基于PLC的DCS控制系統(tǒng)在污水處理廠中的應(yīng)用

　　隨著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，各級政府對環(huán)境保護(hù)更加關(guān)注，各地陸續(xù)新建了一大批污水處理廠。這些新建的污水處理廠根據(jù)自身特點，對控制系統(tǒng)的性能和價格提出了新的要求。
　　重慶市奉節(jié)污水處理廠采用CASS工藝對生活污水進(jìn)行處理，日處理量為3萬噸。其DCS系統(tǒng)以高性價比的PLC為控制單元，采用商用計算機為監(jiān)控站。整個系統(tǒng)在實現(xiàn)生產(chǎn)自動化的情況下，有效降低了系統(tǒng)成本，從2004年投產(chǎn)至今運行情況良好。
1 生產(chǎn)工藝簡介
　　污水處理是一種連續(xù)的生化反應(yīng)過程，有氧化溝工藝、AO、SBR、CASS等眾多不同的處理工藝。奉節(jié)污水處理廠所采用的污水處理工藝為新型改良 CASS（Cyclic Activated Sludge System，循環(huán)式活性污泥法）工藝，屬于改進(jìn)型SBR工藝的一種，由格柵井、CASS 池、鼓風(fēng)機房、加藥間、儲泥池、脫水機房、接觸消毒池組成。該工藝具有以下特點：
　?。?）可升降的潷水器最大限度降低了排水水流對底部沉淀污泥擾動。
　?。?）抗沖擊力強，對難降解有機物的去除效率高，同時具有脫氮除磷功能。
　?。?）工藝流程短，占地面積小，建設(shè)費用低，運轉(zhuǎn)費用省。
　?。?）管理簡單，運行可靠，出水水質(zhì)好，無異味。
　?。?）污泥產(chǎn)量低，污泥性質(zhì)穩(wěn)定，不發(fā)生污泥膨脹。
2 DCS控制系統(tǒng)選型及硬件配置
2．1 DCS系統(tǒng)的選型
　　重慶市奉節(jié)口前污水處理廠為三峽庫區(qū)國債項目建設(shè)的第一批污水處理廠，根據(jù)實際的工藝要求及建設(shè)特點，該項目對控制系統(tǒng)提出了如下要求：
　　（1）受控設(shè)備控制點數(shù)在800點內(nèi)。控制工藝較為復(fù)雜，但是我們所需要的算法并不復(fù)雜，基本以時間控制和位式控制為主。
　?。?）控制系統(tǒng)須成熟可靠，便于調(diào)試和維護(hù)。
　　（3）考慮到會有第三方產(chǎn)品，網(wǎng)絡(luò)通訊及其協(xié)議須具備開放性和標(biāo)準(zhǔn)性。
　?。?）測量設(shè)備和受控設(shè)備均為傳統(tǒng)設(shè)備，基本不帶現(xiàn)場總線通訊能力，所以輸入、輸出控制還是以傳統(tǒng)的I／O點為基礎(chǔ)。
　?。?）作為國債投資項目，盡可能在滿足要求的前提下降低造價。
　　經(jīng)過比較，該廠的自動化控制系統(tǒng)采用以PLC為基礎(chǔ)的DCS控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在滿足生產(chǎn)要求的基礎(chǔ)上其性能和價格上取得了很好的平衡。
2．2 基于PLC的DCS系統(tǒng)
　　傳統(tǒng)DCS是針對流程工業(yè)的儀表控制系統(tǒng)發(fā)展起來的，主要功能是實現(xiàn)連續(xù)物理量的監(jiān)視與調(diào)節(jié)。PLC是針對傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)而發(fā)展起來的，主要功能是實現(xiàn)開關(guān)量的邏輯控制。
　　一般來說，PLC是一種局部的控制器，但隨著應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大以及工業(yè)以太網(wǎng)的出現(xiàn)，多臺PLC能夠互連起來而形成的較大控制系統(tǒng)。與單個的PLC相比有幾點重大的改變：
　?。?）在網(wǎng)絡(luò)上掛接了在線的通用計算機，其作用一是實現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、編程和下裝，二是在線監(jiān)視被控過程的狀態(tài)。這樣，一個具有現(xiàn)場控制層和協(xié)調(diào)控制層的DCS雛形就出現(xiàn)了。
　?。?）在PLC中增加了模擬量I／O接口和數(shù)值計算功能，這樣，PLC就不僅可以完成邏輯控制，也可以完成模擬量監(jiān)測及控制和混合控制的功能。
　　（3）越來越多的PLC廠家把專用的網(wǎng)絡(luò)改成為通用的網(wǎng)絡(luò)，這樣就使PLC有條件和其它各種計算機系統(tǒng)和設(shè)備實現(xiàn)集成，以組成大型的控制系統(tǒng)。
　　上述幾點改變使得PLC組成的系統(tǒng)具備了DCS的形態(tài)。由于PLC產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入市場多年，其I／O接口、編程方法、網(wǎng)絡(luò)通信都趨于標(biāo)準(zhǔn)化和適應(yīng)開放系統(tǒng)的要求，同時通過擴(kuò)展能夠增加現(xiàn)場總線通訊功能。加上PLC在價格上的優(yōu)勢，使得PLC在分布式控制系統(tǒng)領(lǐng)域有著很重要的地位，在很多應(yīng)用領(lǐng)域具有相當(dāng)大的競爭優(yōu)勢。
2．3 奉節(jié)污水處理廠DCS系統(tǒng)配置及構(gòu)成
　　DCS控制系統(tǒng)以工業(yè)以太網(wǎng)這種開放式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，由三個下位控制站PLC0、PLC1、PLC2站，1個上位工程師站、1個上位操作員站組成。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　PLC0控制站安裝在中央管理中心的大屏幕馬塞克模擬顯示屏內(nèi)，通過以太網(wǎng)采集各設(shè)備的狀態(tài)信號并用RS232的通訊方式與馬賽克屏通訊，將生產(chǎn)的整個流程以及設(shè)備狀態(tài)顯示出來。
　　PLC1安裝在變配電所，負(fù)責(zé)控制格柵井、污水提升泵、沉砂池、1號CASS池、2號CASS池、3號CASS池、鼓風(fēng)機房、儲泥池及流量井流量檢測、接觸消毒池的部分檢測控制、配電室的部分電力參數(shù)監(jiān)測。
　　PLC2安裝于加藥間。用于控制加藥間的電磁閥、攪拌器、隔膜泵在內(nèi)的全套加藥設(shè)備。
　　中央管理中心的兩臺監(jiān)控計算機采用DELL公司的OptiPlex系列臺式機。OptiPlex系列臺式機定位于初級服務(wù)器應(yīng)用，在高性能的前提下其專門設(shè)計的鋼絲屏蔽層結(jié)構(gòu)以及散熱系統(tǒng)保證了系統(tǒng)的高可靠性和穩(wěn)定性。所采用的監(jiān)控軟件是基于微軟的Windows 2000平臺的，商用機對操作系統(tǒng)的兼容性比工控機略好。
　　該廠整個控制的系統(tǒng)信息交換層和控制層兩層合一。采用先進(jìn)的工業(yè)以太網(wǎng)，具有高速可靠的特點。工業(yè)以太網(wǎng)是以傳統(tǒng)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，針對工業(yè)控制的要求，改良后的一種信息及控制網(wǎng)，具有一網(wǎng)到底和降低網(wǎng)絡(luò)造價的特點。
3 自控系統(tǒng)功能
3．1 監(jiān)控軟件
　　監(jiān)控軟件采用開物2000軟件，開物2000為北京華富慧通開發(fā)的一款通用監(jiān)控軟件，該軟件對OPC通訊方式支持較好。 OPC（OLE for ProcessContro1）是基于COM（Component Object Mode1）和 DCOM（Distributed Component Object Mode1）技術(shù)的面向?qū)ο筌浖f(xié)議。OPC為現(xiàn)場設(shè)備、自動控制應(yīng)用軟件和企業(yè)管理應(yīng)用軟件之間提供了開放、一致的接口規(guī)范，為來自不同供應(yīng)商的軟、硬件提供“即插即用”的連接。
　　本系統(tǒng)的監(jiān)控軟件和DCS硬件之間的通訊協(xié)議采用OPC方式，ROCKWELL的RSLINX軟件為OPC SEVER端而監(jiān)控軟件作為OPC CLIENT讀取數(shù)據(jù)，采用該方式通訊避免了監(jiān)控軟件對DCS系統(tǒng)驅(qū)動程序支持不完善的情況發(fā)生。
3．2 控制方式X
　　為便于操作調(diào)試和事故的緊急處理，系統(tǒng)控制方式分為三種：
　?。?）就地手動方式。即通過就地控制箱或MCC上的按扭、開關(guān)操縱設(shè)備。
　　（2）遙控方式。通過中央管理中心的兩臺計算機在手動模式下控制設(shè)備。
　?。?）自動方式。系統(tǒng)根據(jù)工況自動完成設(shè)備的啟停、調(diào)節(jié)控制。
　　遙控和就地控制方式的切換由MCC柜或就地控制箱完成；自動方式和遙控方式的切換由兩臺監(jiān)控計算機完成。
3．3 監(jiān)控功能
　　兩臺計算機分別作為操作站和工程師站相互備用，設(shè)置于中央管理中心，對全廠工藝設(shè)備運行狀況、運行參數(shù)進(jìn)行集中監(jiān)控，遙控現(xiàn)場設(shè)備。監(jiān)控計算機通過集成的1000M網(wǎng)卡與PLC系統(tǒng)經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
　　主要功能：
　?。?）工藝流程監(jiān)控功能。系統(tǒng)能按工藝要求對污水處理的各環(huán)節(jié)參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，同時根據(jù)工藝要求選擇自動、順序、定時等控制方式。
　?。?）報警及報警記錄功能。當(dāng)設(shè)備發(fā)生事故時，系統(tǒng)將在計算機、馬賽克大屏幕、就地控制箱上進(jìn)行報警指示。同時計算機將對所發(fā)生的報警內(nèi)容、時間及確認(rèn)時間進(jìn)行記錄。在計算機上還可進(jìn)行語音報警。
　　（3）聯(lián)鎖保護(hù)功能。當(dāng)系統(tǒng)檢測到局部故障后啟動相應(yīng)的聯(lián)鎖保護(hù)程序。
　　（4）參數(shù)設(shè)定功能?？稍谥醒牍芾碇行牡娜魏我慌_監(jiān)控計算機或現(xiàn)場控制站的人機界面上進(jìn)行報警上下限、調(diào)節(jié)參數(shù)、運行時間等參數(shù)的設(shè)定。
　　（5）數(shù)據(jù)記錄存儲功能。系統(tǒng)可對重要數(shù)據(jù)如工藝參數(shù)、工況、設(shè)備運行時間等進(jìn)行記錄儲存，以備調(diào)用。
　?。?）操作記錄功能。系統(tǒng)自動保存重要操作記錄，如改動參數(shù)，操作設(shè)備的操作員代號、時間、內(nèi)容等。
　　（7）實時數(shù)據(jù)曲線和歷史數(shù)據(jù)曲線。對重要工藝參數(shù)可以進(jìn)行實時曲線顯示，并記錄歷史數(shù)據(jù)曲線。
　?。?）多級口令保護(hù)功能。在中央管理中心的任何一臺監(jiān)控計算機上可設(shè)定不同操作權(quán)限，只有相應(yīng)操作權(quán)限的操作員，在輸入正確的口令后才可訪問該級畫面。
　?。?）打印功能?？蛇M(jìn)行報表打印、曲線打印、圖形打印。
4 工程效果
　　該工程于2003年5月份開始實施，2004年4月份設(shè)備移交廠方運行，其DCS系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠無損壞情況。系統(tǒng)投入使用后，操作人員在中央管理中心就能夠全面了解整個工廠的運行情，DCS系統(tǒng)對泵及潷水器等主要設(shè)備能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的參數(shù)進(jìn)行自動控制。整個系統(tǒng)只需中央管理中心操作人員就能夠保證系統(tǒng)的正常運行，大大降低了值班員的勞動強度。該系統(tǒng)的投運解決了以往污水處理廠自動化程度低，所有設(shè)備均需手動操作，值班人員勞動強度大、操作易出錯，出水水質(zhì)不穩(wěn)定、生產(chǎn)過程無法集中監(jiān)控的問題。該廠作為三峽庫區(qū)第一批興建的污水處理廠，對三峽庫區(qū)水質(zhì)的保護(hù)起到了積極的作用。各級政府領(lǐng)導(dǎo)多次對該廠進(jìn)行視察和工作指導(dǎo)，對該廠的生產(chǎn)以及工藝水平給予了良好的評價，取得了很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。
5 結(jié)語
　　PLC作為成熟的控制器其編程語言及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有統(tǒng)一性，便于控制系統(tǒng)的調(diào)試及維護(hù)。雖然PLC控制算法相對單一，但是卻很好的滿足了污水生產(chǎn)工藝的要求，在避免功能浪費的同時降低了系統(tǒng)造價。采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，保證了通訊網(wǎng)絡(luò)良好的兼容性和穩(wěn)定性，同時實現(xiàn)了通訊的高速化。以PLC為基礎(chǔ)采用工業(yè)以太網(wǎng)搭建的DCS控制系統(tǒng)，在污水處理廠的自動化控制中具有成熟可靠，既滿足生產(chǎn)工藝要求，同時也降低了工程造價，具有很好的應(yīng)用前景。