摘 要        本文介紹了和利時公司LK系列PLC在大孤山污水處理廠自動控制系統中的應用，描述了基于改良A²/O生物除磷脫氮處理工藝下的工藝、控制系統設計原則、控制系統設計及功能實現等。

Abstract  This paper describes the transformation of advanced waste water  treatment control system upgradeandprofits when the Hollysys companyLKseriesPLC in theDalianDevelopment Zone DaGushan ,the sewagetreatment factory, and describes theprocess based  on a modified A2 / O biological phosphorus and nitrogen removalprocessunder  upgradingprogram, theprinciple of controlsystemdesign, control system design and function to achieve.

關鍵詞       LK系列PLC；污水處理廠升級改造

Keywords   LK series PLC; sewage treatment plant upgrade

1．引言

大孤山污水處理廠一期是一個以處理工業污水為主的城市污水處理廠，近期處理能力2×104 m³/d，遠期達到7×104 m³/d。2008年7月建成近期2×104 m3/d的污水處理廠投產。大孤山污水處理廠主要的處理工藝為：厭氧+好氧+沉淀+曝氣生物濾池+混凝+絮凝+氣浮+消毒，占地面積5.616公頃。原2×104 m3/d水廠，其出水水質只能達到《污水綜合排放標準》（GB8978-1996）中的一級B標準，不能達到《遼寧省污水綜合排放標準》（DB 21/1627-2008）中規定一級A標準”。因此，大連開發區大孤山污水處理廠擴建、改造工程的建設，是實現排放標準要求的必要措施。

 設計規模確定為7萬m³/日。

（2）根據現有水廠實際進水水質監測數據以及遼寧省頒布的《污水綜合排放標準》的要求，確定設計進、出水水質為：

表1-1   大孤山污水污水處理廠進、出水水質

出水指標達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中一級標準的A標準。

2.工藝方案   

一級處理：新建粗格柵、增加提升泵數量、新增細格柵及曝氣沉砂池。

水解酸化池：新增水解酸化池一座。

生化處理：新建生化池，處理規模為5.0×10⁴m³/d，改良A2O生物池由預缺氧區、厭氧區、缺氧區及好氧區組成。預缺氧區、厭氧區和缺氧區設有潛水攪拌機；好氧區設有曝氣頭，預缺氧區及厭氧區。每座池好氧池出水端設有4臺內回流泵，3用1備。混合液回流至缺氧區。回流污泥由進水渠首端進入預缺氧區。生物池曝氣氣源來自鼓風機房，每根曝氣干管上設有一個電動空氣調節閥，根據生物池內DO值，調節曝氣量，以滿足工藝要求，并達到節能的目的。

二沉池：二沉池為周進周出輻流式二沉池，為鋼筋混凝結構。共兩座，并聯運行。

配水井及污泥回流泵房：配水井及污泥回流泵房為鋼筋混凝土池雙層結構。上層作為二沉池進出水配水池，生物池來水均勻配水至兩個沉淀池。下層為污泥回流泵、剩余污泥泵泵池，分別將污泥輸送至預缺氧池和污泥貯池。

深度處理：新建深度處理車間一座，內設混凝沉淀、轉盤過濾、紫外消毒及加藥間。

污泥處理：新建污泥貯池及污泥脫水間。污泥脫水采用濃縮脫水一體機。

工藝流程框圖

3.自控儀表設計

3.1設計原則

根據工藝方案對自控儀表系統的要求和運行管理經驗，全廠的自控系統由計算機控制管理系統和儀表檢測系統兩大部分組成。前者遵循“集中管理、分散控制、資源共享”的原則，后者遵循“工藝必需、先進實用、維護簡便” 的原則。

3.2系統方案

大孤山污水處理廠處理工藝為改良A20工藝。為了保證污水處理過程的安全可靠和生產的連續性，提高自動化水平，并適應整個污水處理工藝需要，采用以和利時公司HOLLiAS LK大型PLC為主的集中和分散相結合的自動化控制系統，實現對全廠工藝參數、電氣參數和設備運行狀態進行監測、控制、連鎖和報警以及報表打印，通過使用在主站和遠程站間的一系列通訊鏈，完成整個污水廠工藝流程所必需的數據采集，數據通訊，順序控制，時間控制，回路調節及上位監視和管理作用。在滿足工藝流程的要求之外，還能實現污水廠的安全生產，提高生產管理水平。

LK系列PLC是和利時公司在總結十多年控制系統設計和工程項目實施經驗基礎上推出的適用于中、高性能控制領域的產品，CPU模塊集成工業級處理器（主頻可達533MHz），指令處理速度可達13ns。相對傳統PLC而言，LK可編程控制器充分融合了DCS和PLC的優點，采用了高性能的模擬量處理技術、小型化的結構設計、開放的工業標準、通用的系統平臺、使產品不僅具有強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。

整個系統設1個中央控制室、4個現場PLC控制站組成。現場PLC控制站，由可編程序控制器（PLC）系統及檢測儀表組成，對污水處理廠各工藝過程進行分散控制；再由中央控制室（CCR），對全廠實行集中管理。中央控制室、PLC控制站之間的數據通訊采用高速的、實時的工業以太網，網絡結構為環形，通訊速率為100Mbps，傳輸介質為光纖。系統整體性能具有如下特點：

1）先進性

設計中不僅采用了目前世界上先進的主流產品，而且著眼于企業“管控一體化”的需求，貫徹了數字化、信息化環保的先進思想，使企業生產數據的進一步智能應用成為現實。該方案使控制系統有機地成為企業整個IT架構的一部分。采用先進的計算機控制系統，主要用于污水廠的生產控制、運行操作、監視管理。控制系統配有可靠的硬件設備，和功能強大，運行可靠，界面友好的系統軟件、編程軟件和控制軟件。

2）可靠性

控制系統在嚴格的工業環境下長期、穩定地運行。系統組件的的設計符合真正的工業等級，滿足國內、國際的安全標準。并且易配置、易接線、易維護、隔離性好，結構堅固，抗腐蝕，適應較寬的溫度變化范圍。

3）強大功能

PLC的編程語言符合IEC61131-3標準，易學、易懂、易用。CPU內置軟PID，并提供了豐富的指令集及函數庫，用戶直接調用。高速工業以太網作為系統的骨干網絡，實現高速數據傳輸、高度數據共享。組態軟件圖庫豐富，網絡功能強大，報警、報表、歷史數據以及二次開發功能完善而易用。

4）故障診斷

完整的自診功能，可以在運行中自動地診斷出系統的任何一個部件是否出現故障，并且在監控軟件中及時、準確地反映出故障狀態、故障時間、故障地點、及相關信息。在系統發生故障后，I/O的狀態返回到系統根據工藝要求預設置的狀態上。

5）擴展性和兼容性

TCP/IP協議是目前開放性最好的協議，可以輕松進行系統擴展。監控系統的數據庫結構應為面向對象的，實時式，關系型數據庫。系統對數據變化響應可達到1毫秒。操作系統和監控軟件具有冗余和容錯及災難性恢復等功能。組態軟件支持DDE、OPC、ODBC、SQL，且提供豐富的API編程接口，同時也為世界各PLC廠商提供了完善的驅動程序庫，從而可以將其它系統輕松接入本系統。

3.3系統結構

大孤山污水處理廠自動化控制系統分為三級管理，包括生產管理級、現場控制級及就地控制級。現場各種數據通過PLC系統進行采集，并通過主干通訊網絡——工業以太網傳送到中央控制室監控計算機集中監控和管理，傳輸介質為光纖，通訊速率為100Mbps。中央控制室監控計算機的控制命令也通過上述通道傳送到PLC的測控終端，實施各單元的分散控制。現場與中央控制室之間通過高速工業以太網連接，高速工業以太網采用開放式的總線結構，以便于實現近遠期系統的無縫對接。

1）生產管理級（中央控制室）

中央控制室設兩套互為熱備的監控操作站、兩臺打印機、一套UPS電源。這兩套監控操作站為冗余配備，可以分別側重監測或組態功能，故障時互為備用，具有靈活的運行方式。并且可與分布在廠內其它位置的計算機（如廠長辦公室、總工室、化驗室等）便地通過局域網與之相連，實時監控現場各工藝過程的生產運行狀況；主要完成對污水處理廠的管理、調度、集中操作、監視、系統功能組態、控制參數在線修改和設置、記錄、報表生成及打印、故障報警及打印，對實時采集的數據進行處理，控制操作以及分析統計等功能。通過高分辨率液晶顯示器及投影儀可直觀地動態顯示全廠格工藝流程段的實時工況、各工藝參數的趨勢畫面，使操作人員及時掌握全廠運行情況。

2）現場控制級（PLC控制站）

現場控制站配置控制柜。柜內包括和利時公司HOLLiAS LK系列可編程序控制器、24VDC電源裝置、光纖以太網交換機、過電壓保護裝置、小型繼電器、安裝連接線纜及附件等。按照生產區域、功能和MCC的分配狀況劃分為五個控制區域，各控制區域設置一套現場控制站。分別為預處理工段、生物處理工段、二沉池及污泥泵房、污泥脫水間、深度處理間，負責每個工藝段的設備自動控制。

現場控制級接受生產管理級的調度，但并不依賴于生產管理級而運行：若監控計算機出現故障或者并沒有投入使用或者通信網絡出現故障，現場控制站仍繼續正常工作，對整個工藝過程沒有影響。

3）就地控制級（現場按鈕箱）

將現場控制箱上的“就地/遠程”旋鈕切換至“就地”位置，通過箱上的“啟動/停止”按鈕實現就地手動控制。

3.4控制方式

大孤山污水處理廠自動化控制系統控制方式設計為現場設備就地手動控制、計算機控制系統遠程手動控制、計算機控制系統遠程自動控制三種控制方式。三種方式的級別由高到低依次為就地手動控制、遠程手動、遠程自動。

1）就地手動模式：設備的現場控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠程”開關選擇“就地”方式時，通過現場控制箱或MCC控制柜上的按鈕實現對設備的啟/停、開/關操作。設備的急停按鈕或其他保護和安全連鎖裝置(如:過載保護、溫度及液位保護等)必須是硬線連接至電氣控制回路，不受方式選擇開關的限制。現場控制箱（柜）在開關在“手動”位置時，設備為離線方式，PLC不能對設備進行任何控制。

遠程手動模式：即遠程手動控制方式。現場控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠程” 開關選擇“遠程”方式時，操作人員通過操作終端（HMI）或中控系統操作站的監控畫面用鼠標器或鍵盤選擇“手動”方式并對設備進行啟/停、開/關操作。

2）遠程自動：現場控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠程”開關選擇“遠程”方式，且現場控制站的“自動/手動”設定為“自動”方式時，設備的運行完全由各PLC根據供水廠的工況及生產要求來完成對設備的運行或開/關控制，而不需要人工干預。

3.5系統網絡

大孤山污水處理廠自控系統是開放的控制系統，中央控制室、PLC控制站之間的數據通訊采用高速的、實時的工業以太網，網絡結構為環形，通訊速率為100Mbps，傳輸介質為光纖。在出現故障時，再現增加或刪除任意一個節點，都不會影響到其他設備的運行和通訊。它除了具有良好的網絡通訊能力外，還具有與其它控制系統通訊功能和標準的對外通訊接口，以后可以任意擴展。

為提高網絡通訊的效率，在中控室設置以太網交換機，交換機的通訊機理可以保證各節點之間互不干擾。中控室內部監控計算機和綜合樓內其他計算機采用屏蔽雙絞線連接到交換機，網絡速度為100Mbps；交換機與現場PLC站的連接為鎧裝光纖。這種網絡結構完全可以滿足污水處理廠運行的要求。

3.6系統功能

3.6.1中央控制室功能

中央控制室監控計算機是操作員監控及獲取數據的平臺，和利時公司的上位監控組態軟HollyView6.53及LK編程軟件PowerPro V4提供了強大的軟件編程及系統功能的實現。系統包括以下功能：管理權限、實時工藝流程圖顯示、故障報警、實時曲線、歷史曲線、參數設置、調節回路顯示、事件記錄、畫面切換及報表處理等功能。

3.6.2現場PLC控制站功能

1)         按控制程序對所轄工段內的工藝過程、電氣設備進行自動控制，同時采集工藝參數，電氣參數及電氣設備運行狀態。

2)         通過通信網絡與中央控制室的監控管理系統進行通信。向監控管理系統傳送數據，并接受監控管理系統發出的開停機命令。

3)         現場控制站提供方便的自動控制, 臨界報警和連續的回路控制。

4)         為控制站PLC程序預置的值，可以通過中央監控站調整。

3.7防雷、過電壓保護及接地

    為了確保自控儀控系統運行的穩定性，對中央控制室、現場控制站的電源進線設置兩級避雷器。對非光纜通訊網絡端口、以及4~20mA模擬信號端口配置相應的防雷保護器件。

整個污水處理廠的接地裝置按照國家標準，根據系統接地要求等電位或分別接地。儀表自控系統的接采用分類匯總，最終與總結地板連接的方式。接地電阻小于1歐姆。

3.8工廠管理計算機系統

分別在廠長辦公室、實驗室、總工程師室等處配置計算機，并采用標準以太網(集線器方式)與中央控制系統連接，組成工廠計算機綜合管理控制系統。

3.9遠程通訊

廠區內控制中心與公司級控制中心的通訊，由數據服務器承擔，通過公共數據寬帶網，將污水廠處理水量和水質數據、污水廠各種運行數據等，實時傳送到市污水管理部門，并接受監控管理系統發出的管理指令。

4.結束語

本文論述了基于LK系列PLC在污水處理廠升級改造項目中控制系統的設計與實現，充分發揮了LK系列PLC配置靈活、控制可靠、開放性強和在線維護方便等優點，為整個系統的安全穩定運行提供了可靠保障，達到了減少對大氣環境、海域環境及噪聲環境的影響，對大連市的環境保護創造了良好條件。

參考文獻

《大連開發區大孤山污水處理廠擴建、改造工程》可行性研究報告 。2011

 和利時公司.HOLLiAS LK系列大型可編程控制器硬件手冊.2011