水机的烘千、成块的污泥。
                               
                              
                                           图4 PLC3#控制站结构图

    3.5 通信网络设计

    整个控制系统采用何种通信方式是系统配置的关键。为了便于上位监控计算机以较高的通信速率与下层的各PLC交换信息，避免 “通信瓶颈” 问题，本文采用OMRON PLC厂家提供的配套网络硬件ControllLink通信模块。这样，上下层通信可以直接通过插在上位监控机和各PLC中的网络模块，设置相应的地址表，并借助简单的内部命令进行数据交换[7-8]。

    在本文介绍的污水处理厂的监控系统中，可以通过在上位机和各现场PLC之间插入ControllerLink模块进行通信。2#PLC是与上位机直接连接的主站，它的部分内存作为存放上位机与各现场PLC交换数据的公共区域 (即数据链接区，包括发送区和接收区)，网络上的可编程控制器和计算机不需要编制通信程序，就能通过网络地址表设定的链接(映射)共享数据。

    4 结束语

    本文构建了基于OMRON PLC 的污水处理自控系统，展开了工艺设计和详细的控制系统设计，根据工艺流程把整个系统分成三个子系统：进水子系统，氧化沟控制子系统，沉淀池子系统。

    该系统具有较好的扩展能力，系统应用程序设计简单，在物理上实现了真正的分散控制，使系统的危险性分散，可靠性提高。在今后的工作中，尚需进一步提高节能效果，同时给出各个模块的I/O资源详细说明，和具体的控制算法。

    其他作者：王武（1978-），男，甘肃兰州人，讲师，硕士，主要从事控制理论与控制工程、智能控制方向的研究。

    参考文献：

    [1] 王东云，牛正光. CompactLogix PLC 在污水处理系统中的应用[J]. 电子技术应用，2008，(6): 88-94.

    [2] 李忆，张莉娜. 污水处理工程中的自动控制系统[J]. 漳州师范学院学报，2006，1: 54-58.

    [3] 李建平，石奋苏. 基于Profibus-DP 总线的污水处理系统[J]. 微计算机信息，2009，(25): 52-54.

    [4] 俞金寿. 过程控制系统和应用[M] . 北京: 机械工业出版社. 2003.

    [5] 杨静. Quantum PLC 在电厂化学水处理控制中的应用[J]. 自动化与仪器仪表，2009，(4): 82-84.

    [6] 周文明，邹晓岚，熊胜利. 自动控制系统在水厂中的应用[J]. 自动化博览，1999.3:18-19.

    [7] 邵裕森，戴先中. 过程控制工程[M]. 北京: 机械工业出版社，2000.

    [8] 雷霖. PLC通信技术及其应用研究[J]. 自动化与仪器仪表，1999. 5: 25-27.

     摘自《自动化博览》2010年第五期