火力發(fā)電廠污水處理監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實施

摘    要：本文采用Siemens公司S7－300型PLC和相應的I/O控制模塊、MicroMaster變頻器、SIPAN 32液體分析儀和標準的工業(yè)組態(tài)軟件WinCC等組建了一套分布式污水處理監(jiān)控系統(tǒng)，并采用Profibus－DP作為現(xiàn)場通信網(wǎng)絡。
關鍵詞： PLC；分布式控制系統(tǒng)；Profibus

本設計根據(jù)一熱電廠的特點及污染物的監(jiān)測結果，采用了Siemens公司的模塊化、小型PLC系統(tǒng)S7-300以及相應的I/O模塊、MicroMaster通用變頻器和專用于污水分析的SIPAN 32液體分析儀，組建了一套污水排放處理與監(jiān)測系統(tǒng)。該污水處理系統(tǒng)采用現(xiàn)代控制技術和科學的污水處理方法，可隨時調(diào)整設備及工藝過程參數(shù)。

污水處理工藝
污水處理主要利用生物化學的方法并采用氧化溝工藝完成，由預處理系統(tǒng)、物化處理系統(tǒng)、生化處理系統(tǒng)和污泥處理系統(tǒng)等四個分系統(tǒng)構成。其工藝流程見圖1所示。
圖1中設備均有現(xiàn)場手動和自動工作方式供選擇。當選擇自動工作方式時,其所有動作均由PLC完成，且上位機可通過網(wǎng)絡實現(xiàn)控制。

污水處理監(jiān)控系統(tǒng)組成
污水處理采用分布式計算機監(jiān)控管理方式，各個現(xiàn)場控制單元可以獨立運行，并將采集到的液位、pH值、流量、各種運行狀態(tài)量以及電機、泵的運行健康狀態(tài)等信息通過ProfiBus總線上傳到中控室，以備工作人員監(jiān)視。調(diào)試中控室的操作人員也可通過ProfiBus將必要的控制參數(shù)下傳到各個現(xiàn)場控制單元，以調(diào)整控制和工藝參數(shù)。同時，為備現(xiàn)場操作，每個現(xiàn)場監(jiān)控單元均有手動/自動按鈕，可實現(xiàn)現(xiàn)場和遠控操作，從而提高了整個系統(tǒng)的可靠性、安全性以及運行的經(jīng)濟性。另外，為便于與整個熱電廠的監(jiān)控系統(tǒng)進行系統(tǒng)互聯(lián)，實現(xiàn)企業(yè)管控一體化，污水監(jiān)控系統(tǒng)還通過Ethernet經(jīng)廠數(shù)據(jù)交換機與熱電廠整個監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)。
污水處理監(jiān)控系統(tǒng)將ProfiBus－DP現(xiàn)場總線作為現(xiàn)場通信網(wǎng)絡，采用單主站/多從站方式。包括現(xiàn)場自動化單元、集控單元和現(xiàn)場總線通訊三個部分，配置圖如圖2所示。
現(xiàn)場自動化單元的組成
一般地，污水處理系統(tǒng)的現(xiàn)場自動化單元安裝在比較潮濕的環(huán)境中，通過采用溫控除濕和柜子頂部通風等措施以防潮。其核心采用Siemens的高可靠性可編程控制器S7-300。該可編程控制器采用模塊化結構設計，配有CPU模塊、開關量輸入DI模塊、開關量輸出DO模塊、模擬量AI模塊和通訊模塊，并采用STEP7 5.1軟件對PLC各個模塊的參數(shù)進行組態(tài)。液位信號的檢測采用硬件冗余措施，即傳感器模擬采樣和水位接點檢測同時進行，以保證檢測的可靠性。
單元的設置
粗細格柵程控系統(tǒng)
粗細格柵均采用液位差控制，在粗細格柵前后裝有超聲波液位探頭，由變送器將0~10V的液位差信號送到PLC模擬量輸入模塊，當液位差超過設定值時，PLC強制啟動格柵進行清渣，否則按預定周期清渣。為保證控制可靠運行，需定期對超聲波液位計進行維護和校正。格柵程控系統(tǒng)根據(jù)格柵前后的水位差，自動控制柵耙，按預定周期運行，以保證格柵正常工作，格柵調(diào)節(jié)有現(xiàn)場控制(手動)和遠程控制(自動)兩種模式。
水泵程控系統(tǒng)
水泵程控系統(tǒng)按水泵池的液位經(jīng)過MicroMaster通用變頻器，并采用數(shù)字增量式PID方式控制水泵的轉(zhuǎn)數(shù)和流量。每臺泵房均有主運行泵、備用泵，以備不測。對每個泵的控制，同樣有現(xiàn)場控制和遠程控制兩種模式。
氧化溝空氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)
氧化溝是污水進行生化反應的場所，主要通過轉(zhuǎn)刷控制污水的曝氣時間。每條氧化溝設有8臺轉(zhuǎn)刷，并在出水堰口設有溶解氧儀、氧化還原電位計和污泥濃度計、SIPAN 32液體分析儀。溶解氧儀和氧化還原電位計輸入信號連接在PLC不同的輸入模塊上，以免由于模塊損壞造成控制失調(diào)。曝氣空氣量的調(diào)整，采用控制鼓風機導葉片的方式，即通過改變鼓風機導葉片的角度來改變空氣量，從而保證溶解氧的需求量。
回流污泥量調(diào)節(jié)系統(tǒng)
回流污泥量的調(diào)節(jié)是為了將氧化溝中的懸浮污泥濃度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，其調(diào)節(jié)采用數(shù)字式增量PID控制方式，按進入氧化溝的水量控制回流污泥泵的開啟臺數(shù)和回流污泥管道上閥門的角度，以保證回流污泥管道上閥門的合適比例，所有泵的調(diào)節(jié)均由變頻器控制。
泥溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)
其任務是為了控制污泥溝中的泥溫在允許范圍內(nèi)，以保證其在35℃內(nèi)充分發(fā)酵。泥溫調(diào)節(jié)采用熱平衡控制方式，即改變換熱器的熱水溫度或流量來改變換熱量，以實現(xiàn)污泥溫度的調(diào)節(jié)。對每個泵的控制，也都有現(xiàn)場控制和遠程控制兩種模式。 
清化調(diào)節(jié)系統(tǒng)
清化調(diào)節(jié)系統(tǒng)由沼氣攪拌程控系統(tǒng)、消化池配泥程控系統(tǒng)、濾池程控系統(tǒng)等組成，主要完成水質(zhì)的清化過程，滿足環(huán)保要求。
若以上各現(xiàn)場控制單元PLC任何一臺出現(xiàn)故障，現(xiàn)場報警信號立即通過網(wǎng)絡反饋到中控監(jiān)視室，并在監(jiān)視屏上顯示故障位置，同時聲光報警，操作人員便可根據(jù)實際情況進行操作，排除故障或自動啟動備用泵。
上位中控監(jiān)視計算機
由于單純的PLC無法實現(xiàn)工藝的最佳控制，如確定轉(zhuǎn)刷運行方式和加藥量的控制等，必須有上位機參與控制。上位機在本系統(tǒng)中不再單純地以信息采集為主要功能，污水處理廠在運行穩(wěn)定后，它可運用歷史數(shù)據(jù)、運行經(jīng)驗以及先進的控制手段進一步提高處理的自動化水平，以達到降低能耗的最佳控制，并可實現(xiàn)企業(yè)的管控一體化。
中控監(jiān)視計算機采用工業(yè)計算機，并用大型電子投影儀作為電子屏。本工控機采用PCA6181/1GHz CPU和256M內(nèi)存。為滿足數(shù)據(jù)備份的需要，集控站配有雙硬盤，容量均為40G，人體工程鍵盤以及3D鼠標給用戶提供了友好的人機信息交互界面。
現(xiàn)場總線
現(xiàn)場總線采用Profibus-DP，其物理層采用EIA-RS-485協(xié)議，通信板卡采用CP5611用于Profi bus-DP的主站和從站之間通訊。CP5611的傳輸速率從9.6k bit/s 到12M bit/s，每個字符為11個位。在CP5611通信軟卡安裝時，與Softnet-DP (Softnet-DP V5.3)軟件配套使用；應用于從站時，必須與Softnet-DP Slave軟件包配套使用。

監(jiān)視軟件設計
上位機監(jiān)視系統(tǒng)采用Windows 2000 Professional為操作系統(tǒng)，并采用WinCC組態(tài)軟件。該工控組態(tài)軟件是一個集成的HMI系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)，其特性之一是全面開放。各系統(tǒng)集成商可用WinCC作為其系統(tǒng)擴展的基礎，通過開放接口開發(fā)自己的應用軟件。本系統(tǒng)將WinCC與STEP7配合使用。因為在STEP7中定義的變量可以在WinCC中直接使用，從而節(jié)省了工程開發(fā)時間。另外，WinCC中的Ｃ語言腳本及提供的與數(shù)據(jù)庫之間的接口更增加了其應用功能，可滿足用戶的復雜要求。

結語
本系統(tǒng)通過可編程控制器與變頻調(diào)速技術在污水處理系統(tǒng)中的配合使用，提高了整個污水處理系統(tǒng)的自動化水平。同時，由于PLC模塊化的特性，軟件采用WinCC，若處理規(guī)模加大，只需增加相應的功能模塊，增加適當?shù)能浖δ芫涂稍谳^小的投入下很方便地實現(xiàn)規(guī)模擴展。該控制系統(tǒng)通用性好，擴展性強，對于我國中小型熱電廠污水處理的自動化建設具有一定的推廣價值?！?/P>

參考文獻
1 鐵道部標準處.污水處理技術與應用.北京. 中國鐵道出版社，1987.2
2 于海生等.微型計算機控制技術.北京：清華大學出版社，1999.6

作者簡介：
王緒軍，高級工程師，主要從事生產(chǎn)過程計算機控制、現(xiàn)場總線應用等方面的研究工作。