基于臺達PLC和HMI的換熱站系統設計

　　摘要：本文介紹了和利時公司LK系列PLC在大連開發區污水處理一廠升級改造污水深度處理控制系統中的應用，描述了基于改良A2/O生物除磷脫氮處理工藝下的工藝升級改造方案、控制系統設計原則、控制系統設計及功能實現等。
　　
　　關鍵詞LK系列PLC；污水處理廠升級改造
　　
　　1、引言
　　
　　大連開發區污水處理一廠于1988年建廠。污水廠分兩期實施建成，總設計規模8萬m3/d。一期工程設計規模3.5萬m3/d，二期工程設計規模4.5萬m3/d。一期工程設計出水達到二級標準。二期工程為升級改造工程，出水執行的排放標準將由原二級標準提高到一級A標準，其主要控制指標可達到"再生水用作工業用水水源的水質標準"以及"景觀環境用水的再生水水質標準"的觀賞性景觀環境用水中的河道類標準。該污水處理廠升級改造控制系統的全套硬件設備及軟件由和利時公司提供，系統設計工作由大連市市政設計研究院有限公司完成。
　　
　　2、污水深度處理的工藝升級改造方案
　　
　　大連開發區污水處理一廠的工藝升級改造方案由五部分組成：一級處理系統、二級處理系統、深度處理系統、污泥處理系統及除臭系統。一級處理系統包括總進水閘門、粗格柵、進水提升泵池、細格柵及曝氣沉砂池。
　　
　　二級處理系統采用改良A2/O生物除磷脫氮處理工藝，并且不設置初沉池，以便提高生物池進水中的碳源。生物反應池采用預缺氧池、厭氧池、缺氧池、好氧池，進水按一定的比例分別進入到厭氧池和缺氧池中，這樣即使在進水C/N比較低（2.3～3.0）的條件下，仍不需要外加的碳源就能達到脫氮的效果。在好氧池中填充采用特殊結構的纖毛狀生物膜填料，使附著微生物濃度高，這樣能同時利用附著在纖毛狀生物膜填料上的固定相微生物和浮游流動相微生物，在較短的停留時間（HRT=5～7hr）內去除有機物、氮和磷。纖毛狀生物膜填料呈直毛狀形態，微生物的附著和脫落達到動態平衡，不產生堵塞現象，固定世代繁殖時間長的硝化菌，提高硝化反應速度。附著微生物中吞噬污泥的原生動物（vorticella、aspidisca等）和后生動物（rotaria、collurella等）共存，從而減少污泥量。這樣即使在冬季10℃以下的進水溫度下，由于附著微生物的水膜現象，仍能有效地同步去除氮和磷。
　　
　　深度處理系統采用渦旋混凝沉淀+轉盤過濾池處理工藝。處理后出水消毒，采用紫外消毒工藝。
　　
　　污泥處理系統采用離心濃縮脫水一體機對污泥濃縮脫水后，外運填埋。
　　
　　除臭系統由兩座土壤脫臭床組成，分別為粗格柵、進水提升泵池、細格柵間及污泥脫水間服務。同時設置異味除臭機，作為輔助除臭設施。
　　
　　3、污水深度處理控制系統的設計原則
　　
　　基于LK系列PLC在污水處理廠升級改造污水深度處理控制系統中應遵循以下設計原則。
　　
　　（1）可用性和可靠性
　　
　　系統組件的設計符合真正的工業等級，控制系統能在嚴格的工業環境下長期、穩定地運行，盡可能降低控制系統故障風險，保證能源收益，確保水處理廠7×24小時的不間斷供水服務。
　　
　　PLC控制站一般設于高電磁干擾環境，如提升泵房、鼓風機房等，基于LK系列PLC的控制系統具有較強的電磁兼容性，系統采用各種隔離、抗干擾設計，保證系統能在強電磁干擾環境中穩定運行。
　　
　　水處理環境可能因遭受污染并加速設備中電子元件的老化，基于LK系列PLC可提供特殊的保護工藝（保護涂層）的模塊，提高元件在腐蝕性化學品和腐蝕性環境中的使用壽命，避免意外停機，降低維護成本。
　　
　　（2）開放性和兼容性
　　
　　基于標準協議的通訊網絡可非常方便地將第三方設備接入，如加藥系統、紫外線消毒、及污泥脫水機等，允許大量過程反饋信息傳輸，支持設備參數訪問功能，可提高系統的性能與診斷能力。
　　
　　該控制系統不僅支持與各種上位監控軟件的通訊，例如iFIX、INTOUCH、組態王、MCGS、力控等，而且支持與主流品牌觸摸屏的通訊，例如Pro-face、HITECH、eView、Weinview、nTou。只要HMI支持標準的通訊協議，都可以很方便的進行連接。
　　
　　強大的擴展功能可為遠期擴容、升級改造預留接口及容量。
　　
　　（3）過程診斷和在線維護
　　
　　提供的強大診斷功能，能夠方便、訪問相關信息，發現導致故障的根本原因以及需要修正的過程參數等，以便提前發現生產過程中存在的問題，可以避免設備意外停機，從而降低運營成本。
　　
　　操作站安裝上位監控組態軟件HollyView6.53及LK編程軟件PowerProV4，具有強大的功能，可方便、直觀地進行上位機組態和PLC編程，且支持在線下載、在線修改以及離線仿真調試等功能。
　　
　　4、污水深度處理控制系統的設計與實現
　　
　　4.1概述
　　
　　污水處理廠升級改造控制系統設計基于現代*控制思想，采用分散控制、集中監測管理的控制方式，以和利時公司LK系列PLC為核心的控制系統。基于LK系列PLC應用于污水處理廠，完滿足A2/O生物除磷脫氮處理工藝控制的要求，提供了一種高可靠性、低成本、更優化的控制方案。
　　
　　LK系列PLC是和利時公司在總結十多年控制系統設計和幾千個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的性能，而且具有更高的可靠性、更佳的開放性和易用性。
　　
　　4.2系統結構設計
　　
　　整個控制系統的結構原理圖如圖1所示，系統由1個中央控制室和6個現場PLC控制站組成。現場PLC控制站，由PLC系統及檢測儀表組成，對各工藝過程進行分散控制；再由中央控制室，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，網絡結構為星形，通訊速率為100Mbps，傳輸介質為光纖。　　　　
　　6個現場PLC控制站分配如表1所示。
　　　　　　
　　整個系統采用二級網絡結構，即生產管理網和生產控制網，將過程實時數據、運行操作監視數據信息同非實時信息及共享資源信息分開，分別使用不同的網絡。有效地提高了通訊的效率，降低了通訊負荷。生產管理網采用工業以太網，網絡結構為星形，傳輸介質為光纖。生產控制網采用現場總線形式，采用Profibus通用的開放式現場總線，傳輸介質為屏蔽雙絞線。
　　
　　污水處理廠升級改造控制系統設計為三種控制方式，三種方式的級別由高到低依次為就地手動、遠程手動、遠程自動。
　　
　　PLC控制站主要監控參數有：溫度、壓力、流量、液位、pH值、ORP（氧化還原）、DO（溶解氧）、COD（化學需氧量）、MLSS（污泥濃度）、設備運行狀態及設備運行控制等。
　　
　　4.3系統功能及軟件實現
　　
　　和利時公司的上位監控組態軟件HollyView6.53及LK編程軟件PowerProV4提供了強大的軟件編程及系統功能的實現。
　　
　　（1）權限管理
　　
　　操作員進入系統使用密碼：系統提供分級的用戶進入密碼系統，所以低級操作員只能進入基本操作功能，同時較別的操作人員，按照不同的密碼，可進入不同的系統組態功能。
　　
　　提供12級的密碼：一旦操作員提供了正確的密碼，他可以修改他的密碼，而他的權限不能發生變化。
　　
　　（2）流程圖
　　
　　LCD畫面為操作員了解生產過程狀態提供了顯示窗口，并能支持以下幾類畫面：
　　
　　總貌畫面：顯示系統各設備，裝置，區域的運行狀態以及全部過程參數變量的狀態，測量值、設定值、控制方式（手動/自動狀態）、高低報警等信息，從各顯示塊可以調出其它畫面。
　　
　　分組畫面：以模擬儀表的表盤形式按事先設定的分組，同時顯示幾個回路的信息，如過程參數變量的測量值，調節器的設定值，輸出值控制方式等。變量每秒更新一次，分組可任意進行，操作員可從分組畫面調出任一變量（模擬量或離散量）的詳細信息。
　　
　　單點畫面（調整畫面）：顯示一個參數，控制點的全部信息以及實時趨勢和歷史趨勢，從調整畫面也可直接對模擬回路進行設定，調整操作。
　　
　　流程圖顯示如圖2所示。　　　　
　　（3）趨勢功能
　　
　　操作員可通過菜單或按鈕進入實時曲線畫面或歷史曲線畫面，可選擇需要的工藝參數查看實時曲線或歷史曲線，可同時顯示多條實時曲線，可對曲線進行放大或縮小，可任意選擇需要查看的時間段。
　　
　　根據采集到的信息，建立各類信息數據庫并對各類工藝參數值作出趨勢曲線（含歷史數據），供調度員分析比較，以便找出污水廠的*運行規律，分析事故原因，改進管理方法，保證出水水質，提高經濟效益。
　　
　　記錄生產所要求的所有參數的歷史數據，記錄時間不小于一個月，并可根據要求任意設置。對重要的數據進行在線存儲。可以通過歷史報表或者歷史趨勢曲線的方式來檢索歷史數據。
　　
　　趨勢功能顯示如圖3所示。　　　　
　　（4）報警功能
　　
　　報警設有優先級管理，任意管理均在屏幕上顯示，顯示所有報警列表及報警的詳細內容。監控計算機的顯示畫面的頂部或底部應設置一個報警條。在報警條內顯示zui近三個報警未消失未被確認報警的詳細內容，操作員通過畫面切換選擇報警表，報警表內顯示中控操作站計算機中配置的所有報警列表及報警的詳細內容。報警功能顯示如圖4所示。　　　　
　　（5）操作記錄
　　
　　系統發生的較大情況（如設備故障、越限報警、大型設備的啟停等情況）或操作人員對設備的操作、參數的調整，可通過事件記錄功能記錄下這些情況和操作過程作為今后分析事故的基礎資料。事件記錄的內容包括各種事件信息、事件發生時的用戶、事件發生的時間等。
　　
　　（6）報表打印
　　
　　系統自動記錄各種工藝運行數據，將所有數據歸納匯總形成報表，報表可定時打印或召喚打印，操作員也可通過菜單或按鈕進入報表畫面查看歷史報表。
　　
　　自動生成的生產報表（班/日/月）供生產管理之用，機內存儲六個月的信息量。采用了DDE技術，從而使用戶能夠直接使用Excel編制報表，借助Excel的強大功能，用戶可以隨心所欲地編制各種各樣的報表。可以是實時數據的報表，也可以是歷史數據的報表。
　　
　　5、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。