【正文】 應(yīng)用 本文主要介紹污水處理廠自動控制系統(tǒng)的組成、功能、及如何利用 PLC 實現(xiàn)污水處理自動控制。而PLC 控制器以其技術(shù)的成熟、通用性好、可靠性高、安裝靈活、擴展方便、性價比高等一系列優(yōu)點、在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 5 工業(yè)污水的特點 13 I/O 模塊的選擇 22 PLC 的控制邏輯 41 IFIX 應(yīng)用 42 PLC 型號的選擇 循環(huán)用水是指在生產(chǎn)過程用過又回用于本生產(chǎn)過程的水，這些水在循環(huán)使用過程中不斷與原料、反應(yīng)生成物、中間產(chǎn)品和副產(chǎn)品接觸。現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間分析方法為基礎(chǔ)，包括以最小一乘法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)辨識、以極大值原理和動態(tài)規(guī)劃為主要方法的最優(yōu)控制和以卡 爾曼濾波理論為核心的最佳估計三部分內(nèi)容，現(xiàn)代控制理論對控制系統(tǒng)進行綜合和分析時，深入提示系統(tǒng)內(nèi)在規(guī)律性，從局部簡單控制進入一定意義下的全局最優(yōu)控制。而且其技術(shù)也都不是特別成熟，還需要大量實踐和 復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境的檢驗。同時，研究及應(yīng)用的技術(shù)必須能夠體現(xiàn)現(xiàn)場總線技術(shù)的主要優(yōu)點，符合現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展方向。如美國某水廠，在七十 年代初開始研究微機自動控制水廠投加藥劑， 1975 年應(yīng)用直接數(shù)字式計算機控制自動加礬，運轉(zhuǎn)一年就降低礬耗 20%,并且提高了管理水平和穩(wěn)定了水質(zhì)，此外，蘇聯(lián)某水廠、日本某水廠等也先后采用計算機自動控制水廠工藝，取得較理想效果，現(xiàn)在許多美國大中型水廠均由一套集散型的自動控制系統(tǒng)進行控制。目前，世界上生產(chǎn) PLC 的主要廠家有 65 個，其中最有名氣的廠家在日本、美國和德國。 PLC 的發(fā)展與應(yīng)用 PLC 的發(fā)展趨勢 目前 PLC 技術(shù)發(fā)展總的趨勢是系列化、通用化和高性能化，主 要表現(xiàn)在 : (1)在系統(tǒng)構(gòu)成規(guī)摸上向大、小兩個方向發(fā)展 (2)功能不斷增強，各種應(yīng)用模塊不斷推出 (3)產(chǎn)品更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化 PLC 的應(yīng)用 隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展 ,PLC 的制造成本不斷下降，而其功能卻大大增強。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均無故障工作時間則更長。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC 大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。 PLC 的系統(tǒng) 組成 可編程控制器的結(jié)構(gòu)多種多樣，但其組成的一般原理基本相同，都是以微處理器為核心的結(jié)構(gòu)。存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器 。 輸入輸出單元（ I/O單元） I/O 單元實際上是 PLC 與被控對象間傳遞輸入輸出信號的接口部件。除此以外，在個人計算機上添加適當(dāng)?shù)挠布涌诤蛙浖纯捎脗€人計算機對 PLC 編程。 PLC 的掃描過程分為內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執(zhí)行、程序輸出幾個階段。在程序執(zhí)行時，輸入映象寄存器與外界隔離，即使輸入信號發(fā)生變化，其映象寄存器的內(nèi)容也不會發(fā)生變化，只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被讀入信息。 PLC 的品種繁多，其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等各有不同，適用的場合也各有側(cè)重。需要的用戶存儲容量的大小由用戶程序的長短決定。 ①輸入信號的類型及電壓等級的選擇 常用的開關(guān)量模 塊的信號類型有三種：直流輸入、交流輸入和交流 /直流輸入。 ①輸出方式的選擇 開關(guān)量輸出模塊有三種輸出方式：繼電器輸出、晶閘管輸出和晶體管輸出。物理法主要是利用物理作用分離或回收廢水中的懸浮物，它只適用于作廢水的預(yù)備處理或初級處理。 超濾過程的特點有：無相際間的變化，可以在常溫下及低壓力下進行分離；設(shè)備體積小 、結(jié)構(gòu)簡單，故投資費用低；超濾過程只是簡單的加壓輸送流體，工藝流程簡單，易于操作管理；物質(zhì)在濃縮分離過程中不發(fā)生質(zhì)的變化；適合稀溶液中微量貴重大分子物質(zhì)的回收和低濃度大分子物質(zhì)的處理；能將不同分子量的物質(zhì)分級分餾；超濾膜在使用過程中無雜質(zhì)脫落，保證濾液純凈。有機離子交換體又有碳質(zhì)和樹脂交換體之分。 （ 4） 二臺陰離子交換器一用一備交替運行，產(chǎn)水需測量流量、測量電導(dǎo)率，控制切換再生備用。 現(xiàn)場手動工作方式是在現(xiàn)場直接啟、停設(shè)備，具有最高優(yōu)先級，當(dāng)處于該方式時，其他 控制方式將不起作用， PLC 只 對設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)視、紀(jì)錄和報警。 PLC 要對隔油池的設(shè)備進行監(jiān)測和控制。 這里要說明的是所有的檢測裝置以及傳感器的信號的傳輸都是通過 Profibus 網(wǎng)絡(luò)傳送到 PLC 中，使 PLC 能夠采集到轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號。 (4) 污水處理廠的工作環(huán)境惡劣，干擾頻繁，將會影響控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，必須分析干擾來源，研究對于不同干擾源的行之有效的抑制或消除措施。作為上位機的工業(yè)控制計算機采用TCP/IP 協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，掛在以太網(wǎng)上，實現(xiàn)信息的集成管理和遠程控制。 圖 污水處理自動控制系統(tǒng)層次圖 控制層 控制層是污水處理控制的最低層，是污水處理各生產(chǎn)單元實際控制 (執(zhí)行 )部分，由若干 PLC 控制站組成，負責(zé)對處理設(shè)備及相關(guān)監(jiān)測點進行控制、監(jiān)測，采集信號，控制生產(chǎn)設(shè)備。 控制層的關(guān)鍵在于可編 程控制器的系統(tǒng)設(shè)計， PLC 設(shè)計要遵循以下基本原則 : (1) 最大限度地滿足被控對象的控制要求。在估算出 I/O 點數(shù)后，選擇的 PLC 要保留 10%15%的余量。 (4) 分配 PLC 的 I/O 點，設(shè)計 I/O 連接圖，進一步說明各信息流之間額度關(guān)系，具體安排輸入、輸出的配置，并對輸入、輸出地址進行地址分配?？删幊炭刂破鞯妮o助繼電器、定時器、計數(shù)器、狀態(tài)器數(shù)量相當(dāng)大，而且這些器件的觸點為無限多，使得程序設(shè)計簡單化。使用用戶程序?qū)ν獠窟B線作掃描通電檢查，查找接線故障。 表 數(shù)字輸入信號 序號 信號名稱 數(shù)量 1 調(diào)節(jié)池高液位 1 2 中和池 A、 B 高中低液位 6 3 純水池高、低液位 2 4 反滲透高、低壓保護 2 5 3套離子交換設(shè)備運行或再生狀態(tài) 6 6 中和藥箱、再生藥箱低液位 2 表 數(shù)字輸出信號 序號 信號名稱 數(shù)量 1 中和池 A、 B同時高液位報警 1 2 中和池 A、 B進水閥 2 3 調(diào)節(jié)泵 1 4 中和池 A、 B出水閥 2 5 循環(huán)泵 1 6 PH測控啟動（可與循環(huán)泵共繼 電器輸出） 1 7 PH7報警 1 8 加藥計量泵 1 9 循環(huán)進出水閥 2 10 超濾增壓泵 1 11 超濾產(chǎn)水閥 1 12 后排濃電動閥 1 13 反洗泵 1 14 前排濃電動閥 1 15 反滲透排濃閥 1 16 反滲透高壓泵 1 17 中和藥箱、再生藥箱低液位報警 2 表 模擬量輸入 序號 信號名稱 數(shù)量 1 中和池 PH 1 2 產(chǎn)水流量 1 3 產(chǎn)水 PH值 1 4 產(chǎn)水電導(dǎo)率 1 5 反滲透一、二段進水、產(chǎn)水電導(dǎo)率 3 6 反滲透出水 PH 1 監(jiān)控層 污水處理是個大系統(tǒng)，由多個處理環(huán)節(jié)構(gòu)成，每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)完成不同的工作，有不同的控制要求，以上海石化股份公司環(huán)保中心下屬污水處理廠為例，分為四期污水處理、污泥干化、氧化溝、廠外調(diào)節(jié)池、污水一段、污泥脫水等六個生產(chǎn)單元，根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求分別由數(shù)量不等的 PLC 組成自動控制系統(tǒng)，并由生產(chǎn)單元的中控室統(tǒng)一管理。目前在市場上占主導(dǎo)地位的組態(tài)軟件包括美國 Wonderware 公司的InTouch、美國 Intellution 公司的 IFIX、澳大利亞 CIT 公司的 CITECH、德國西門子公司的 WINCC、美國 公司的 AIMAX。在系統(tǒng)添加客戶和服務(wù)器簡單明了、無需更改系統(tǒng)中其他節(jié)點的設(shè)置。 在圖形畫面生成方面，構(gòu)成現(xiàn)場各過程圖形的畫面被劃分成幾類簡單的對象：線、填充形狀和文本。 在圖形界面上還具備報警通知及確認(rèn)、報表組態(tài)及打印、歷史數(shù)據(jù)查詢與顯示等功能，各種報警、報表、趨勢都是動畫連接的對象，其數(shù)據(jù)源都可以通過組態(tài)來指定，這樣每個畫面的內(nèi)容就可以根據(jù)實際情況由工程技術(shù)人員靈活設(shè)計，每幅畫面中的對象數(shù)量均不受限制。實時數(shù)據(jù)庫可以存儲 每個工藝點的多年數(shù)據(jù)，用戶既可瀏覽當(dāng)前的生產(chǎn)情況，也可回顧過去的生產(chǎn)情況，可以說，實時數(shù)據(jù)庫對于工業(yè)生產(chǎn)來說就如同飛機上的“黑匣子”?？刂乒δ芙M件具有硬 PLC 在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特點，利用軟件技術(shù)可將標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè) PC 轉(zhuǎn)換成全功能的PLC 過程控制器。靜態(tài)屬性在系統(tǒng)投入運行后保持不變，與原來組態(tài)時一致。監(jiān)控節(jié)點可以顯示許多不同的 SCADA 服務(wù)器上的畫面，數(shù)據(jù)鏈接不需要額外的組態(tài)工作，也不需要本地數(shù)據(jù)庫的拷貝。工控組態(tài)軟可將工藝流程以直觀的畫面顯示出來，可以對過程數(shù)據(jù)庫、圖形及其它應(yīng)用程序進行在線修改、增加，而不影響正常生產(chǎn)過程，記 錄設(shè)備運行狀態(tài)和過程，分析參數(shù)的變化趨勢，及時發(fā)布和預(yù)報運行情況，實施診斷和報警。監(jiān)控層設(shè)計的關(guān)鍵在于組態(tài)軟件的使用、現(xiàn)場數(shù)據(jù)的 采集以及不同控制設(shè)備的集成 (OPC 應(yīng)用 )。產(chǎn)水 PH 值、產(chǎn)水流量、中和池 PH 等模擬信號，都通過 PLC（下位機 )加以采集，在各級控制管理層的計算機 (上位機 )上顯示。 PLC 就是這樣周而復(fù)始的重復(fù)上述循環(huán)掃描的，所以只要程序的容量 和掃描時間允許，程序的復(fù)雜程度不會影響程序的可靠性。 (5) 進行 PLC 的程序設(shè)計，同時進行控制柜的設(shè)計和現(xiàn)場施工。 PLC 的配置與選擇還要考慮到內(nèi)存大小，內(nèi)存的經(jīng)驗計算公式是，總的存儲器字?jǐn)?shù) =((開關(guān)量輸入點數(shù) +開關(guān)量輸出點數(shù) )*10+模擬量點數(shù) *150)*。 (4) 考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進，在選擇 PLC 容量時，應(yīng)該留有裕量。這種方式一般只在調(diào)試和維修用；二是 PLC 遠程手動控制方式 :現(xiàn)場“手動 /自動”選 擇開關(guān)切換到自動 (遙控 )，在這種模式下，操作人員用計算機鍵盤或鼠標(biāo)器，通過 PLC 對設(shè)備進行開、?？刂?。 第三種情況是采用手動操作 :采用常規(guī)分散儀表對污水處理過程中的液位、PH 值、壓力、沉淀飽和度、等離子交換程度等性能指標(biāo)進行離線或在線采集，根據(jù)數(shù)據(jù)得出控制要求，操作員在現(xiàn)場控制主要設(shè) 備，如閥門的開閉，電機的啟停等。 硬件配置 自動控制系統(tǒng)的主要硬件配置： (1) 采用 MB+環(huán)形冗余網(wǎng)絡(luò)作為控制主網(wǎng)絡(luò) ； 采用具有在 線檢測、故障自愈和通信自恢復(fù)功能的光端機構(gòu)成光纖環(huán)網(wǎng)； (2) 管理層采用 10 Mbps /100 Mbps 工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)器與控制網(wǎng)相連； (4) 選擇具有智能 I/O 通信功能的 PLC 作為現(xiàn)場控制器； (5) 各種工藝儀表和傳感器； (6) UPS 不間斷電源、操作站計算機和打印機。所以控制系統(tǒng)的規(guī)模也較大，是一個多變量、多參數(shù)、多回路、大滯后，非線性的復(fù)雜系統(tǒng)。當(dāng)中和反應(yīng)池PH 值達到 合適的條件后輸出的清液經(jīng)過超濾、一級反滲透、陰離子交換三個過程的處理后進入純化水池得到處理后的干凈水，反應(yīng)池剩余沉渣部分經(jīng)過壓濾處理后的沉淀物被排除，而在超濾、一級反滲透過程時再次檢測水液濃度，對濃水進行濃水回收經(jīng)過調(diào)節(jié)池再次對廢水進行二次處理，系統(tǒng)超濾過程的控制我們采用超濾系統(tǒng)由壓差控制，自動反沖洗，對前后的壓差進行檢測、控制，對于反滲透過程我們采用的是入水電導(dǎo)率 CMS230，應(yīng)用于海水、苦咸水及多種的高離子濃度電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率值的在線測量；具有測量范圍寬、維護量小等優(yōu)點；儀表的常數(shù)校驗可通過外部自由設(shè) 定調(diào)節(jié)；采用獨特的信號采集處理技術(shù)、專用厚膜集成電路，使測量準(zhǔn)確、運行穩(wěn)定；數(shù)據(jù)線性化、自動溫度補償；不受線纜長度改變的影響，免維護。其中，傳感器是污水處理廠監(jiān)控系統(tǒng)中最薄弱，也是最重要、最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。近年來，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)控制也逐步由傳統(tǒng)的單機控制走向網(wǎng)絡(luò)化，工業(yè)控制中多采用 PLC 來實現(xiàn)自動控制。離子交換樹脂的離子交換作用較為理想。這就說明，當(dāng)對鹽水一側(cè)施加的壓力超過水的滲透壓時，可以利用半透膜裝置從鹽水中獲取淡水。 本文要求污水處理包括加藥 PH 值控制、超濾、反滲透、等離子交換等幾個主要工藝