火力发电厂污水处理监控系统的设计与实施

摘    要：本文采用Siemens公司S7－300型PLC和相应的I/O控制模块、MicroMaster变频器、SIPAN 32液体分析仪和标准的工业组态软件WinCC等组建了一套分布式污水处理监控系统，并采用Profibus－DP作为现场通信网络。
关键词： PLC；分布式控制系统；Profibus

本设计根据一热电厂的特点及污染物的监测结果，采用了Siemens公司的模块化、小型PLC系统S7-300以及相应的I/O模块、MicroMaster通用变频器和专用于污水分析的SIPAN 32液体分析仪，组建了一套污水排放处理与监测系统。该污水处理系统采用现代控制技术和科学的污水处理方法，可随时调整设备及工艺过程参数。

污水处理工艺
污水处理主要利用生物化学的方法并采用氧化沟工艺完成，由预处理系统、物化处理系统、生化处理系统和污泥处理系统等四个分系统构成。其工艺流程见图1所示。
图1中设备均有现场手动和自动工作方式供选择。当选择自动工作方式时,其所有动作均由PLC完成，且上位机可通过网络实现控制。

污水处理监控系统组成
污水处理采用分布式计算机监控管理方式，各个现场控制单元可以独立运行，并将采集到的液位、pH值、流量、各种运行状态量以及电机、泵的运行健康状态等信息通过ProfiBus总线上传到中控室，以备工作人员监视。调试中控室的操作人员也可通过ProfiBus将必要的控制参数下传到各个现场控制单元，以调整控制和工艺参数。同时，为备现场操作，每个现场监控单元均有手动/自动按钮，可实现现场和远控操作，从而提高了整个系统的可靠性、安全性以及运行的经济性。另外，为便于与整个热电厂的监控系统进行系统互联，实现企业管控一体化，污水监控系统还通过Ethernet经厂数据交换机与热电厂整个监控系统互联。
污水处理监控系统将ProfiBus－DP现场总线作为现场通信网络，采用单主站/多从站方式。包括现场自动化单元、集控单元和现场总线通讯三个部分，配置图如图2所示。
现场自动化单元的组成
一般地，污水处理系统的现场自动化单元安装在比较潮湿的环境中，通过采用温控除湿和柜子顶部通风等措施以防潮。其核心采用Siemens的高可靠性可编程控制器S7-300。该可编程控制器采用模块化结构设计，配有CPU模块、开关量输入DI模块、开关量输出DO模块、模拟量AI模块和通讯模块，并采用STEP7 5.1软件对PLC各个模块的参数进行组态。液位信号的检测采用硬件冗余措施，即传感器模拟采样和水位接点检测同时进行，以保证检测的可靠性。
单元的设置
粗细格栅程控系统
粗细格栅均采用液位差控制，在粗细格栅前后装有超声波液位探头，由变送器将0~10V的液位差信号送到PLC模拟量输入模块，当液位差超过设定值时，PLC强制启动格栅进行清渣，否则按预定周期清渣。为保证控制可靠运行，需定期对超声波液位计进行维护和校正。格栅程控系统根据格栅前后的水位差，自动控制栅耙，按预定周期运行，以保证格栅正常工作，格栅调节有现场控制(手动)和远程控制(自动)两种模式。
水泵程控系统
水泵程控系统按水泵池的液位经过MicroMaster通用变频器，并采用数字增量式PID方式控制水泵的转数和流量。每台泵房均有主运行泵、备用泵，以备不测。对每个泵的控制，同样有现场控制和远程控制两种模式。
氧化沟空气量调节系统
氧化沟是污水进行生化反应的场所，主要通过转刷控制污水的曝气时间。每条氧化沟设有8台转刷，并在出水堰口设有溶解氧仪、氧化还原电位计和污泥浓度计、SIPAN 32液体分析仪。溶解氧仪和氧化还原电位计输入信号连接在PLC不同的输入模块上，以免由于模块损坏造成控制失调。曝气空气量的调整，采用控制鼓风机导叶片的方式，即通过改变鼓风机导叶片的角度来改变空气量，从而保证溶解氧的需求量。
回流污泥量调节系统
回流污泥量的调节是为了将氧化沟中的悬浮污泥浓度控制在规定的范围内，其调节采用数字式增量PID控制方式，按进入氧化沟的水量控制回流污泥泵的开启台数和回流污泥管道上阀门的角度，以保证回流污泥管道上阀门的合适比例，所有泵的调节均由变频器控制。
泥温调节系统
其任务是为了控制污泥沟中的泥温在允许范围内，以保证其在35℃内充分发酵。泥温调节采用热平衡控制方式，即改变换热器的热水温度或流量来改变换热量，以实现污泥温度的调节。对每个泵的控制，也都有现场控制和远程控制两种模式。 
清化调节系统
清化调节系统由沼气搅拌程控系统、消化池配泥程控系统、滤池程控系统等组成，主要完成水质的清化过程，满足环保要求。
若以上各现场控制单元PLC任何一台出现故障，现场报警信号立即通过网络反馈到中控监视室，并在监视屏上显示故障位置，同时声光报警，操作人员便可根据实际情况进行操作，排除故障或自动启动备用泵。
上位中控监视计算机
由于单纯的PLC无法实现工艺的最佳控制，如确定转刷运行方式和加药量的控制等，必须有上位机参与控制。上位机在本系统中不再单纯地以信息采集为主要功能，污水处理厂在运行稳定后，它可运用历史数据、运行经验以及先进的控制手段进一步提高处理的自动化水平，以达到降低能耗的最佳控制，并可实现企业的管控一体化。
中控监视计算机采用工业计算机，并用大型电子投影仪作为电子屏。本工控机采用PCA6181/1GHz CPU和256M内存。为满足数据备份的需要，集控站配有双硬盘，容量均为40G，人体工程键盘以及3D鼠标给用户提供了友好的人机信息交互界面。
现场总线
现场总线采用Profibus-DP，其物理层采用EIA-RS-485协议，通信板卡采用CP5611用于Profi bus-DP的主站和从站之间通讯。CP5611的传输速率从9.6k bit/s 到12M bit/s，每个字符为11个位。在CP5611通信软卡安装时，与Softnet-DP (Softnet-DP V5.3)软件配套使用；应用于从站时，必须与Softnet-DP Slave软件包配套使用。

监视软件设计
上位机监视系统采用Windows 2000 Professional为操作系统，并采用WinCC组态软件。该工控组态软件是一个集成的HMI系统和监控管理系统，其特性之一是全面开放。各系统集成商可用WinCC作为其系统扩展的基础，通过开放接口开发自己的应用软件。本系统将WinCC与STEP7配合使用。因为在STEP7中定义的变量可以在WinCC中直接使用，从而节省了工程开发时间。另外，WinCC中的Ｃ语言脚本及提供的与数据库之间的接口更增加了其应用功能，可满足用户的复杂要求。

结语
本系统通过可编程控制器与变频调速技术在污水处理系统中的配合使用，提高了整个污水处理系统的自动化水平。同时，由于PLC模块化的特性，软件采用WinCC，若处理规模加大，只需增加相应的功能模块，增加适当的软件功能就可在较小的投入下很方便地实现规模扩展。该控制系统通用性好，扩展性强，对于我国中小型热电厂污水处理的自动化建设具有一定的推广价值。■

参考文献
1 铁道部标准处.污水处理技术与应用.北京. 中国铁道出版社，1987.2
2 于海生等.微型计算机控制技术.北京：清华大学出版社，1999.6

作者简介：
王绪军，高级工程师，主要从事生产过程计算机控制、现场总线应用等方面的研究工作。