基于PLC的DCS控制系統(tǒng)在污水處理廠中的應(yīng)用

　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，各級(jí)政府對(duì)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(diǎn)，對(duì)控制系統(tǒng)的性能和價(jià)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(duì)生活污水進(jìn)行處理，日處理量為3萬(wàn)噸。其DCS系統(tǒng)以高性?xún)r(jià)比的PLC為控制單元，采用商用計(jì)算機(jī)為監(jiān)控站。整個(gè)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化的情況下，有效降低了系統(tǒng)成本，從2004年投產(chǎn)至今運(yùn)行情況良好。
1 生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介
　　污水處理是一種連續(xù)的生化反應(yīng)過(guò)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(jī)房、加藥間、儲(chǔ)泥池、脫水機(jī)房、接觸消毒池組成。該工藝具有以下特點(diǎn)：
　?。?）可升降的潷水器最大限度降低了排水水流對(duì)底部沉淀污泥擾動(dòng)。
　?。?）抗沖擊力強(qiáng)，對(duì)難降解有機(jī)物的去除效率高，同時(shí)具有脫氮除磷功能。
　　（3）工藝流程短，占地面積小，建設(shè)費(fèi)用低，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用省。
　?。?）管理簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，出水水質(zhì)好，無(wú)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(kù)區(qū)國(guó)債項(xiàng)目建設(shè)的第一批污水處理廠，根據(jù)實(shí)際的工藝要求及建設(shè)特點(diǎn)，該項(xiàng)目對(duì)控制系統(tǒng)提出了如下要求：
　?。?）受控設(shè)備控制點(diǎn)數(shù)在800點(diǎn)內(nèi)?？刂乒に囕^為復(fù)雜，但是我們所需要的算法并不復(fù)雜，基本以時(shí)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(huì)有第三方產(chǎn)品，網(wǎng)絡(luò)通訊及其協(xié)議須具備開(kāi)放性和標(biāo)準(zhǔn)性。
　?。?）測(cè)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(chǎng)總線通訊能力，所以輸入、輸出控制還是以傳統(tǒng)的I／O點(diǎn)為基礎(chǔ)。
　?。?）作為國(guó)債投資項(xiàng)目，盡可能在滿足要求的前提下降低造價(jià)。
　　經(jīng)過(guò)比較，該廠的自動(dòng)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(jià)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(duì)流程工業(yè)的儀表控制系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)的，主要功能是實(shí)現(xiàn)連續(xù)物理量的監(jiān)視與調(diào)節(jié)。PLC是針對(duì)傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)而發(fā)展起來(lái)的，主要功能是實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量的邏輯控制。
　　一般來(lái)說(shuō)，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(tái)PLC能夠互連起來(lái)而形成的較大控制系統(tǒng)。與單個(gè)的PLC相比有幾點(diǎn)重大的改變：
　?。?）在網(wǎng)絡(luò)上掛接了在線的通用計(jì)算機(jī)，其作用一是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、編程和下裝，二是在線監(jiān)視被控過(guò)程的狀態(tài)。這樣，一個(gè)具有現(xiàn)場(chǎng)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(jì)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(cè)及控制和混合控制的功能。
　　（3）越來(lái)越多的PLC廠家把專(zhuān)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)和設(shè)備實(shí)現(xiàn)集成，以組成大型的控制系統(tǒng)。
　　上述幾點(diǎn)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(chǎng)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(kāi)放系統(tǒng)的要求，同時(shí)通過(guò)擴(kuò)展能夠增加現(xiàn)場(chǎng)總線通訊功能。加上PLC在價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)，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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
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(kāi)放式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，由三個(gè)下位控制站PLC0、PLC1、PLC2站，1個(gè)上位工程師站、1個(gè)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(guò)以太網(wǎng)采集各設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)并用RS232的通訊方式與馬賽克屏通訊，將生產(chǎn)的整個(gè)流程以及設(shè)備狀態(tài)顯示出來(lái)。

　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(hào)CASS池、2號(hào)CASS池、3號(hào)CASS池、鼓風(fēng)機(jī)房、儲(chǔ)泥池及流量井流量檢測(cè)、接觸消毒池的部分檢測(cè)控制、配電室的部分電力參數(shù)監(jiān)測(cè)。
　　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(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用DELL公司的OptiPlex系列臺(tái)式機(jī)。OptiPlex系列臺(tái)式機(jī)定位于初級(jí)服務(wù)器應(yīng)用，在高性能的前提下其專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)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(tái)的，商用機(jī)對(duì)操作系統(tǒng)的兼容性比工控機(jī)略好。
　　該廠整個(gè)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(diǎn)。工業(yè)以太網(wǎng)是以傳統(tǒng)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，針對(duì)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(jià)的特點(diǎn)。
3 自控系統(tǒng)功能
3．1 監(jiān)控軟件
　　監(jiān)控軟件采用開(kāi)物2000軟件，開(kāi)物2000為北京華富慧通開(kāi)發(fā)的一款通用監(jiān)控軟件，該軟件對(duì)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(chǎng)設(shè)備、自動(dòng)控制應(yīng)用軟件和企業(yè)管理應(yīng)用軟件之間提供了開(kāi)放、一致的接口規(guī)范，為來(lái)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(duì)DCS系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)方式。即通過(guò)就地控制箱或MCC上的按扭、開(kāi)關(guān)操縱設(shè)備。
　?。?）遙控方式。通過(guò)中央管理中心的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)在手動(dòng)模式下控制設(shè)備。
　?。?）自動(dòng)方式。系統(tǒng)根據(jù)工況自動(dòng)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(dòng)方式和遙控方式的切換由兩臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)完成。
3．3 監(jiān)控功能
　　兩臺(tái)計(jì)算機(jī)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(duì)全廠工藝設(shè)備運(yùn)行狀況、運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行集中監(jiān)控，遙控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)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(duì)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(shí)根據(jù)工藝要求選擇自動(dòng)、順序、定時(shí)等控制方式。
　?。?）報(bào)警及報(bào)警記錄功能。當(dāng)設(shè)備發(fā)生事故時(shí)，系統(tǒng)將在計(jì)算機(jī)、馬賽克大屏幕、就地控制箱上進(jìn)行報(bào)警指示。同時(shí)計(jì)算機(jī)將對(duì)所發(fā)生的報(bào)警內(nèi)容、時(shí)間及確認(rèn)時(shí)間進(jìn)行記錄。在計(jì)算機(jī)上還可進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警。
　　（3）聯(lián)鎖保護(hù)功能。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到局部故障后啟動(dòng)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_(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)或現(xiàn)場(chǎng)控制站的人機(jī)界面上進(jìn)行報(bào)警上下限、調(diào)節(jié)參數(shù)、運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)的設(shè)定。
　?。?）數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)功能。系統(tǒng)可對(duì)重要數(shù)據(jù)如工藝參數(shù)、工況、設(shè)備運(yùn)行時(shí)間等進(jìn)行記錄儲(chǔ)存，以備調(diào)用。
　?。?）操作記錄功能。系統(tǒng)自動(dòng)保存重要操作記錄，如改動(dòng)參數(shù)，操作設(shè)備的操作員代號(hào)、時(shí)間、內(nèi)容等。
　?。?）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線和歷史數(shù)據(jù)曲線。對(duì)重要工藝參數(shù)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線顯示，并記錄歷史數(shù)據(jù)曲線。
　?。?）多級(jí)口令保護(hù)功能。在中央管理中心的任何一臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)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(wèn)該級(jí)畫(huà)面。
　　（9）打印功能?？蛇M(jìn)行報(bào)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(kāi)始實(shí)施，2004年4月份設(shè)備移交廠方運(yùn)行，其DCS系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠無(wú)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(gè)工廠的運(yùn)行情，DCS系統(tǒng)對(duì)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(dòng)控制。整個(gè)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(yùn)行，大大降低了值班員的勞動(dòng)強(qiáng)度。該系統(tǒng)的投運(yùn)解決了以往污水處理廠自動(dòng)化程度低，所有設(shè)備均需手動(dòng)操作，值班人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作易出錯(cuò)，出水水質(zhì)不穩(wěn)定、生產(chǎn)過(guò)程無(wú)法集中監(jiān)控的問(wèn)題。該廠作為三峽庫(kù)區(qū)第一批興建的污水處理廠，對(duì)三峽庫(kù)區(qū)水質(zhì)的保護(hù)起到了積極的作用。各級(jí)政府領(lǐng)導(dǎo)多次對(duì)該廠進(jìn)行視察和工作指導(dǎo)，對(duì)該廠的生產(chǎn)以及工藝水平給予了良好的評(píng)價(jià)，取得了很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
5 結(jié)語(yǔ)
　　PLC作為成熟的控制器其編程語(yǔ)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(duì)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(fèi)的同時(shí)降低了系統(tǒng)造價(jià)。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(shí)實(shí)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(dòng)化控制中具有成熟可靠，既滿足生產(chǎn)工藝要求，同時(shí)也降低了工程造價(jià)，具有很好的應(yīng)用前景。