基于PLC的大型污水处理控制系统

唐俊涛，郑 萍，刘会勇，周 华，邓燕南

(1.西华大学电气信息学院，四川成都 610039;2.四川致源控制设备有限公司，四川成都 610041)

1 倒置A2O的污水处理工艺

污水处理是把从污水管网的污水转化为国家GB18918—2002一级A类排放水的过程。污水中含有大量的难以降解的有机物、无机盐、氮和磷，需要通过相应的处理工艺段进行处理，不同的污水处理工艺有不同的效果。本系统采用目前最先进的对污水有良好脱氮除磷效果的倒置A2O(AAO，Anaerobic-Anoxic-Oxic)处理工艺，其脱氮除磷功能明显优于传统A2O工艺［1］。整个污水处理工艺流程主要分为厂外提升泵站、预处理站、倒置A2O生化池站、二沉池站、反冲洗控制站、出水间站6个工艺段，系统工艺流程如图1所示。

图1 污水处理工艺流程图

各工艺段功能:厂外提升泵站将污水管网的污水提升后以一定速度送至污水处理厂进行处理;预处理站去除污水中粒径大于0.2 mm的沙粒和部分无机悬浮物，便于后续生化处理;倒置A2O生化池站去除有机物和营养物、SS(水质中悬浮物)、BOD(生化耗氧量)、COD(化学耗氧量)［2］;二沉池站通过自然沉淀对生化池处理后的污水进行泥水分离;反冲洗控制站通过滤池的过滤和反冲洗，进一步去除水中色度、SS及BOD、COD等污染物，减少细菌数量;出水间站用于化学除磷以及对出水的流量、水质进行监控。生化池作为整个污水处理的核心工艺，其对污水的处理效果直接影响到出水水质。

2 系统硬件设计

2.1 系统集成设计

不同的污水处理工艺有不同的控制系统方案，控制系统需要高效率地实现工艺要求。为了满足70万m3/d的污水处理量，设计了3条污水处理线同时工作来实现大容量地处理污水，3条线的处理工艺和控制方法完全相同。与之相应的是污水处理控制系统信息采集量大，控制过程复杂，使用的现场设备和仪表多，I/O点达一万多个。为此设计了监控层、控制层和设备层3层结构的分布式污水处理控制系统，系统总体框架如图2所示。

图2 污水处理控制系统结构图

设备层由现场设备检测单元(包括超声波液位计、压力变送器等)、现场执行机构(如刮泥机、电动机、电磁阀)等。相应于一万多个I/O点，现场设备种类繁多，通信模式亦多样。大部分是与相应的主从PLC站的I/O模块直接连接，也有相当一部分采用了Profibus DP、Modbus RTU等通信协议;系统的控制层是控制系统的核心，根据点位及通道数量设计了13个ControlLogix系列的主PLC站和57个CompactLogix系列的从PLC站，将各个工艺通过相应的PLC分别实现，以避免集中控制所带来的风险。为了进一步提高系统的可靠性，每个主站的PLC都采用了热冗余技术。监控分为基于触摸屏的现场监控和基于IPC的上位监控。每个PLC主站都有HMI人机界面，在中心机房设有以工业计算机为核心的上位监控系统;由于采用分布式控制系统方案，因此通信网络尤为重要。在分布式控制层采用基于工业以太网的光纤环网技术，以实现个控制主站的信息交互，满足现场对信息传输的可靠性要求［2］。控制层通过光交换机与监控层接口，光纤环网将控制层的信息通过光交换机送入监控层的工业以太网。

2.2 控制层设计

2.2.1 控制层选型设计

对系统结构图中主PLC站主要的模块选型设计予以说明:

(1)PS:电源模块，1756－PA72，输入电压为220 V，电流容量为 2 A，输出电压为 1.2 V、3.3 V、5.1 V、24 V;

(2)CPU:PLC的核心控制器，1756－L71，内存2M，自带电容式储能模块和1G内存卡，有远程、停止、编程3种模式;

(3)EN:Ethernet通信模块，1756－EN2T，PLC与交换机通信模块，与其他Ethernet模块通信，实现PLC间数据共享的途径;

(4)DI/DO:32位数字量直流输入/输出模块1756－IB32/1756 －OB32，工作电压为10～31.2 V DC，导通电流为2 mA，断开电流为1.5 mA，每点电流额定值为0.5 A，模块最大电流负载为16 A，具有光电隔离功能，输入输出均为无源触点信号;

(5)AI/AO:8通道模拟量输入/输出模块，1756－IF8/1756－OF8，8路单端输入/输出，电压范围为0～10.25 V，电流范围为4～20 mA，分辨率达16位，模块扫描时间16～488 ms;

(6)RTU/DP:专门用于PLC与第三方设备间Modbus/Profibus通讯模块;

(7)交换机:选用的是N－TRON 7900系列工业光电交换机，模块式交换机，支持多网段自动识别，稳定性和抗干扰能力强;

(8)HMI:PanelView 1000/1250系列触摸屏，型号2711P－12C4A8，输入电压为 AC220V，支持 Windows操作系统，内存2 M，以太网接口。

由于每个PLC站的设备种类和数量不同，根据实际I/O数量情况，选择相应的PLC模块种类和数量以及合适的机架。模块在机架的位置不受影响，只需在RSLogix5000输入输出配置中模块的顺序与机架上一致即可。所有插在机架上的模块都可以带电热插拔，对某一模块调试和维护，不影响其他模块正常工作［3］。

2.2.2 分布式主站功能配置与设计

根据图1所示的污水处理的工艺流程，各主PLC站包括如下内容:

(1)厂外提升泵站(PLC1～2):根据污水管网进水的情况对污水提升泵房的11台电动闸门和14台高压污水泵进行开关，使污水以一定的速度流向污水处理厂;

(2)预处理站(PLC3～4):主要负责3个细格栅、3座曝气沉砂池、6座初沉池设备的数据采集和现场控制柜的操作，并对进厂污水水质进行数据采集和监控;

(3)A2O生化池站(PLC5～7):各自监控一座生化池的设备和仪表。负责每座生化池的6台潜水搅拌器、24台潜水推流器和9台内外回流泵的启停、电动调节阀开度以及DO仪、氨氮、压力、流量等仪表的数据采集;

(4)二沉池站(PLC9～11):各自监控一座二沉池。负责每座二沉池的6台套筒式排泥阀、6台圆形闸门、6台中心传动刮吸泥机的启停以及SS计、液位计等仪表数据采集和监控;

(5)反冲洗控制站(PLC13～14):对2座反冲洗泵房进行监控。负责对滤池搅拌机、圆形闸门、取样阀、排泥阀进行启停以及对压力、流量、浊度等仪表进行数据采集和监控。作为主PLC，还可以控制 PLC1301～1336、PLC1401～1412、PLC1425～1427、PLC1431～1433共54个滤池、反冲洗泵PLC从站;

(6)加药及出水间站(PLC15):对加药间的8台隔膜计量泵、8个电动球阀、4台自吸式磁力泵、以及6台出水电动圆闸门、2台取样泵、2个流量计进行操作和监控。

由于各主站承担主要工艺的实现，对相应的底层控制系统进行实时数据采集，其稳定性和可靠性对系统的安全非常重要。在系统的主体设计基础上进行系统的主站冗余设计，以提高系统的可靠性。每个主站都采用了双CPU，采用了1756－RM冗余模块，两个CPU机架上的模块必须是相同产品编号、系列号、版本号，且两个CPU模块都有足够的内存空间来释放双倍的存储空间。两个CPU相互热备用，主从处理器采用硬件互联方式进行故障的无扰切换［4］。

3 系统软件设计

本系统使用的ControlLogix/CompactLogix两个系列PLC的编程平台都是RSLogix5000。PLC站采用模块化编程，其方法是在工程里建立控制器标签，并添加其成员，然后对该模块进行逻辑指令的编写，如有类似的设备，无需重新建立标签，只在其基础上更改变量名就可以建立自己的程序指令。模块化编程使得系统的编程灵活、方便，调试时间也大幅减少，也方便了未来系统的维护［5］。由系统工艺分析确定PLC输入、输出信号，进行I/O点数的分配，以及对应的中间变量、各种标志、所用到的定时器和计数器等，最后根据上述对应关系画出梯形图。

根据污水处理工艺要求，系统主要是进行顺序控制和过程控制。顺序控制主要实现对各PLC站的开关量执行机构，如反洗闸门、鼓风机、反冲洗水泵按照工艺要求对反冲洗的各个单元进行顺序控制的开、关的关联控制，单格滤格的反冲洗亦按顺序控制进行。过程控制指污水处理工艺需要对含氧量、液位、压力、流量等参数进行实时测量并反馈至PLC中，PLC根据现场实际情况对现场执行机构进行调节控制。例如，生化池好氧区的含氧量需维持在一定范围内，PLC根据现场DO仪检测回来的数值决定开启或关闭空气调节阀的程度。

由于污水处理工艺复杂、步骤比较多，下面仅以滤池反冲洗为例说明程序的实现过程。

3.1 反冲洗工艺设计

污水在通过二沉池处理后，要达到国家一级A类排放水标准，还必须进入滤池进行过滤，这也是出水前最为关键的一步。滤池的运行包含过滤和反冲洗两个阶段，过滤的目的是进一步去除水中色度、SS、BOD、COD及P等污染物使水达标排放［6］;反冲洗的目的是把滤池中滤元里的杂质清洗掉，使滤格重新回到过滤状态，以备下次过滤工艺。反冲洗条件是累计运行12 h或液位高度达到1.8 m或浊度达到10NTU，条件达到就进入反冲洗排队等待反洗，也可以在程序里对其设置优先反洗。反冲洗过程包括一次水洗、一次混洗、二次水洗3个环节。反冲洗工艺如图3所示。

图3 反冲洗工艺

3.2 反冲洗程序设计

根据图3所示，反冲洗程序结构设计主要由主任务(手动)和自动两部分组成。主任务部分包含程序标签、主例程MainRoutine、输入例程 Workshop DI/AI、输出例程 Workshop DO/AO、滤池控制例程FilterControl、阀门例程GatevValve、电机例程Motor、通信例程 Communication、生产者消费者赋值例程 ProducerValuation、监测仪表例程Monitoring等。其中，程序标签包含本功能单元程序所用的所有标签，其标签的应用范围仅限于本功能单元程序;主例程MainRoutine完成对本功能单元程序其他例程的调用;Workshop DI/AI完成对数字量/模拟量输入信号的扫描及处理;Workshop DO/AO完成对数字量/模拟量输出信号的扫描及处理;Filter Control完成对滤格六个闸门进行顺序控制和信息处理，是程序的核心部分;ProducerValuation完成PLC站与从PLC站的通信处理;Monitoring采集监测压力、浊度、液位的运行参数送至PLC。将反冲洗程序划分为状态监测、反洗条件判定、阀门开关、风机启动、水泵启动、以太网通讯等多个子功能，对每一个子功能编写一个子程序，在主例程MainRoutine里编写跳转程序，程序中扫描周期开始从上到下一次扫描，完成一个例程程序，按JSR指令依次跳转至下一个例程程序，直到程序最后。自动部分用于在正式生产运行过程中，包含程序标签、主例程Main、滤池自动例程Filter Auto、风机自动例程Fan Auto、水泵自动例程Pump Auto、反冲洗控制例程BackFlushing等。反冲洗程序结构如图4所示。

图4 反冲洗程序结构

在RSLogix5000编程平台完成反冲洗的编译后，在通信/活动项中打开通信树，软件通过RSLinx识别网络上的PLC，找到预先设定IP号的EN模块，通过Ethernet/IP找到该机架上的CPU模块，将程序下载到PLC中进行运行调试。

厂外提升泵、预处理、A2O生化池、二沉池、加药及出水控制等其他分布式主从PLC控制站的程序结构也由主任务与自动两部分组成，根据具体主从PLC站的控制任务，建立相应的程序标签、例程，根据控制工艺在主例程中对控制例程的依次调用，这里不再具体描述。

4 网络通信设计

网络通信作为连接现场设备与控制层、控制层与监控层的重要纽带，其稳定性、实时性的重要不言而喻。本系统由于规模大、设备多，考虑现场设备的接口、通信协议、现场布置等因素，采用了Ethernet/IP、Profibus DP、Modbus RTU通信协议构成控制网络，如图2所示。

4.1 PLC与现场设备通信设计

PLC与现场设备通信主要有3种方式:点对点、Profibus DP、Modbus RTU。

对于大部分阀门、泵、电动调节阀等现场设备，无论是模拟量还是开关量，只要可能，均采用点对点的硬接线方式就近接入PLC相应的I/O模块。

对于污水处理中第三方特殊设备，可采用 Profibus DP、Modbus RTU等。在与高压变频器通信时，通信协议为Modbus RTU，采用MVI56E－MCM模块安装到相应主PLC站机架槽上，用Modbus专用电缆进行通信。为了统计整个出水流量，在出水管道用OPTIFLUX 2 300 W流量计，通信协议为Profibus DP。采用的MVI56E－DP模块安装到相应主PLC机架槽上，用DP总线专用电缆进行通信。

4.2 主站与从站通信设计

由于主站与从站均接入以太网，因此主站与从站的通信也是采用Ethernet/IP通信，具体由RSLogix5000的生产者/消费者的模式来实现通信。生产者是准备传送数据的一方，而消费者就是需要接收数据的一方。建立生产者/消费者的模式通过PLC输入输出配置实现，建立与它通信的PLC从站的模块，并设置好PLC从站的IP地址、系列号、版本号等参数，同理在每个PLC从站的输入输出配置里建立主PLC模块，设置好主PLC的IP地址、系列号、版本号等参数。其过程是:在主PLC控制器标签里新建一个 Producer1301的标签，类型为生产，Date Type为Consumer。然后在PLC1301站的控制器标签里新建一个Consumer1301的标签，类型为消费，Date Type为Consumer，并且在连接状态里连接主PLC，这样就完成了一个从PLC与主PLC的通信连接。最后在主PLC和PLC从站里分别对Producer1301和Consumer1301赋值，这样作为生产者的主PLC就可以把Producer1301赋值对象的值传送到作为消费者的从PLC站的Consumer1301赋值对象上去。

4.3 控制层与监控层通信设计

采用工业以太网光纤环网将控制层的数据传输给监控层。每个PLC站的信息采用双绞线，通过1756－EN2T模块接入到N－TRON 7900工业光电交换机，然后用光纤把每个站的光电交换机连接起来组成一个光纤以太环网。当环上某一网络节点出现故障时，环网结构可以在500 ms之内自动转换为总线结构运行，故障节点两边的网络节点仍可通过总线进行通讯，可以确保通信系统的无扰动运行［7－8］。在光纤以太环网上层，通过一个大型工业光电交换机把光纤以太环网上的光信号转化为电信号与监控层的操作站、服务器、显示屏等相连接。考虑污水处理系统的安全性，将整个控制系统网络和外网用不同IP进行隔离，使其不能互访［9］。

5 上位监控层设计

污水处理系统上位监控包括:基于触摸屏的现场操作站监控和基于Rockwell的FactoryTalkView Studio组态软件的具有远程功能的多机监控系统。

现场操作站采用PanelView 1000/1250系列触摸屏，应用FactoryTalkView Studio进行界面设计。现场操作站作为相关的PLC的人机界面，对其进行监控和设置;设置操作员、管理员和维护员三种等级的权限，确保了使用人员对系统进行安全操作。触摸屏组态软件设计过程包括以下几步:

(1)在标记名字典中定义变量，对每个变量指定标记名和变量类型;

(2)画面绘制，采用基本绘图工具绘制图形，较复杂的图形对象采用多图形组合方式完成。对于同一类设备画面做成一个公共调用块;

(3)动画链接，选中要执行动画的符号，双击，设备操作点的弹出框，通过在线填充、表达式和脚本程序实现画面动作。每个点位的连接必须根据PLC程序的I/O点表进行连点配置;

(4)I/O通讯，在做好组态界面后，生成运行文件*.mer。在下载之前，需要先在触摸屏中将IP地址、网关、子网掩码等设置好，然后在Transfer Utllity里通过RSLinx找到要下载的触摸屏，把生成的运行文件下载到触摸屏中去。单格滤池触摸屏上位界面如图5所示。

图5 单格滤池触摸屏上位界面

多机监控系统由中央服务器、工程师站、Web发布服务器、数据库服务器以及客户端组成。为了进一步保证系统的可靠性，对于监控系统中用于数据处理最重要的中央服务器采用了双机热备冗余技术，还对数据储存服务器采用了容错技术。多机监控系统的软件主要由开发软件Factory TalkView Studio，客户机软件 FactoryTalkView Studio Client，Web发布工具 FactoryTalk View Point，曲线记录数据库FactoryTalk Historian SE以及第三方数据库SQL Sever 2008组成。多机监控系统内容庞杂，这里不再赘述。

6 结论

采用多处理器分布式控制方式实现了日处理污水能力70万m3的复杂系统的可靠控制与监控。在关键工艺的PLC主站中，还采用了冗余技术以进一步提高系统的可靠性。控制层的信息全部采用工业光纤以太环网进行，只有在中心控制室，才采用的是工业以太网。通过系统实际运行证明:该系统高效、可靠地实现了先进的倒置A2O污水处理工艺，其功能完善、设备易于维护、运行稳定，保证了污水处理排放水的连续合格。该系统适合在城市大型污水处理厂中推广应用。

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