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    1 引言

    大連開發(fā)區(qū)污水處理一廠于1988年建廠。污水廠分兩期實(shí)施建成，總設(shè)計(jì)規(guī)模8萬m3/d。一期工程設(shè)計(jì)規(guī)模3.5萬m3/d，二期工程設(shè)計(jì)規(guī)模4.5萬m3/d。一期工程設(shè)計(jì)出水達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。二期工程為升級(jí)改造工程，出水執(zhí)行的排放標(biāo)準(zhǔn)將由原二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)提高到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，其主要控制指標(biāo)可達(dá)到“再生水用作工業(yè)用水水源的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)”以及“景觀環(huán)境用水的再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)”的觀賞性景觀環(huán)境用水中的河道類標(biāo)準(zhǔn)。該污水處理廠升級(jí)改造控制系統(tǒng)的全套硬件設(shè)備及軟件由和利時(shí)公司提供，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作由大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司完成。

    2 污水深度處理的工藝升級(jí)改造方案

    大連開發(fā)區(qū)污水處理一廠的工藝升級(jí)改造方案由五部分組成：一級(jí)處理系統(tǒng)、二級(jí)處理系統(tǒng)、深度處理系統(tǒng)、污泥處理系統(tǒng)及除臭系統(tǒng)。一級(jí)處理系統(tǒng)包括總進(jìn)水閘門、粗格柵、進(jìn)水提升泵池、細(xì)格柵及曝氣沉砂池。

    二級(jí)處理系統(tǒng)采用改良A2/O生物除磷脫氮處理工藝，并且不設(shè)置初沉池，以便提高生物池進(jìn)水中的碳源。生物反應(yīng)池采用預(yù)缺氧池、厭氧池、缺氧池、好氧池，進(jìn)水按一定的比例分別進(jìn)入到厭氧池和缺氧池中，這樣即使在進(jìn)水C/N比較低（2.3～3.0）的條件下，仍不需要外加的碳源就能達(dá)到脫氮的效果。在好氧池中填充采用特殊結(jié)構(gòu)的纖毛狀生物膜填料，使附著微生物濃度高，這樣能同時(shí)利用附著在纖毛狀生物膜填料上的固定相微生物和浮游流動(dòng)相微生物，在較短的停留時(shí)間（HRT=5～7hr）內(nèi)去除有機(jī)物、氮和磷。纖毛狀生物膜填料呈直毛狀形態(tài)，微生物的附著和脫落達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，不產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，固定世代繁殖時(shí)間長的硝化菌，提高硝化反應(yīng)速度。附著微生物中吞噬污泥的原生動(dòng)物（vorticella、aspidisca等）和后生動(dòng)物（rotaria、collurella等）共存，從而減少污泥量。這樣即使在冬季10℃以下的進(jìn)水溫度下，由于附著微生物的水膜現(xiàn)象，仍能有效地同步去除氮和磷。

    深度處理系統(tǒng)采用渦旋混凝沉淀+轉(zhuǎn)盤過濾池處理工藝。處理后出水消毒，采用紫外消毒工藝。

    污泥處理系統(tǒng)采用離心濃縮脫水一體機(jī)對污泥濃縮脫水后，外運(yùn)填埋。

    除臭系統(tǒng)由兩座土壤脫臭床組成，分別為粗格柵、進(jìn)水提升泵池、細(xì)格柵間及污泥脫水間服務(wù)。同時(shí)設(shè)置異味除臭機(jī)，作為輔助除臭設(shè)施。

    3 污水深度處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

    基于LK系列PLC在污水處理廠升級(jí)改造污水深度處理控制系統(tǒng)中應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則。

    （1）可用性和可靠性

    系統(tǒng)組件的設(shè)計(jì)符合真正的工業(yè)等級(jí)，控制系統(tǒng)能在嚴(yán)格的工業(yè)環(huán)境下長期、穩(wěn)定地運(yùn)行，盡可能降低控制系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)，保證能源收益，確保水處理廠7×24小時(shí)的不間斷供水服務(wù)。

    PLC控制站一般設(shè)于高電磁干擾環(huán)境，如提升泵房、鼓風(fēng)機(jī)房等， 基于LK系列PLC的控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的電磁兼容性，系統(tǒng)采用各種隔離、抗干擾設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)能在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。

    水處理環(huán)境可能因遭受污染并加速設(shè)備中電子元件的老化，基于LK系列PLC可提供特殊的保護(hù)工藝（保護(hù)涂層）的模塊，提高元件在腐蝕性化學(xué)品和腐蝕性環(huán)境中的使用壽命，避免意外停機(jī)，降低維護(hù)成本。

    （2）開放性和兼容性

    基于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的通訊網(wǎng)絡(luò)可非常方便地將第三方設(shè)備接入，如加藥系統(tǒng)、紫外線消毒、及污泥脫水機(jī)等，允許大量過程反饋信息傳輸，支持設(shè)備參數(shù)訪問功能，可提高系統(tǒng)的性能與診斷能力。

    該控制系統(tǒng)不僅支持與各種上位監(jiān)控軟件的通訊，例如iFIX、INTOUCH、組態(tài)王、MCGS、力控等，而且支持與主流品牌觸摸屏的通訊，例如Pro-Face、HITECH、eView、Weinview、nTou。只要HMI支持標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議，都可以很方便的進(jìn)行連接。

    強(qiáng)大的擴(kuò)展功能可為遠(yuǎn)期擴(kuò)容、升級(jí)改造預(yù)留接口及容量。

    （3）過程診斷和在線維護(hù)

    提供的強(qiáng)大診斷功能，能夠方便、高效訪問相關(guān)信息，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致故障的根本原因以及需要修正的過程參數(shù)等，以便提前發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中存在的問題，可以避免設(shè)備意外停機(jī)，從而降低運(yùn)營成本。

    操作站安裝上位監(jiān)控組態(tài)軟件HollyView6.53及LK編程軟件PowerPro V4，具有強(qiáng)大的功能，可方便、直觀地進(jìn)行上位機(jī)組態(tài)和PLC編程，且支持在線下載、在線修改以及離線仿真調(diào)試等功能。

    4 污水深度處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    4.1概述

    污水處理廠升級(jí)改造控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于現(xiàn)代先進(jìn)控制思想，采用分散控制、集中監(jiān)測管理的控制方式，以和利時(shí)公司LK系列PLC為核心的控制系統(tǒng)。基于LK系列PLC應(yīng)用于污水處理廠，完全能滿足A2/O生物除磷脫氮處理工藝控制的要求，提供了一種高可靠性、低成本、更優(yōu)化的控制方案。

    LK系列PLC是和利時(shí)公司在總結(jié)十多年控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和幾千個(gè)工程項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上推出的適用于中、高性能控制領(lǐng)域的產(chǎn)品，CPU模塊集成工業(yè)級(jí)處理器（主頻可達(dá)533MHz），指令處理速度可達(dá)13ns。相對傳統(tǒng)PLC而言，LK可編程控制器充分融合了DCS和PLC的優(yōu)點(diǎn)，采用了高性能的模擬量處理技術(shù)、小型化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、通用的系統(tǒng)平臺(tái)、使產(chǎn)品不僅具有強(qiáng)大的功能和卓越的性能，而且具有更高的可靠性、更佳的開放性和易用性。

    4.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，系統(tǒng)由1個(gè)中央控制室和6個(gè)現(xiàn)場PLC控制站組成。現(xiàn)場PLC控制站，由PLC系統(tǒng)及檢測儀表組成，對各工藝過程進(jìn)行分散控制；再由中央控制室，對全廠實(shí)行集中管理。中央控制室、PLC控制站之間的數(shù)據(jù)通訊采用高速的、實(shí)時(shí)的工業(yè)以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為星形，通訊速率為100Mbps，傳輸介質(zhì)為光纖。

          

                                          圖1 結(jié)構(gòu)原理圖

     6個(gè)現(xiàn)場PLC控制站分配如表1所示。

     表1 PLC控制站功能分配

    

    整個(gè)系統(tǒng)采用二級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即生產(chǎn)管理網(wǎng)和生產(chǎn)控制網(wǎng)，將過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、運(yùn)行操作監(jiān)視數(shù)據(jù)信息同非實(shí)時(shí)信息及共享資源信息分開，分別使用不同的網(wǎng)絡(luò)。有效地提高了通訊的效率，降低了通訊負(fù)荷。生產(chǎn)管理網(wǎng)采用工業(yè)以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為星形，傳輸介質(zhì)為光纖。生產(chǎn)控制網(wǎng)采用現(xiàn)場總線形式，采用PROFIBUS國際通用的開放式現(xiàn)場總線，傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線。

    污水處理廠升級(jí)改造控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三種控制方式，三種方式的級(jí)別由高到低依次為就地手動(dòng)、遠(yuǎn)程手動(dòng)、遠(yuǎn)程自動(dòng)。

    PLC控制站主要監(jiān)控參數(shù)有：溫度、壓力、流量、液位、pH值、ORP（氧化還原）、DO（溶解氧）、COD（化學(xué)需氧量）、MLSS（污泥濃度）、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及設(shè)備運(yùn)行控制等。

    4.3系統(tǒng)功能及軟件實(shí)現(xiàn)

    和利時(shí)公司的上位監(jiān)控組態(tài)軟件HollyView6.53及LK編程軟件PowerPro V4提供了強(qiáng)大的軟件編程及系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。

     （1）權(quán)限管理

     操作員進(jìn)入系統(tǒng)使用密碼：系統(tǒng)提供分級(jí)的用戶進(jìn)入密碼系統(tǒng)，所以低級(jí)操作員只能進(jìn)入基本操作功能，同時(shí)較高級(jí)別的操作人員，按照不同的密碼，可進(jìn)入不同的系統(tǒng)組態(tài)功能。

     提供12級(jí)的密碼：一旦操作員提供了正確的密碼，他可以修改他的密碼，而他的權(quán)限不能發(fā)生變化。 

     （2）流程圖

     LCD畫面為操作員了解生產(chǎn)過程狀態(tài)提供了顯示窗口，并能支持以下幾類畫面：

     總貌畫面：顯示系統(tǒng)各設(shè)備，裝置，區(qū)域的運(yùn)行狀態(tài)以及全部過程參數(shù)變量的狀態(tài)，測量值、設(shè)定值、控制方式（手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)）、高低報(bào)警等信息，從各顯示塊可以調(diào)出其它畫面。

     分組畫面：以模擬儀表的表盤形式按事先設(shè)定的分組，同時(shí)顯示幾個(gè)回路的信息， 如過程參數(shù)變量的測量值，調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，輸出值控制方式等。變量每秒更新一次，分組可任意進(jìn)行，操作員可從分組畫面調(diào)出任一變量（模擬量或離散量）的詳細(xì)信息。

     單點(diǎn)畫面（調(diào)整畫面）：顯示一個(gè)參數(shù)，控制點(diǎn)的全部信息以及實(shí)時(shí)趨勢和歷史趨勢，從調(diào)整畫面也可直接對模擬回路進(jìn)行設(shè)定，調(diào)整操作。

     流程圖顯示如圖2所示。

           

                                  圖2 流程圖

     （3）趨勢功能

     操作員可通過菜單或按鈕進(jìn)入實(shí)時(shí)曲線畫面或歷史曲線畫面，可選擇需要的工藝參數(shù)查看實(shí)時(shí)曲線或歷史曲線，可同時(shí)顯示多條實(shí)時(shí)曲線，可對曲線進(jìn)行放大或縮小，可任意選擇需要查看的時(shí)間段。

     根據(jù)采集到的信息，建立各類信息數(shù)據(jù)庫并對各類工藝參數(shù)值作出趨勢曲線（含歷史數(shù)據(jù)），供調(diào)度員分析比較，以便找出污水廠的最佳運(yùn)行規(guī)律，分析事故原因，改進(jìn)管理方法，保證出水水質(zhì)，提高經(jīng)濟(jì)效益。
 
     記錄生產(chǎn)所要求的所有參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，記錄時(shí)間不小于一個(gè)月，并可根據(jù)要求任意設(shè)置。對重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線存儲(chǔ)。可以通過歷史報(bào)表或者歷史趨勢曲線的方式來檢索歷史數(shù)據(jù)。

     趨勢功能顯示如圖3所示。

          

                             圖3 趨勢功能圖

     （4）報(bào)警功能

     報(bào)警設(shè)有優(yōu)先級(jí)管理，任意管理均在屏幕上顯示，顯示所有報(bào)警列表及報(bào)警的詳細(xì)內(nèi)容。監(jiān)控計(jì)算機(jī)的顯示畫面的頂部或底部應(yīng)設(shè)置一個(gè)報(bào)警條。在報(bào)警條內(nèi)顯示最近三個(gè)報(bào)警未消失未被確認(rèn)報(bào)警的詳細(xì)內(nèi)容，操作員通過畫面切換選擇報(bào)警表，報(bào)警表內(nèi)顯示中控操作站計(jì)算機(jī)中配置的所有報(bào)警列表及報(bào)警的詳細(xì)內(nèi)容。報(bào)警功能顯示如圖4所示。

          

                           圖4 報(bào)警功能圖

     （5）操作記錄

     系統(tǒng)發(fā)生的較大情況（如設(shè)備故障、越限報(bào)警、大型設(shè)備的啟停等情況）或操作人員對設(shè)備的操作、參數(shù)的調(diào)整，可通過事件記錄功能記錄下這些情況和操作過程作為今后分析事故的基礎(chǔ)資料。事件記錄的內(nèi)容包括各種事件信息、事件發(fā)生時(shí)的用戶、事件發(fā)生的時(shí)間等。

     （6）報(bào)表打印

     系統(tǒng)自動(dòng)記錄各種工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)，將所有數(shù)據(jù)歸納匯總形成報(bào)表，報(bào)表可定時(shí)打印或召喚打印，操作員也可通過菜單或按鈕進(jìn)入報(bào)表畫面查看歷史報(bào)表。

     自動(dòng)生成的生產(chǎn)報(bào)表（班/日/月）供生產(chǎn)管理之用，機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)六個(gè)月的信息量。采用了DDE技術(shù)，從而使用戶能夠直接使用Excel編制報(bào)表，借助Excel的強(qiáng)大功能，用戶可以隨心所欲地編制各種各樣的報(bào)表。可以是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的報(bào)表，也可以是歷史數(shù)據(jù)的報(bào)表。

     5結(jié)束語

     本文論述了基于LK系列PLC在污水處理廠升級(jí)改造項(xiàng)目中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，充分發(fā)揮了LK系列PLC配置靈活、控制可靠、開放性強(qiáng)和在線維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，為整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保障，達(dá)到了減少對大氣環(huán)境、海域環(huán)境及噪聲環(huán)境的影響，對大連市的環(huán)境保護(hù)創(chuàng)造了良好條件。