1.引言

柳河縣污水處理廠位于柳河鎮(zhèn)城區(qū)下游東北角，占地1.5公頃。該項(xiàng)目總投資4100萬(wàn)元，污水處理能力為1萬(wàn)噸/日。采用北京環(huán)境科學(xué)研究院專(zhuān)利AICS處理工藝。出水水質(zhì)近期為一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，遠(yuǎn)期為一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，該項(xiàng)目年可減排COD919噸。污水處理廠的主控系統(tǒng)是污水處理工藝實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制的關(guān)鍵性設(shè)備，除了要求主控系統(tǒng)具有很高的性能及豐富的網(wǎng)絡(luò)接口外，還要求主控系統(tǒng)必須是安全、可靠的系統(tǒng)，故選用了和利時(shí)公司自主研發(fā)的LK冗余PLC系統(tǒng)。自污水廠正式投產(chǎn)以來(lái)全廠自控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好。

2.自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1. 概述

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)1個(gè)中央控制室、4個(gè)現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站組成�，F(xiàn)場(chǎng)PLC控制站，由和利時(shí)公司LK冗余PLC系統(tǒng)及檢測(cè)儀表組成，對(duì)各工藝過(guò)程進(jìn)行分散控制；再由中央控制室（CCR），對(duì)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)為環(huán)形，通訊速率為100Mbps，傳輸介質(zhì)為光纖。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：

2.2. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

柳河縣污水處理廠自控系統(tǒng)分為三級(jí)管理，包括生產(chǎn)管理級(jí)（中央控制室）、現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)（PLC控制站）及就地控制級(jí)。

Ø生產(chǎn)管理級(jí)（中央控制室）

中央控制室設(shè)兩套互為熱備的監(jiān)控操作站、一臺(tái)便攜式編程計(jì)算機(jī)、一套投影儀、一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、一套UPS電源、一臺(tái)光纖以太網(wǎng)交換機(jī)。

監(jiān)控操作站為冗余配備，可以分別側(cè)重監(jiān)測(cè)或組態(tài)功能，故障時(shí)互為備用，具有靈活的運(yùn)行方式。并且只要需要，分布在廠內(nèi)其它位置的計(jì)算機(jī)（如廠長(zhǎng)辦公室、總工室、化驗(yàn)室等）也可以方便地通過(guò)局域網(wǎng)與之相連，實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)各工藝過(guò)程的生產(chǎn)運(yùn)行狀況；

主要完成對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的管理、調(diào)度、集中操作、監(jiān)視、系統(tǒng)功能組態(tài)、控制參數(shù)在線(xiàn)修改和設(shè)置、記錄、報(bào)表生成及打印、故障報(bào)警及打印，對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，控制操作以及分析統(tǒng)計(jì)等功能。通過(guò)高分辨率液晶顯示器及投影儀可直觀地動(dòng)態(tài)顯示全廠各工藝流程段的實(shí)時(shí)工況、各工藝參數(shù)的趨勢(shì)畫(huà)面，使操作人員及時(shí)掌握全廠運(yùn)行情況。

Ø現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)（PLC控制站）

現(xiàn)場(chǎng)控制站配置一套控制柜。柜內(nèi)包括和利時(shí)公司LK系列可編程序控制器、24VDC電源裝置、光纖以太網(wǎng)交換機(jī)、過(guò)電壓保護(hù)裝置、小型斷路器、接線(xiàn)端子、小型繼電器、安裝連接線(xiàn)纜及附件等。

廠區(qū)共設(shè)有四個(gè)分控站，每個(gè)分控站可以獨(dú)立完成本地的系統(tǒng)控制。

第一分控制站-------進(jìn)水泵房（DI:32，DO:16，AI:8，AO:4）

第二分控制站-------沉沙池（DI:32，DO:16，AI:8）

第三分控制站-------生物池、鼓風(fēng)機(jī)房（DI:160，DO:64，AI:16）

第四分控制站-------總配電室（DI:16，DO:16，AI:48）

Ø就地控制

將現(xiàn)場(chǎng)控制箱上的“就地/遠(yuǎn)程”旋鈕切換至“就地”位置，通過(guò)箱上的“啟動(dòng)/停止”按鈕實(shí)現(xiàn)就地手動(dòng)控制。

3.AICS工藝特點(diǎn)及控制策略

3.1. AICS工藝特點(diǎn)

目前我國(guó)城市污水處理普遍采用的工藝有活性污泥法、氧化溝工藝和SBR 工藝等。從技術(shù)的角度而言,與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家水平相當(dāng),但是由于我國(guó)的實(shí)際國(guó)情,完全照搬國(guó)外工藝會(huì)造成一定程度上的浪費(fèi),因此尋求一種投資和運(yùn)行費(fèi)用低的污水處理工藝成為關(guān)鍵。

傳統(tǒng)活性污泥工藝是最早的城市污水處理技術(shù),穩(wěn)定性高、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)使之成為應(yīng)用最為廣泛的一種好氧生化處理技術(shù)。氧化溝工藝(Oxidation Ditch) 是一種低負(fù)荷、延時(shí)曝氣改進(jìn)的活性污泥工藝系統(tǒng),但延時(shí)曝氣方式增大了運(yùn)行能耗。丹麥Kruge 公司開(kāi)發(fā)的三溝氧化溝工藝,省去二沉池可節(jié)省投資,但其存在污泥分布不均勻,容積及設(shè)備利用率低的缺點(diǎn)。SBR 工藝以其操作靈活多變、占地面積小、省略沉淀池等特點(diǎn),在我國(guó)成為發(fā)展迅速的污水處理工藝之一。

從經(jīng)典SBR、ICEAS、CASS 到DAT—IAT 再到交替運(yùn)行的UNITANK 工藝和三溝氧化溝等,SBR 工藝不斷改進(jìn)。但無(wú)論如何變化,其各種變形工藝均存在著一定問(wèn)題。因?yàn)镾BR、ICEAS和CASS 為間歇式、變水位處理工藝, 這樣就會(huì)給污水的連續(xù)運(yùn)行帶來(lái)一定困難;UNITAN K 和三溝氧化溝工藝解決了間歇式運(yùn)行和變水位的問(wèn)題,但卻帶來(lái)了污泥分布不均勻的問(wèn)題。所有的這些問(wèn)題都會(huì)帶來(lái)池容利用率低的問(wèn)題。

交替式內(nèi)循環(huán)活性污泥工藝(AlternatedInternal Cyclic System ,簡(jiǎn)稱(chēng)AICS 工藝) 是由北京市環(huán)科院總結(jié)國(guó)內(nèi)城市污水處理經(jīng)驗(yàn)后,自行研制開(kāi)發(fā)的污水處理工藝。該工藝在SBR 改進(jìn)工藝基礎(chǔ)上集氧化溝循環(huán)式推流的特點(diǎn)和活性污泥完全混合的特點(diǎn)于一體,又繼承了SBR 變種工藝連續(xù)進(jìn)水、連續(xù)出水、恒水位和交替式運(yùn)行的特點(diǎn),并且從根本上克服了UNITANK 工藝和三溝式氧化溝中污泥濃度分配不均勻的現(xiàn)象,提高了池容利用率和處理效率。

3.2. AICS周期控制策略

AICS系統(tǒng)的一個(gè)周期由兩部分組成：長(zhǎng)時(shí)工序和短時(shí)工序，二者交替運(yùn)行。博士論文，LKPLC。系統(tǒng)的運(yùn)行周期一般為4-8小時(shí)，長(zhǎng)時(shí)工序各池的運(yùn)行狀態(tài)為：系統(tǒng)兩個(gè)兼做沉淀的曝氣池中，一個(gè)做為曝氣池進(jìn)水，另一個(gè)則做為沉淀池出水。中間兩個(gè)曝氣池在長(zhǎng)時(shí)和短時(shí)工序中始終處于曝氣狀態(tài)。短工序時(shí)，要進(jìn)入沉淀階段的池子進(jìn)行短暫的曝氣和0.5小時(shí)的靜態(tài)沉淀，以滿(mǎn)足最終的出水要求而不會(huì)出現(xiàn)進(jìn)入長(zhǎng)工序時(shí)初始出水不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象。

具體操作時(shí)間表及工藝簡(jiǎn)圖如下：

污水經(jīng)水解池自流入AICS系統(tǒng)，首先經(jīng)過(guò)厭氧池、缺氧池后進(jìn)入曝氣池。

1）第一周期：8點(diǎn)—12點(diǎn)

長(zhǎng)時(shí)工序：8—10點(diǎn)

8點(diǎn)，操作順序：

關(guān)閉1號(hào)邊溝出水閥門(mén)。

開(kāi)啟1號(hào)邊溝送風(fēng)閥門(mén)，1號(hào)池開(kāi)始曝氣。

開(kāi)啟1號(hào)邊溝進(jìn)水閥門(mén)。關(guān)閉2號(hào)中溝進(jìn)水閥門(mén)。博士論文，LKPLC。

關(guān)閉2號(hào)中溝內(nèi)回流泵1，同時(shí)開(kāi)啟2號(hào)中溝內(nèi)回流泵1。

開(kāi)啟4號(hào)邊溝旁漂洗水池閥門(mén)。

待4號(hào)邊溝出水堰槽里的活性污泥排到漂洗水池后，關(guān)閉漂洗水池閥門(mén)，開(kāi)啟4號(hào)邊溝出水閥，開(kāi)始排水。

短時(shí)工序：10點(diǎn)—12點(diǎn)

10點(diǎn)

關(guān)閉1號(hào)邊溝進(jìn)水閥門(mén)。開(kāi)啟2號(hào)中溝進(jìn)水閥門(mén)。

11點(diǎn)

關(guān)閉1號(hào)邊溝送風(fēng)閥門(mén)，1號(hào)邊溝停止曝氣，開(kāi)始沉淀。

2）第二周期12點(diǎn)—16點(diǎn)

長(zhǎng)時(shí)工序：12點(diǎn)—14點(diǎn)

12點(diǎn)，操作順序：

關(guān)閉4號(hào)邊溝出水閥門(mén)。

開(kāi)啟4號(hào)邊溝送風(fēng)閥門(mén)，4號(hào)池開(kāi)始曝氣。

開(kāi)啟4號(hào)邊溝進(jìn)水閥門(mén)。關(guān)閉2號(hào)中溝進(jìn)水閥門(mén)。

關(guān)閉2號(hào)中溝內(nèi)回流泵1，同時(shí)開(kāi)啟2號(hào)中溝內(nèi)回流泵1。

開(kāi)啟1號(hào)邊溝漂洗水池閥門(mén)。

待1號(hào)邊溝出水堰槽里的活性污泥排到漂洗水池后，關(guān)閉漂洗水池閥門(mén)，開(kāi)啟1號(hào)邊溝出水閥，開(kāi)始排水。

短時(shí)工序：14點(diǎn)—16點(diǎn)

14點(diǎn)

關(guān)閉4號(hào)邊溝進(jìn)水閥門(mén)。開(kāi)啟2號(hào)中溝進(jìn)水閥門(mén)。

15點(diǎn)

關(guān)閉4號(hào)邊溝送風(fēng)閥門(mén)。4號(hào)邊溝停止曝氣，開(kāi)始沉淀。博士論文，LKPLC。

16—20點(diǎn)，00—04點(diǎn)，按照第一周期操作步驟執(zhí)行。

20—00點(diǎn)，04—08點(diǎn)，按照第二周期操作步驟執(zhí)行。

3.3. 鼓風(fēng)機(jī)控制策略

基于節(jié)能降耗的考慮，我們提出了根據(jù)溶解氧動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方案。每一組反應(yīng)池對(duì)應(yīng)兩臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，鼓風(fēng)機(jī)在已設(shè)定的曝氣過(guò)程中啟動(dòng)，根據(jù)反應(yīng)池中測(cè)得的DO值開(kāi)啟一臺(tái)或兩臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，調(diào)整一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及工作時(shí)間。當(dāng)某一鼓風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障，自動(dòng)報(bào)警通知管理人員，人工啟動(dòng)備用鼓風(fēng)機(jī)。

PLC接收所有故障信號(hào)，報(bào)警后做出相應(yīng)處理。博士論文，LKPLC。

鼓風(fēng)機(jī)將壓縮空氣通過(guò)管道送入反應(yīng)池，讓空氣中的氧溶解在污水中供給活性污泥中的微生物。鼓風(fēng)機(jī)在工頻狀態(tài)下起動(dòng)時(shí)，電流沖擊較大，容易引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)，而鼓風(fēng)機(jī)（羅茨）風(fēng)壓一定，風(fēng)量只能靠工作臺(tái)數(shù)及出氣閥來(lái)調(diào)節(jié)，實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中往往是通過(guò)調(diào)節(jié)出氣閥門(mén)來(lái)控制，即增加管道阻力。博士論文，LKPLC。因而許多能量多浪費(fèi)在閥門(mén)上。

本方案在鼓風(fēng)機(jī)上應(yīng)用了變頻器，由于變頻器的軟啟動(dòng)大大的減小了電機(jī)起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，而且在正常運(yùn)行的時(shí)候，將出氣閥門(mén)開(kāi)到最大，根據(jù)工藝和參數(shù)的要求，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)管道的風(fēng)量，從而來(lái)調(diào)節(jié)污水中的溶解氧（DO）。而且可以根據(jù)溶解氧傳感器反饋的信號(hào)（4~20MA）很方便的實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

當(dāng)當(dāng)前溶解氧值小于設(shè)定值時(shí)，開(kāi)啟一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，并進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)；

當(dāng)變頻器頻率達(dá)到最大，且溶解值仍小于設(shè)定值，則再開(kāi)啟一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，此時(shí)兩臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)一臺(tái)工頻運(yùn)行，一臺(tái)變頻調(diào)節(jié)；

當(dāng)變頻器頻率達(dá)到最大，且溶解值仍小于設(shè)定值，則再開(kāi)啟一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，此時(shí)三臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)兩臺(tái)工頻運(yùn)行，一臺(tái)變頻調(diào)節(jié)；

相反，當(dāng)當(dāng)前溶解氧值大于設(shè)定值時(shí)，變頻器頻率減小，當(dāng)頻率減小至0時(shí)，且溶解值仍大于設(shè)定值，則停止一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，繼續(xù)變頻調(diào)節(jié)；此過(guò)程中若當(dāng)前溶解氧值大于設(shè)定值，則再停止一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，繼續(xù)變頻調(diào)節(jié)，如此類(lèi)推，直至當(dāng)前溶解氧滿(mǎn)足設(shè)定范圍。

另外，系統(tǒng)將統(tǒng)計(jì)各臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，每次啟動(dòng)或停止鼓風(fēng)機(jī)時(shí)，需比較各鼓風(fēng)機(jī)的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間后啟動(dòng)，先停止，盡量各鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間均衡，以延長(zhǎng)鼓風(fēng)機(jī)的使用壽命。

鼓風(fēng)機(jī)控制框圖如下：

4.系統(tǒng)特點(diǎn)

系統(tǒng)整體性能具有如下特點(diǎn)：

Ø系統(tǒng)軟件內(nèi)核集成了先進(jìn)的過(guò)程控制算法

本方案設(shè)計(jì)中溶解氧的調(diào)節(jié)采用了LK冗余系統(tǒng)自帶的PID算法功能塊，該P(yáng)ID功能塊算法先進(jìn)，穩(wěn)定性好，PID功能塊主要提供了以下內(nèi)置功能：

 提供微分濾波處理功能，即：在PID的微分部分串聯(lián)一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，對(duì)微分運(yùn)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)低通濾波和平滑處理；

具有偏差死區(qū)功能；

具有積分飽和處理功能，即如果輸出達(dá)到上限，則不再進(jìn)行正向積分，只進(jìn)行負(fù)向積分；如果輸出達(dá)到下限，則不再進(jìn)行負(fù)向積分，只進(jìn)行正向積分；

具有輸出限幅功能；

提供“手動(dòng)/自動(dòng)”無(wú)擾切換功能；

支持前饋，可用于周期性的控制任務(wù)，允許多次調(diào)用。

Ø高性能

LK冗余系統(tǒng)的CPU主頻達(dá)到了533MHZ，單條指令執(zhí)行時(shí)間只有13ns，具有16M的程序存儲(chǔ)空間和64M的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，能夠充分適應(yīng)復(fù)雜污水處理工藝對(duì)PLC系統(tǒng)性能的要求。

PID算法占用PLC的資源是比較大的，一般小型的控制器產(chǎn)品，只能同時(shí)支持幾路PID調(diào)節(jié)。LK冗余系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，專(zhuān)門(mén)針對(duì)其高性能做了多種實(shí)驗(yàn)，模擬了多種復(fù)雜工藝控制需求，即使同時(shí)使用2000個(gè)PID調(diào)節(jié)算法塊進(jìn)行運(yùn)算，LK的運(yùn)行負(fù)荷也不會(huì)達(dá)到額定值的50%。這就充分證明了LK冗余系統(tǒng)能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的污水處理工藝對(duì)控制器產(chǎn)品的高性能要求。

Ø支持6種標(biāo)準(zhǔn)的編程語(yǔ)言

LK冗余系統(tǒng)支持LD、ST、FBD、SFC、IL和CFC六種標(biāo)準(zhǔn)的編程語(yǔ)言。針對(duì)不同的控制工藝要求，采用與之相適應(yīng)的編程語(yǔ)言，往往可以達(dá)到事半功倍的效果。例如AICS的周期控制策略時(shí)序性比較強(qiáng)，是典型的順序控制，使用SFC編程語(yǔ)言可以更清晰的構(gòu)建程序邏輯。針對(duì)溶解氧調(diào)節(jié)等過(guò)程控制，使用CFC編程語(yǔ)言可以把所有的變量全部放在同一窗口下，為程序調(diào)試提供了更好的便利性。ST編程語(yǔ)言比較適合熟悉高級(jí)語(yǔ)言編程的開(kāi)發(fā)人員；IL編程語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言比較相近，能夠使單片機(jī)開(kāi)發(fā)人員快速對(duì)PLC編程進(jìn)行上手。LD和FBD編程語(yǔ)言更加符合一般電氣工程師的編程習(xí)慣。

Ø故障診斷

LK系統(tǒng)具有一套完整的自診斷功能，可以在運(yùn)行中自動(dòng)地診斷出系統(tǒng)的任何一個(gè)部件是否出現(xiàn)故障，并且在監(jiān)控軟件中及時(shí)、準(zhǔn)確地反映出故障狀態(tài)、故障時(shí)間、故障地點(diǎn)、及相關(guān)信息。在系統(tǒng)發(fā)生故障后，系統(tǒng)的I/O點(diǎn)可以根據(jù)預(yù)先設(shè)置的狀態(tài)進(jìn)行輸出，最大限度的減少由于系統(tǒng)故障造成的損失。

Ø擴(kuò)展性和兼容性

本系統(tǒng)上層采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊，TCP/IP協(xié)議是目前開(kāi)放性最好的協(xié)議，可以輕松進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。

本監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)應(yīng)為面向?qū)ο蟮�，�?shí)時(shí)式，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)變化響應(yīng)可達(dá)到1毫秒。操作系統(tǒng)和監(jiān)控軟件具有冗余和容錯(cuò)及災(zāi)難性恢復(fù)等功能。

本系統(tǒng)的組態(tài)軟件支持DDE、OPC、ODBC、SQL，且提供豐富的API編程接口，同時(shí)也為世界各大PLC廠商，如Modicon、Siemens、AB、GE、Omron等的設(shè)備提供了完善的驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)，從而可以將其它系統(tǒng)輕松接入本系統(tǒng)。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文論述了LK冗余PLC系統(tǒng)在AICS污水處理工藝中的應(yīng)用，充分發(fā)揮了LK可編程控制器配置靈活、控制可靠、開(kāi)放性強(qiáng)和在線(xiàn)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。LK冗余PLC系統(tǒng)已在多種不同的污水處理工藝中得到實(shí)際應(yīng)用，為企業(yè)帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。

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