施耐德Unity PLC在江南水廠的應用

　　（提供：Schneider-施耐德電氣（中國）投資有限公司-HEC，作者：盧鍇、*北京機械工業自動化研究所）
　　
　　摘要：文章介紹了江南水廠污水處理自控系統的配置和功能，闡述了其系統網絡結構特點——由計算機、PLC、現場總線、現場在線儀表組成多級的、開放的、模塊化的、實時多任務的、集散型的、可擴展的數據采集和監控系統。
　　
　　一、概述
　　
　　廣西南寧江南水廠污水處理控制及監控系統為廣西重點工程，建設資金來源于世行。北京機械工業自動化研究所自控中心承擔了該項工程。該工程包括：污水處理廠及城區配套截污干管。水處理能力為24×104m3/d，處理工藝采用了A2/O生物法。即城市污水→格柵→污水泵→沉砂池→A2/O生物池→沉淀池→排放。處理后的廢水達到《污水綜合排放標準》（GB8978-1996）。剩余污泥經過濃縮、脫水后外運填埋或作堆肥。現在常用的污水處理工藝包括氧化溝處理、地表滲漏法、A/O生物法、A2/O生物法。而A2/O生物法作為污水處理行業其中一種成熟、有效的處理方法被業界廣泛應用。
　　
　　二、工藝描述、系統控制內容
　　
　　該系統的工藝主要包括污水處理和污泥處理兩個環節。
　　
　　1、污水處理環節
　　
　　其作用是將污水經過層層處理后，zui終滿足排放要求，污水處理工藝流程如圖一所示。
　　
　　1.1、粗格柵
　　
　　功能：去除污水中較大的漂浮物。
　　
　　控制方式：時間控制、液位差控制。
　　
　　1.2、進水泵房
　　
　　功能：提升污水的水位。
　　
　　控制方式：根據吸水井液位進行控制。在主站設定幾個液位值，根據測得的液位值與設定液位值比較，自動增、減泵運行臺數，并且自動累計每臺泵運行時間，實現泵的自動輪換運行。
　　
　　1.3、細格柵
　　
　　功能：去除污水中較小的漂浮物，特別是絲狀、帶狀漂浮物，保證后續處理系統的正常運行。
　　
　　控制方式：根據時間及格柵前后液位差控制。
　　
　　1.4、沉砂池
　　
　　功能：去除污水中比重大于2.65，粒徑大于0.2mm的無機砂粒，以保證后續流程的正常運行。
　　
　　控制方式：根據時間進行控制。
　　
　　1.5、生物池
　　
　　功能：利用微生物降解和去除污水中的污染物質，達到預期的水質凈化目的。A2/O生物脫氮除磷工藝由厭氧、缺氧和好氧三個生物反應過程組成。
　　
　　控制方式：水下攪拌器連續運行，并對鼓風機及電動空氣調節蝶閥進行閉環控制
　　
　　1.6、回流污泥泵
　　
　　功能：將一定數量的活性污泥回流到生化處理系統，以維持生化系統活性污泥的濃度，保證其生化反應的能力
　　
　　控制方式：根據生物池的污泥濃度，計算出回流污泥比，再換算成污泥回流量，自動控制回流污泥泵的運行臺數。同時自動累計單臺泵運行時間，實現自動輪換運行。
　　
　　1.7、沉淀池
　　
　　功能：對生化處理后的混合液進行固液分離，以保證出水水質。
　　
　　控制方式：根據時間及泥位計控制。
　　
　　圖一、污水處理工藝流程圖
　　
　　2、污泥處理部分
　　
　　其作用是將污泥經過處理后，脫離出來，以便可以外運填埋或作堆肥。
　　
　　2.1、剩余污泥泵房
　　
　　功能：將生化系統產生的剩余污泥提升至污泥貯泥池進而至脫水機房。
　　
　　控制方式：根據進水流量及進水BOD值，計算出總的產泥量，以自動控制剩余污泥泵的運行臺數，自動累計泵單臺的運行時間，實現自動輪換運行。設定吸泥井液位的高低限報警，達到高限報警時自動啟動排泥泵或減小沉淀池排泥量。
　　
　　2.2、污泥濃縮及脫水系統
　　
　　功能：降低污泥含水率，減少污泥體積。
　　
　　控制方式：系統能根據進來的污泥量自動控制設備的運行臺數，根據進來的污泥量及污泥含固率自動控制加藥量，對儲藥罐的液位及藥量進行監測。對濃縮機、脫水機、加藥系統和螺旋輸送器狀態進行遠程監控。
　　
　　另外，系統還包括沉砂系統、1#除臭系統、鼓風機、2#除臭系統、紫外消毒系統等配套設備。這些配套設備既可以獨立運行，又可以和各PLC控制站進行數據通訊。值得注意的是，由于各成套設備的生產廠家各不相同，所以通訊協議也不盡相同。
　　
　　上述工藝要求給控制系統提出苛刻的控制要求：
　　
　　（1）控制系統要采用分散控制
　　
　　根據系統分散控制的原則，須設置4個PLC現場控制站對總變電所控制站和鼓風機房控制站、脫水機房控制站、出水井分變電室控制站、污泥泵房變電室控制站進行控制。由于設備繁多、功能復雜以及程序大，所選PLC控制系統需具備強大的處理能力。
　　
　　（2）控制系統要支持多種不同網絡通訊
　　
　　江南水廠污水處理自控系統是一個集中監視管理、分散控制的PLC控制系統。控制中心、控制站通過有線網絡連接。各有分工，既能獨立工作，又能在統一指揮下協調工作。控制站和其它配套設備也需通過網絡進行通訊。為了實現這些目的所選PLC控制系統必須支持多種網絡協議。
　　
　　三、系統設計
　　
　　根據國內外城市水系統的運行管理情況以及我們在該行業中的實踐經驗，依照自動控制領域的發展趨勢，本著安全可靠,簡單實用,*（十年不落后）的原則，我們采用了施耐德的PLC控制產品，充分發揮其技術優勢，以施耐德UNITY控制平臺和開放的現場總線網絡體系為核心，采用的控制器、第三方控制設備、智能變送器、網絡架構及工控軟件產品為用戶提供了一個由計算機、PLC、現場總線、現場在線儀表組成的多級的、開放的、模塊化的、實時多任務的、集散型的、可擴展的數據采集和監控系統。
　　
　　該系統采用集成工業現場總線、控制總線和高速以太網組成的混合三層體系結構，如圖二所示。
　　
　　圖二、江南水廠污水處理自動控制系統圖
　　
　　⑴信息層：
　　
　　信息層以網絡交換機為中心，通訊協議為TCP/IP，系統架構為Internet/Intranet，網絡系統對內通信網數據吞吐率100Mbps。
　　
　　其中信息層硬件部分主要為中控室的生產管理計算機站、服務器，化驗室計算機站及配套網絡傳輸線路、設備組成，完成系統的數據采集、監測、控制、通信、顯示及生產管理調度等功能。軟件系統主要由基于組態軟件開發的江南污水廠生產過程控制、運行監控、調度系統以及生產管理（水質監測、生產數據和系統故障報警信息）信息系統等組成。該體系結構實現了對江南水廠生產管理系統軟硬件資源的整合和充分利用，使系統具有更高的兼容性、開放性和安全性。
　　
　　⑵控制層：
　　
　　控制層以施耐德Unity平臺為控制核心，將分布在各工藝段之間的施耐德UnityPLC和中央監控計算機通過網絡相連，實現控制信號的高速傳輸。施耐德UnityPLC自動監測重要設備的運行狀態和工藝參數變化，并對設備進行自動控制。控制層硬件設備主要為施耐德Unity系列PLC（140CPU65150）、操作員面板（XBTG5230）、工業以太網交換機（4997100）
　　
　　在這里我們要特別提一下控制層的網絡。控制層的網絡體系采用TCP／IP網絡以及環形拓撲結構，以光纖為通信介質，通過以太網環網交換機構成帶寬為100Mbps的工業以太網。該網絡結構為自愈環網，其應用層采用開放的通訊協議。當環網發生一個光纖斷點時，網絡仍能夠正常工作。作為全廠的控制主干網，工業以太網光纖環網能在任何節點接入設備，而不需要更改從前的站號和配置，充分考慮了今后擴展的方便性。在出現故障時，在線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。
　　
　　根據工藝流程，全廠共設4套施耐德UnityPLC控制站：
　　
　　LCS1控制站---總變電所控制站
　　
　　主要控制粗格柵、進水泵房、轉鼓格柵的設備。LCS1控制站的觸摸屏通過RJ45連接到該站的交換機上。另外，LCS1控制站通過DP網和鼓風機設備廠家配套的PLC進行通訊；通過MB網和沉砂系統PLC、1#除臭系統PLC進行通訊。
　　
　　LCS11控制站---鼓風機房控制站
　　
　　主要控制鼓風機房的設備。LCS11控制站為LCS1控制站的遠程I/O站。本控制站的觸摸屏通過光纖介質連接到LCS1控制站的交換機上。
　　
　　LCS2控制站---脫水機房控制站
　　
　　主要控制脫水機房的設備。本控制站的觸摸屏通過光纖介質連接到LCS1控制站的交換機上。
　　
　　LCS3控制站---出水井分變電室控制站
　　
　　主要控制出水泵房、回流污泥房、剩余污泥泵房、二沉池的設備。本控制站的觸摸屏通過光纖介質連接到LCS1控制站的交換機上。
　　
　　LCS4控制站---污泥泵房變電室控制站
　　
　　主要控制曝氣池的設備。本控制站的觸摸屏通過光纖介質連接到LCS1控制站的交換機上。
　　
　　另外，LCS4控制站通過MB網和紫外消毒PLC、2#除臭系統PLC進行通訊。
　　
　　（3）設備層：
　　
　　我們利用施耐德UNITYPLC的MB口，采用MB網絡通訊協議對MCC柜的各智能變送器進行多點通訊。這種不用傳統I/O模塊而直接采用總線電纜連接的通訊方式，在實現現場離散設備和可編程邏輯控制器（PLC）之間的數據數字化傳輸的同時，將成本費用減少到zui小，這種用于低層設備的低成本、率信息集成模式，已經逐漸成為控制領域的主流。
　　
　　四、調試體會：
　　
　　通過親身經歷，我們認為施耐德UNITY確實是新一代自動化平臺上的硬件和軟件產品：新軟件的使用可以大大地減少開發項目的時間，新硬件的使用可以大大地提高系統處理的速度，基于開發平臺和協同工具，施耐德UNITY使得設計、制造、維護的自動化水平達到的高度，從而大大提高了生產效率。下<