摘  要 和利時(shí)LK系列PLC應(yīng)用于天津紀(jì)莊子污水處理廠升級(jí)改造工程，根據(jù)污水處理廠工藝要求，提供了一種降低成本、節(jié)省空間、更優(yōu)化的控制方案。本文介紹了控制系統(tǒng)的組成和軟件設(shè)計(jì)思路。該污水處理廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的全套硬件設(shè)備及軟件設(shè)計(jì)工作由北京和利時(shí)自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司完成，其自動(dòng)化控制系統(tǒng)由一個(gè)中央控制室和4個(gè)PLC現(xiàn)場(chǎng)控制站組成。

關(guān)鍵詞  和利時(shí)LK系列PLC；污水處理廠自控系統(tǒng)

1 引言
紀(jì)莊子污水處理廠位于天津市河西區(qū)衛(wèi)津河以西、津港運(yùn)河以北、紀(jì)莊子排污河以南的區(qū)域，占地面積30公頃。紀(jì)莊子污水處理廠的污水處理工藝采用多級(jí)AO處理工藝。紀(jì)莊子污水處理廠升級(jí)改造工程是天津市污水處理工程項(xiàng)目之一，主要內(nèi)容包括污水處理廠的工藝設(shè)備、電氣設(shè)備和自控儀表設(shè)備等的升級(jí)改造。紀(jì)莊子污水處理廠服務(wù)于天津市紀(jì)莊子排水系統(tǒng)，升級(jí)改造工程的設(shè)計(jì)處理能力為45萬(wàn)噸/日。

紀(jì)莊子污水處理廠升級(jí)改造工程的工作內(nèi)容包括改造老系統(tǒng)曝氣沉淀池、改造老系統(tǒng)初次沉淀池集配水井、改造老系統(tǒng)初次沉淀池、改造老系統(tǒng)初次沉淀池為厭氧池、改造老系統(tǒng)生物池、改造老系統(tǒng)污泥泵房、新建老系統(tǒng)接觸池、改造老系統(tǒng)加氯間、改造擴(kuò)建系統(tǒng)初次沉淀池為厭氧池、改造擴(kuò)建系統(tǒng)生物池、新建擴(kuò)建系統(tǒng)接觸池、改造擴(kuò)建系統(tǒng)污泥泵房、新建加藥及碳源投加間、新增除臭系統(tǒng)。污水和污泥的處理工藝流程如圖1所示。
 

2 污水處理自控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
為了保證生產(chǎn)過(guò)程的安全可靠性和生產(chǎn)連續(xù)性，兩個(gè)增補(bǔ)站繼續(xù)使用歐姆龍CS1系列PLC，兩個(gè)新增站采用基于和利時(shí)LK系列PLC的集中和分散相結(jié)合的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠工藝參數(shù)、電氣參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、控制、連鎖、報(bào)警以及報(bào)表打印等。通過(guò)主站和遠(yuǎn)程站間的通訊，完成整個(gè)工藝流程所必需的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊、順序控制、時(shí)間控制、回路調(diào)節(jié)、上位監(jiān)視和管理等功能。不僅滿足了工藝流程的要求，而且還能實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，提高生產(chǎn)管理水平。整個(gè)系統(tǒng)由1個(gè)中央控制室和4個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站組成?，F(xiàn)場(chǎng)控制站由PLC系統(tǒng)和檢測(cè)儀表組成，對(duì)各個(gè)工藝過(guò)程進(jìn)行分散控制，再由中央控制室對(duì)全廠實(shí)行集中管理。

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)明、高效﹑開(kāi)放的特點(diǎn)，將以前的五層通訊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為管理層﹑控制層和設(shè)備層等具有優(yōu)異通信功能的三層網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。管理層采用Ethernet網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)之間、PLC與第三方設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。控制層采用Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)各個(gè)控制器與IO模塊的通訊。
設(shè)備層可以采用串行總線網(wǎng)絡(luò)、Ethernet網(wǎng)絡(luò)或Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)等多種。
設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)﹑儀表和人機(jī)界面等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與PLC之間的通信。
就地控制具有最高的控制權(quán)限。當(dāng)自控系統(tǒng)由于一些不可抗力導(dǎo)致無(wú)法正常運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò)就地控制保證污水處理過(guò)程的連續(xù)性。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。
 
 

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與配置
根據(jù)污水處理工藝的控制要求，污水處理工程自動(dòng)化控制系統(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）和就地控制級(jí)?，F(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)通過(guò)PLC系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)主干通訊網(wǎng)絡(luò)傳送到中央控制室的監(jiān)控計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控和管理。中央控制室和PLC控制站之間的數(shù)據(jù)通訊采用高速實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為環(huán)形，傳輸介質(zhì)為光纖，通訊速率為100Mbps。同樣，中央控制室監(jiān)控計(jì)算機(jī)的控制命令也通過(guò)上述網(wǎng)絡(luò)傳送到PLC，實(shí)施對(duì)各單元的分散控制。污水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與功能配置如圖3所示。
 
 

3 污水處理自控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與配置
3.1 生產(chǎn)管理級(jí)（中央控制室）
中央控制室設(shè)有兩臺(tái)監(jiān)控操作站、一臺(tái)工程師站、兩臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器、一臺(tái)視頻監(jiān)視服務(wù)器、一套DLP拼接屏、一臺(tái)故障打印機(jī)、一臺(tái)圖表打印機(jī)、UPS電源、一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜。中央控制室主要完成對(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DLP拼接屏可直觀地動(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。同時(shí)，中央控制室還配置了專業(yè)的工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件King Historian，該項(xiàng)目需要進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的變量點(diǎn)數(shù)達(dá)8000多點(diǎn)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)頻率要求很高，普通變量要求30秒鐘記錄一個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)于數(shù)據(jù)精度要求較高的變量，例如“瞬時(shí)流量”，要求10秒鐘記錄一次。所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)數(shù)據(jù)、瞬時(shí)流量、累計(jì)流量，提升泵、閘門(mén)、污泥泵、刮泥機(jī)、攪拌機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等各設(shè)備電壓、電流、功率、耗電量，各設(shè)備啟停時(shí)間、啟停次數(shù)、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、故障次數(shù)等。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)（PLC控制站或控制層）
控制層是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制的關(guān)鍵，控制層的PLC通過(guò)程序控制整個(gè)污水處理廠設(shè)備按照工藝要求自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的采集，現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)有壓力、流量、溫度、PH值等，采集到的數(shù)據(jù)上傳至管理層，并最終通過(guò)工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件King Historian進(jìn)行存儲(chǔ)。
按照工藝流程和構(gòu)筑物分布特點(diǎn)，廠內(nèi)現(xiàn)有4套不同規(guī)模的分控站（PLC1~4）。根據(jù)工程改造內(nèi)容、工藝及控制對(duì)象的功能、設(shè)備量，以及工藝流程、平面布置、現(xiàn)有控制站布局，將更新現(xiàn)有分控站PLC2和PLC3，調(diào)改現(xiàn)有分控站PLC1和PLC4，各PLC分別負(fù)責(zé)各自范圍內(nèi)工藝參數(shù)的采集和設(shè)備運(yùn)行的控制。具體內(nèi)容如表1所示：

4 污水處理自控系統(tǒng)的主要功能
基于LK冗余系統(tǒng)的污水處理自控系統(tǒng)具有很高的自動(dòng)化程度，系統(tǒng)功能完善，具有良好的操作和使用性能。

4.1 權(quán)限管理
操作員進(jìn)入系統(tǒng)使用密碼：系統(tǒng)提供分級(jí)的用戶進(jìn)入密碼系統(tǒng)，所以低級(jí)操作員只能進(jìn)入基本操作功能，同時(shí)較高級(jí)別的操作人員，按照不同的密碼，可進(jìn)入不同的系統(tǒng)組態(tài)功能。
提供12級(jí)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(quán)限不能發(fā)生變化。

4.2 流程圖顯示
LCD畫(huà)面為操作員了解生產(chǎn)過(guò)程狀態(tài)提供了顯示窗口，并能支持以下幾類(lèi)畫(huà)面：
總貌畫(huà)面：顯示系統(tǒng)各設(shè)備，裝置，區(qū)域的運(yùn)行狀態(tài)以及全部過(guò)程參數(shù)變量的狀態(tài)，測(cè)量值，設(shè)定值，控制方式（手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)），高低報(bào)警等信息，從各顯示塊可以調(diào)出其它畫(huà)面。
分組畫(huà)面：以模擬儀表的表盤(pán)形式按事先設(shè)定的分組，同時(shí)顯示幾個(gè)回路的信息，如過(guò)程參數(shù)變量的測(cè)量值，調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，輸出值控制方式等。變量每秒更新一次，分組可任意進(jìn)行，操作員可從分組畫(huà)面調(diào)出任一變量（模擬量或離散量）的詳細(xì)信息。
單點(diǎn)畫(huà)面（調(diào)整畫(huà)面）：顯示一個(gè)參數(shù)，控制點(diǎn)的全部信息以及實(shí)時(shí)趨勢(shì)和歷史趨勢(shì)，從調(diào)整畫(huà)面也可直接對(duì)模擬回路進(jìn)行設(shè)定，調(diào)整操作。

4.3 趨勢(shì)功能
操作員可通過(guò)菜單或按鈕進(jìn)入實(shí)時(shí)曲線畫(huà)面或歷史曲線畫(huà)面，可選擇需要的工藝參數(shù)查看實(shí)時(shí)曲線或歷史曲線，可同時(shí)顯示多條實(shí)時(shí)曲線，可對(duì)曲線進(jìn)行放大或縮小，可任意選擇需要查看的時(shí)間段。
根據(jù)采集到的信息，建立各類(lèi)信息數(shù)據(jù)庫(kù)并對(duì)各類(lèi)工藝參數(shù)值作出趨勢(shì)曲線（含歷史數(shù)據(jù)），供調(diào)度員分析比較，以便找出污水處理廠的最佳運(yùn)行規(guī)律，分析事故原因，改進(jìn)管理方法，保證出水水質(zhì)，提高經(jīng)濟(jì)效益。
記錄生產(chǎn)所要求的所有參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，記錄時(shí)間不小于三年，并可根據(jù)要求任意設(shè)置。對(duì)重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線存儲(chǔ)?？梢酝ㄟ^(guò)歷史報(bào)表或者歷史趨勢(shì)曲線的方式來(lái)檢索歷史數(shù)據(jù)。

4.4 報(bào)警功能
報(bào)警設(shè)有優(yōu)先級(jí)管理，任意管理均在屏幕上顯示，顯示所有報(bào)警列表及報(bào)警的詳細(xì)內(nèi)容。監(jiān)控計(jì)算機(jī)的顯示畫(huà)面的頂部或底部應(yīng)設(shè)置一個(gè)報(bào)警條。在報(bào)警條內(nèi)顯示最近三個(gè)報(bào)警未消失未被確認(rèn)報(bào)警的詳細(xì)內(nèi)容，操作員通過(guò)畫(huà)面切換選擇報(bào)警表，報(bào)警表內(nèi)顯示中控操作站計(jì)算機(jī)中配置的所有報(bào)警列表及報(bào)警的詳細(xì)內(nèi)容。報(bào)警的詳細(xì)內(nèi)容包括：
報(bào)警的當(dāng)前狀態(tài)；
每個(gè)“未消失”的報(bào)警發(fā)生時(shí)間；
每個(gè)“消失”的報(bào)警發(fā)生時(shí)間及“消失”的時(shí)間；
每個(gè)“已確認(rèn)”的報(bào)警的確認(rèn)時(shí)間和用戶；
當(dāng)報(bào)警出現(xiàn)時(shí)，報(bào)警打印機(jī)立即打印報(bào)警信息。

4.5 操作記錄
系統(tǒng)發(fā)生的較大情況（如設(shè)備故障、越限報(bào)警、大型設(shè)備的啟停等情況）或操作人員對(duì)設(shè)備的操作、參數(shù)的調(diào)整，可通過(guò)事件記錄功能記錄下這些情況和操作過(guò)程作為今后分析事故的基礎(chǔ)資料。事件記錄的內(nèi)容包括各種事件信息、事件發(fā)生時(shí)的用戶、事件發(fā)生的時(shí)間等。

4.6 報(bào)表打印
系統(tǒng)自動(dòng)記錄各種工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)，將所有數(shù)據(jù)歸納匯總形成報(bào)表，報(bào)表可定時(shí)打印或召喚打印，操作員也可通過(guò)菜單或按鈕進(jìn)入報(bào)表畫(huà)面查看歷史報(bào)表。
自動(dòng)生成的生產(chǎn)報(bào)表（班/日/月）供生產(chǎn)管理之用，機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)六個(gè)月的信息量。采用了DDE技術(shù)，從而使用戶能夠直接使用Excel編制報(bào)表，借助Excel的強(qiáng)大功能，用戶可以隨心所欲地編制各種各樣的報(bào)表。無(wú)論是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的報(bào)表，還是歷史數(shù)據(jù)的報(bào)表均可以實(shí)現(xiàn)。

5 污水處理自控系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)
基于LK系列PLC的污水處理系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：
? 
可用性和可靠性
? 系統(tǒng)組件的設(shè)計(jì)符合真正的工業(yè)等級(jí)，控制系統(tǒng)能在嚴(yán)格的工業(yè)環(huán)境下長(zhǎng)期、穩(wěn)定地運(yùn)行，盡可能降低控制系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)，保證能源收益，確保水處理廠7×24小時(shí)的不間斷供水服務(wù)。
? LK冗余方案可確保工藝過(guò)程高度可靠地運(yùn)行，如果主CPU模塊出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)快速、穩(wěn)定地?zé)o擾切換到備用CPU模塊，可以避免因?yàn)榭刂茖映霈F(xiàn)問(wèn)題而導(dǎo)致的負(fù)面效應(yīng)以及生產(chǎn)過(guò)程停頓。
? PLC控制站一般設(shè)于高電磁干擾環(huán)境，如提升泵房、鼓風(fēng)機(jī)房、變配電所等，我們的控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的電磁兼容性，系統(tǒng)采用各種隔離、抗干擾設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)能在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。
? PLC控制站與遠(yuǎn)程IO站之間距離較遠(yuǎn)，本系統(tǒng)PLC鼓風(fēng)機(jī)房控制站與4個(gè)生物池遠(yuǎn)程IO站采用DP光纖網(wǎng)絡(luò)通訊，由于采用光纖通訊，大大提高了通訊的可靠性。LK的DP光纖通訊模塊可以實(shí)現(xiàn)PLC控制主站與遠(yuǎn)程IO站的4級(jí)冗余通訊，每一級(jí)的通訊距離可以達(dá)到5KM，能夠充分滿足大型污水處理廠PLC控制主站與遠(yuǎn)程IO站通訊距離遠(yuǎn)的需求。
? 水處理環(huán)境可能因遭受污染并加速設(shè)備中電子元件的老化，我們可提供特殊的保護(hù)工藝（保護(hù)涂層）的模塊，提高元件在腐蝕性化學(xué)品和腐蝕性環(huán)境中的使用壽命，避免意外停機(jī)，降低維護(hù)成本。
? 

節(jié)能降耗方案
? 電能成本占水處理設(shè)施總運(yùn)營(yíng)成本的1/3，主要耗電設(shè)備為水泵和風(fēng)機(jī)，我們可提供優(yōu)化的變頻控制方案，使被損耗的電能可以降低到額定值的50%到80%。
? 對(duì)于非變頻電機(jī)設(shè)備，如格柵、螺旋輸送器、攪拌器，我們可提供工藝優(yōu)化控制庫(kù)，如定時(shí)控制與設(shè)定參數(shù)相結(jié)合的控制，使這些設(shè)備在相應(yīng)工藝條件下，發(fā)揮最大的效率，最大程度地降低電能的損耗。
? 在數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控層（SCADA），可以使用數(shù)據(jù)分析等工具來(lái)創(chuàng)建報(bào)告，并分析過(guò)程數(shù)據(jù)，從而對(duì)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，最終降低電能消耗。
? 

開(kāi)放性和兼容性
? 基于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的通訊網(wǎng)絡(luò)可非常方便地將第三方設(shè)備接入，如污泥脫水機(jī)、加氯加藥系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)，可以顯著提高針對(duì)復(fù)雜工藝過(guò)程的控制能力，且允許大量過(guò)程反饋信息傳輸，支持設(shè)備參數(shù)訪問(wèn)功能，可提高系統(tǒng)的性能與診斷能力。
? 支持與各種上位監(jiān)控軟件（如iFIX、INTOUCH、組態(tài)王、MCGS、力控等），以及主流品牌觸摸屏（如Pro-Face、HITECH、eView、Weinview、nTouch）通訊，只要HMI支持標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議，都可以很方便的進(jìn)行連接。
? 

強(qiáng)大的擴(kuò)展功能可為遠(yuǎn)期擴(kuò)容、升級(jí)改造預(yù)留接口及容量。
? 

過(guò)程診斷和在線維護(hù)
? 提供的強(qiáng)大診斷功能，能夠方便、高效訪問(wèn)相關(guān)信息，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致故障的根本原因以及需要修正的過(guò)程參數(shù)等，以便提前發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題，可以避免設(shè)備意外停機(jī)，從而降低運(yùn)營(yíng)成本。
? 所有模塊支持帶電插拔，可以在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下更換故障模塊，不會(huì)因?yàn)閱蝹€(gè)模塊的更換而使整個(gè)系統(tǒng)停機(jī)等待，大大降低了系統(tǒng)的維護(hù)成本。
? 防混銷(xiāo)設(shè)計(jì)防止插錯(cuò)模塊引起不必要的損壞，確保系統(tǒng)順利運(yùn)行，且更換模塊時(shí)只需直接更換模塊，無(wú)需重新接線，維護(hù)更方便。
? 支持SD卡功能，在不方便使用計(jì)算機(jī)的情況下，可進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)、升級(jí)，使維護(hù)更加方便、快捷。
? 操作站安裝上位監(jiān)控組態(tài)軟件及LK編程軟件PowerPro V4，具有強(qiáng)大的功能，可方便、直觀地進(jìn)行上位機(jī)組態(tài)和PLC編程，且支持在線下載、在線修改以及離線仿真調(diào)試等功能。

6 結(jié)束語(yǔ)
本文論述了基于LK系列PLC的污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，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?；贚K的自動(dòng)控制系統(tǒng)已在多個(gè)污水處理廠得到實(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。
參考文獻(xiàn)
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