基于IPC

引言

污水的处理过程比较复杂,一些大型污水处理厂处理过程更为复杂,需要多个控制站对整个污水处理厂设备进行控制,采用大量的在线分析仪表对温度、液位、pH值、溶解氧浓度等进行监测,机械设备通常根据在线分析仪表检测的数据进行运行状态调整。一般来说,一个中小型污水处理厂需要控制的设备的点就有上百个甚至数百个。因此,为了使污水厂在最佳条件下运行,以及减少人力、物力的消耗,应对污水厂控制系统进行合理设计,以有效降低运行成本和管理成本。

为了提高整个污水厂的污水处理效率,降低运行成本,在上位机自动化监控界面对污水厂的生产工艺过程及主要设备的运行状态进行监视和控制,并将一些在线分析仪表的模拟量数据采集到上位机监控界面进行实时显示,这就需要把整个污水厂的机械设备和仪表按一定的逻辑和顺序与PLC相连,把机械设备和仪表的运行数据通过PLC控制站采集到上位机监控界面进行显示。根据设计要求,控制系统最后决定采用IPC+PLC的集散控制系统,把监控技术、计算机技术、控制技术和显示技术融合于控制系统的设计中。

1控制系统结构设计

污水处理厂整体工艺流程图如图1所示。

污水处理厂的仪器仪表和机械设备一般是购置于不同的生产设备厂商,而且还要考虑污水厂的后期扩建和升级改造,因此,在本项目中采用适用于中小型控制系统的IPC+PLC集散控制系统,把监控技术、计算机技术、控制技术和显示技术融合在一起,来完成对整个污水处理厂的运行和管理。

污水处理厂控制系统的整体结构如图2所示,系统自上而下由三层构成,分别是中央控制室、现场控制站以及就地控制站。

1.1中央控制室

中央控制室属于监控管理层,通常称为上位机,对污水处理厂的生产过程和工艺参数集成于组态软件iF1x上显示,便于对整个污水处理厂的运行状态进行监视和控制。

1.2现场控制站

根据污水处理过程的工艺要求以及本系统所采用的集散控制原则,在生产区内设置了两个控制站,分别负责各生产工艺阶段的参数采集以及设备运行控制。PLC1控制站和PLC2控制站使用工业以太网进行数据交换和共享,其中PLC1站使用的是西门子的s7一400PLC,PLC2的主站使用的是s7一300PLC。中控室配备有UPs电源进行持续不间断供电。

1.2.1第一分控站(PLC1)

PLC控制柜置于变电所中。PLC1控制站主要负责粗格栅、细格栅、进水泵房、沉砂池、氧化沟、消毒车间等工艺流程的自动化控制及数据采集。

1.2.2第二分控站(PLC2)

PLC控制柜置于污泥脱水车间。PLC2控制系统的组成相对复杂,涉及中央控制柜和控制子系统之间的通信,PLC2控制系统主要负责脱水车间仪器仪表设备、板框压滤机、石灰投加系统的自动化控制和仪器仪表数据采集。在PLC2控制系统中PLC2为主控PLC,负责第二分控站的整体过程工艺控制,从图2中可以看到,板框压滤机自带西门子s7一300PLC,石灰投加系统自带西门子s7一200PPC,两个子系统和主控PPC2之间通过ProfiBus一DP通信。触摸屏和主控PPC2之间的通信方式为工业以太网,使用触摸屏可以方便地在污泥脱水车间对现场的设备进行控制以及对工艺参数进行设定和修改。

1.3就地控制站

就地控制站主要包括一些执行单元以及各种在线仪器仪表,它们分散于不同的工艺流程中。执行单元受就地控制按钮箱、PPC控制柜上的按钮开关以及触摸屏的控制。在线分析仪表将现场采集到的流量、浓度、pH值信号转换为4~20mA的电流信号送到PPC模拟量输入模块(AI)端口,也可以使用ModBus数据采集模块通过Rs485通信方式对模拟量和数字量信号进行采集,通过AI或者ModBus模块将模拟量转换为CPU可以直接处理的数字量信号,然后送到中控室上位机显示。高压综合继电保护装置和低压综合智能测量装置通过标准MoDBUsTCPsPAVE连接到工业以太网,与计算机系统进行通信,将功耗信息采集到上位机组态界面,显示主要用电设备的功耗数据和污水厂的总功耗等。

2PLC1控制站系统设计

PPC1控制站设在变配电所,主要负责对粗格栅、提升泵房、细格栅、沉砂池、鼓风机房等生产工艺环节的控制,包括对各个车间内的仪器仪表进行数据采集等,主要控制的污水厂设备有:粗格栅机、提升泵、鼓风机等。

2.1PLC1主程序结构

在PPC1主程序中采用了子程序块调用的模块化设计,s7一400PPC工作方式为不断循环执行用户程序。PPC从sToP模式切换到RUN模式时,CPU执行启动操作程序。程序循环扫描过程如图3所示。

2.2粗格栅的控制

粗格栅间是污水处理的第一阶段,主要是拦截污水中的块状杂物,去除污水中的漂浮物和悬浮状污染物,调节污水的pH值,对污水进行初步净化,以减轻后续的污水处理负荷。

粗格栅间工作过程中有两个设备需要联动,一台是粗格栅机,另一台是螺旋输送机,其作用分别是过滤杂质及运输杂质。工作过程如下:通过超声波液位计测量液位差,把超声波液位计输出的4~20mA标准模拟量信号采集到PPC1控制站的AI模块,CPU模块对相应的程序和数据进行处理,和格栅间液位差的设定值进行对比,当所采集到的液位差达到设定值后,控制系统会自动开启粗格栅机进行除渣操作。在粗格栅间,螺旋输送机和粗格栅机联动运行,粗格栅机运行之前螺旋输送机按照编写的程序自动开启,螺旋输送机在粗格栅机停止一段时间之后自动停止。

粗格栅运行方式:

(1)液位差控制方式:粗格栅运行条件为采集到的格栅液位差计工程信号大于等于0.3m,当液位差降低至0.2m及其以下时,粗格栅机停止运行。

(2)时间控制方式:粗格栅机停止运行达到2h之后,再次开始运转,运转2h之后粗格栅机再停止运转2h,如果粗格栅机还是处于自动位置,控制方式为时间控制,往复按照此规律运行。

粗格栅机和螺旋输送机联动运行,启动粗格栅机时,按照编写的程序首先自动启动螺旋输送机,延时40s后粗格栅机启动;当粗格栅机停止工作之后,螺旋输送机延时80s停止运转。

当粗格栅机发生电机过载故障时,粗格栅机会将故障信号发送至PPC1控制站,在PPC1控制站和中央控制室均发出声光报警信号,出现故障的粗格栅机首先停止运转,延时80s后螺旋输送机停止运转,并关闭进水闸门,防止液位差超过允许上限。当螺旋输送机发生故障时,故障信号会发送至PPC1控制站,立即输出控制信号使粗格栅机停止运行,发出声光报警信号。粗格栅时间控制运行方式流程图如图4所示。

2.3提升泵的控制

提升泵房内有两台提升泵,其安装于进水池的底部,在提升泵房设有一套超声波液位计,用来监测提升泵房的液位信号,测量的液位信号以4~20mA的模拟量信号形式输入到PPC1控制站的AI模块,PPC控制系统会根据提升泵房内的液位变化来控制提升泵的开启数量。对提升泵开启数量的控制是通过事先在PPC中编好的程序来实现的,当泵房水位高于或低于某个设定值时,PPC控制系统将根据软件程序自动增加或减少水泵的运行台数。同时,系统也会自动累计每台提升泵的运行时间,自动对提升泵的运行进行轮换,保证泵的总运行时间基本相等,使两台提升泵始终处于最佳运行状态,延长泵的使用寿命。

污水提升泵的主回路系统中采用三相五线制供电方式,电动机均设置了良好的接地。提升泵电机的控制方式分为手动、自动两种,手动方式又分为现场控制箱按钮手动和监控手动,正常运行情况下,电机会进行PLC自动控制。

2.4鼓风机的控制

好氧池的溶氧仪实时测量污水中的Do浓度,然后将溶氧仪测量的模拟信号采集到PLC的AI,经过CPU比较、逻辑运算,输出信号控制鼓风机的开启和关闭。设定的氧化沟好氧池理想溶解氧浓度为2mg/L,对氧化沟好氧池的控制流程图如图5所示。

3PLC2控制站系统设计

PLC2控制站位于脱水车间,主要负责对来自二沉池的污泥进行污泥制备、脱水、泥饼外运处理,脱水车间内的主要设备有板框压滤机、污泥进料螺杆泵、污泥混凝池搅拌机、倾斜输送机、FeC13投加泵等。

3.1PLC2控制站电气原理设计

本污水处理系统严格按照GB50054一1995《低压配电设计规范》国家标准进行电气原理图设计,按照工艺流程中各个设备在车间的分布,分块设计电气原理图。

本系统采用三相五线供电方式,现场所有电机设备都有两种控制方式:就地按钮箱控制方式和自动控制方式。就地按钮箱控制方式需要在现场手动按下运行/停止按钮,正常情况下电机设备设置为自动控制方式。图6为PLC2控制站的动力柜电气原理图。

图6中,浪涌保护器用于对间接雷电和直接雷电影响或其他瞬时过压的电涌进行保护,注意其回路在布置时要与其他回路保持一定的距离:熔断器的作用是防止三相电压不平衡时击穿电源指示灯以及sw1旋转开关的触点:电压选择开关的作用是分别监视相电压和线电压的值是否处于正常范围:电流选择开关的作用是监视U、V、w各相电流值。

3.2板框压滤机逻辑控制

板框压滤机是脱水车间PLC2控制站的最主要工艺设备,可以对制备好的污泥进行脱水、压缩和泥饼外运处理。板框压滤机(PLC21从站)自带西门子s7-300PLC,通过ProfiBus-DP网络和主控PLC1进行通信。板框压滤机的控制分为四个控制流程,分别为进泥、污泥脱水、卸泥和滤布清洗。总的步序流程图如图7所示。

(1)板框压滤机准备就绪时,发送就绪信号至PLC2主控站,PLC2发起启动命令,并启动相应的污泥泵。当注泥压力达到设定值、污泥池液位过低、搅拌泵电机故障或者污泥螺杆泵慢速时,由PLC2控制停止污泥进料,结束进泥。

(2)脱水流程:脱水机启动隔膜挤压泵,进行污泥脱水,脱水结束之后进行泄压。

(3)卸泥流程:卸泥过程中不需要人工进行干预,板框压滤机PLC21自动完成,板框压滤机自带监控报警系统。

(4)滤布清洗流程:高压清洗泵处于自动控制状态时,由板框压滤机PLC21发出请求信号,PLC2主控站启动高压清洗泵,清洗结束时停止。若在运行过程中,清洗水箱处于低液位,则停止高压清洗泵,并发出报警。旁通阀处于自动控制状态时,由板框压滤机PLC21发出请求信号开启,在滤布清洗时打开,清洗结束后关闭。

3.3脱水车间PLC2控制站软件实现

PLC2控制站的PLC主程序设计结构和PLC1控制站基本相同,都是采用子程序块调用的模块化设计。

脱水车间PLC2控制站主要是对开关量和模拟量的数据采集和输出控制,开关量的控制主要是根据用户编写的程序对车间的各个设备进行逻辑控制。本项目中主要是实现主控PLC对变频器和电磁流量计模拟信号的采集以及PLC模拟量输出控制变频器的频率,其中模拟量输入/输出信号均采用4~20mA的标准电流信号。

据图8可以得出PLC对1#污泥泵变频器数据采集、处理和输出过程。首先变频器4~20mA输出信号输入到PLC的AI模块,经过A/D转换为整形数(存放于PIw304中),在PLC程序内部对相应的信号进行处理之前,需要将该整形数转换成对应变频器量程的实际物理值MОoHОZU(位于DB1数据块内),此时需要FC105功能块实现其功能。然后,当实际物理值处理完毕输出时,需要把实际的物理值MОoHОZU转换为整形数(存放于P0w320中),此时需要FC106功能块实现其功能。最后,经过AО模块的D/A转换器将数字量信号转换为4~20mA标准信号输出到变频器,根据变频器频率的变化来控制污泥泵设备。

3.4上位机监控系统设计

上位机实时监控界面是本污水处理控制系统主要的人机交互界面。污水厂控制系统设计项目所使用的上位机组态软件为GE公司的iFIx4.0,实现了生产现场的可视化。

实现iFIx上位机监控软件与西门子PLC的通信,通常是使用ОPC服务器收集现场设备PLC的数字量信号和模拟量信号,通过标准的ОPC接口把数据信息传送到ОPC客户端。iFIx和西门子s7-300/400PLC的通信是通过simaticNetОPC服务器来实现的。

4结语

污水处理自动控制技术是国家大力发展的有效保护生态环境的重要技术,污水处理厂作为工业生产和城市污水处理的重要部门,对水资源的保护和污水的循环利用起到了非常重要的作用。本文结合实际污水处理项目,从系统的整体结构、软硬件配置,主要机械设备的工作流程图、控制程序以及上位机组态界面运行实现等几个方面,对污水处理控制系统的设计进行了全面阐述。本项目中的污水处理控制系统达到了预期效果,对整个污水处理生产工艺过程实现了监控和管理。整个控制系统已安装调试完毕并顺利投产,且运行安全、可靠。