【文章內容簡介】 (3) pH 計：監(jiān)測污水的酸堿度，當污水用過大或過小時都要采取特殊措施，以防活性污泥中的微生物死亡，影響處理效果．選用 LP3000C 型 pH 計，該表解析度 ，精度等級177。 。 (4)溶解氧 (DO)儀 ：用于測量污水中溶解氧的含量，溶解氧測量儀是污水處理的最重要的儀表之一，是調節(jié)曝氣機鼓風量的重要依據。溶解氧的測定一般用薄膜法和碘量法，本次試驗選用薄膜電極法。 (5)ORP 檢測儀：用于測量污水中的氧化還原電位?？赏ㄟ^ ORP 的測定值監(jiān)控系統(tǒng)進入除磷需要的厭氧狀態(tài)和脫氮需要的缺氧狀態(tài)的情況，調整控制時序，從而達到脫氮除磷的要求 。 (6)溫度計：由于活性污泥法的機理是生化反應，溫度對其反應有重要影響因此需對污水溫度進行監(jiān)測?？梢栽O獨立的溫度傳感器，也可以用復合式，即測 11 一，溫與其它儀表共用。 參量的選 擇與測量 污水處理過程中，溶解氧濃度 DO、氧化還原電位 ORP、 pH 值、溫度是幾個重要參數。溶解氧 DO 或氧化還原電位 ORP 可作為反應器中有機物降解程度的間接指標。試驗研究結果表明：在 SBR 法反應階段， ORP 和 DO 這兩個參數與 COD 濃度都有一定的相關關系，尤其當空氣量恒定時， COD 被降解至難降解濃度時， ORP 和 DO 值則迅速地大幅度升高，之后很快趨于平穩(wěn)，并在某一較高值的特定范圍內穩(wěn)定下來。 ORP 與 DO 的這些變化特點，能可靠地作為 SBR反應階段結束的信號 [11]。而且 ORP 與 DO 檢測儀的構造都較簡單，價格便宜，響 應迅速，便于與計算機接口．因此以 ORP 或 DO 作為 SBR 法反應時間的控制參數，既能在進水有機物濃度無規(guī)律大幅度變化的情況下，保證其處理水水質，又能避免因曝氣時間過長而浪費電能和污泥膨脹。污水在反應器中是通過微生物的凈化作用達到去除有機物的目的。因微生物為好氧菌，如供氧量過少， DO 過低，會使好氧菌活性下降，不利于微生物的生長，微生物難以形成易沉淀的絮體，直接影響處理效果。供氧量過大， DO 過高不僅使能耗增高，增大運行費用，同時也會造成混合液絮體分散和破碎，使固液分離發(fā)生困難。因此，控制水中的含氧量是污水處理過程控 制中比較關鍵的任務之一。 Eh 于溶解氧的濃度同進水水質、溫度、壓力、曝氣重毛等有著非常密切的關系。這些外界條件發(fā)生變化時，溶解氧濃度也隨之發(fā)生變化。如何控制曝氣池中的溶解氧，是污水處理過程控制中自動調節(jié)系統(tǒng)的主要任務之一。 4 控制系統(tǒng)設計 PLC 選型 PLC 是可編程控制器的簡稱，有下列優(yōu)點 : (1)控制程序可改變 在污水廠生產工藝或流程改變的情況下，不必改變 PLC 的硬件設備，只要改變相應的程序就可滿足用戶的要求 。 (2)適用于工業(yè)環(huán)境，具有高可靠性 PLC 產品的平均無故障時間達 5 年以上，因而它是一種 高可靠的產品，大大地提高了生產設備的工作效率 。 (3)PLC 功能齊全 一般 PLC 具有開關量及模擬量輸人 /輸出、定時、計數、邏輯和算術運算， 12 順序控制， PID 調節(jié)，通信等功能。除了應用于開關量控制系統(tǒng)外，也可用于連續(xù)的流程控制系統(tǒng)，從而使污水處理設備的控制水平大大提高。 （ 4） 易掌握，便于維護 使用人員只需掌握工程上通用的梯形圖語言就可進行用戶程序的編程和調試。因此，即使不懂計算機的人，也能掌握 PLC。又由于 PLC 具有自診斷功能，因而較容易進行維護，查找出故障原因 [12]。由于 PLC 自身的高可 靠性，也使其故障率幾乎降至于零。正是 PLC 具有這么多的優(yōu)點，才使越來越多的 PLC 應用到污水處理廠中 [13]。 本文采用日本松下電工公司的 FP 系列 PLC，其型號位 C16。 PLC 通過各種模塊接口采樣電信號；控制信號由 PLC 輸出后以 4— 20mA 電流形式 送到執(zhí)行機構，控制執(zhí)行機構的動作。 SBR 控制系統(tǒng)流程圖 圖 3 控制流程 圖 PLC 的 I/O 口分配 輸入設備 輸出 設備 啟動開關 SB0 X0 格柵除污機 KM0 Y0 明渠高 位液位計 B1 X1 明渠高液位報警燈 HL1 Y1 SBR 池高 位 液位計 B2 X2 提升泵 KM2 Y2 開啟 SBR 反應池進水閥門 關閉 SBR 反應池進水閥門 SBR 反應池達到高水位 打開鼓風機 關閉鼓風機 曝氣量達到要求 沉淀 開啟潷水器 關閉潷水器 SBR 反應池 降至低 水位 沉淀達到要求 13 SBR 池低位 液位計 B3 X3 SBR 池進水閥門 KM3 Y3 停止開關 SB1 X4 SBR 池出水閥門 KM4 Y4 X5 鼓風機 KM5 Y5 X6 潷水器 KM6 Y6 X7 Y7 軟件設計 系統(tǒng)總程序設計如圖 4 圖 4 總程序圖 14 系統(tǒng)外部接線圖 本系統(tǒng)外部接線圖如圖 5 圖 5 外部接線圖 5 上位機與下位機的設計 上位機設計 污水處理 監(jiān)控系統(tǒng)用于對 污水 站的運行狀態(tài)進行集中監(jiān)控，用于監(jiān)控的工業(yè)控制計算機通過工業(yè)以太網與現場的 PLC 主站相連，上位機操作系統(tǒng)采用Windows XP，監(jiān)控畫面圖形使用 3DMAX 制作。上位機的主要功能是對污水站數據采集和自動控制系統(tǒng)的控制參數進行設置，監(jiān)控設備 的運行及控制狀態(tài)，繪制重要參數的變化曲線。當上位監(jiān)控機 PC 啟動后 ,首先進入了管理員登陸界面 ,輸入正確的登陸碼 ,進入 污 水處理工藝監(jiān)控界面 ,其中包含過程工藝監(jiān)控畫面 ,控制操作畫面 ,實時曲線畫面參數設定畫面 ,報警畫面等。這些畫面之間可以隨意的切換。在退出系統(tǒng)之前 ,系統(tǒng)會詢問你是否確定退出 ,以防止誤操作。 上位機軟件設計。上位機為通用的工控計算機。為了更好地反映各設備的運行情況 ,又分別制作了 調節(jié)池 系統(tǒng)、 SBR 反應池 系統(tǒng)等分畫面。畫面中各參數值都是根據下位機 PLC 的改變而改變的。工作人員通過這些畫面可以隨時對系統(tǒng)的 15 運行參數、設備狀態(tài)、各種越限報警信號 ,進行實時監(jiān)測、處理、記錄和顯示。 監(jiān)控軟件啟動時首先進入主畫面 ,可直觀地 顯示污水處理工藝流程圖 ,各個設備的運行狀態(tài)、儀表讀數都可以在主畫面中顯示。點擊主畫面中的對應的按鈕 ,可直接切換到各個分畫面系統(tǒng)相應的監(jiān)控畫面 ,分畫面可以查閱各個儀表、傳感器 和閥門的參數 ,還可以進行上下限報警、打印報表、顯示趨勢曲線等設置。如“ SBR 反應池 系統(tǒng)” ,在 反應 池和管道的敏感區(qū)安裝 pH 計 ,其輸出的 4mA～ 20mA標準信號進入 A/D 轉換器 ,經過 A/D 轉換后變?yōu)橄鄳臄底中盘?,然后進行 運算 ,再輸出一組 4mA～ 20mA 標準信號 ,信號反饋到上位機 [14]。流程圖上可監(jiān)控 各 個現場數據 ,每個監(jiān)控點均放在流程圖的 相應位置 ,可實時顯示過程數據。 下位機設計 下位機系統(tǒng)軟件設計。下位機采用松下 FP0 型 PLC,可以和現場的傳感器、變送器、自動化儀表相連 ,進行數據通信、數據處理和數據管理。根據工藝要求 ,PLC 得電自檢無誤后 ,外部傳送信號通過傳感器、自動化儀表輸入到 PLC,當電路發(fā)生短路、斷路或過載時電動機將停止 ,同時發(fā)出報警。通過 PLC 進行數據處理 ,PLC可根據液位信號決定設備 的啟停和閥門 開關 ,以出水 水質 為依據采用前饋— 反饋控制方法 ,使系統(tǒng)在各種工況下都能夠實時地、穩(wěn)定地控制 水質。液位、PH 值 等模擬量也采用閉環(huán)控制 ,形成多個控制回路。 污水處理過程邏輯性很強 ,閥門和液位 之間動作有很多連鎖關系 ,將所有有連鎖關系的閥門和液位 的動作關系確定清楚 ,然后 用相應的控制點形成電氣連鎖 ,即可實現工藝要求。 整個軟件設計為便于調試采用模塊化編程 ,其主要包括信號獲取處理、信號控制、故障模塊的設計 ,與上位機通信的設計。控制每個設備的功能模塊都編制好后 ,將功能模塊都放在組織塊中 ,PLC 執(zhí)行程序時 ,按順序執(zhí)行組織塊中的所有功能模塊 ,就可以實現對所有設備的自動或手動控制 [8]。 上位機與下位機之間的通信 PLC 的通信功能 PLC 與計算機的通信一般是通過計算機的串口實現的。根據一臺計算機與PLC 通信數量的不同，可分為一臺計算機與一臺 PLC 通信的 1： 1 方式，一臺計算機與多臺 PLC 通信的 1： N 方式。本文采用 1： N 的方式 [9]。 此時，計算機使用 RS422/RS232C 適配器通過 RS422 口與 PLC 連接，如圖6 所示。 16 圖 6 計算機與 PLC連接圖 PLC 的通信協(xié)議 FP系列 PLC通信系統(tǒng)的基本協(xié)議是松下電工的專用通信協(xié)議 MEWTOCOL,分為兩個部分：一是關于 PLC 與計算機的通信協(xié)議的 MEWTOCOLCOM，另一 個是關于數據傳送協(xié)議的 MEWTOCOLDATA[15]。 （ 1） MEWTOCOLCOM 通信協(xié)議 ①發(fā)送命令幀格式 通信開始先由計算機發(fā)出呼叫，呼叫信息包括一些特殊標志碼、 PLC 站號和呼叫字符等，具體格式如圖 7。 圖 7 ②響應幀格式 PLC 接到計算機的呼叫后，首先判斷是不是一個完整的信息，然后檢查呼叫站號是不是自己的站號，若是呼叫自己，則發(fā)送響應信息，否則不予理睬。 17 如果正常， PLC 發(fā)送下面信息，如圖 8。 圖 8 在數據傳送期間如有錯誤，將由 PLC 發(fā)送下面信息，如圖 9。 圖 9 （ 2） MEWTOCOLDATA 協(xié)議 這是應用在 PLC 與 PLC 之間或計算機之間進行數據傳送的通信協(xié)議。 ①發(fā)送命令幀格式，如圖 10。 圖 10 ②響應幀格式 正確響應，如圖 11。 18 圖 11 錯誤響應，如圖 12。 圖 12 6 通訊網絡 該自動化系統(tǒng)是由中央監(jiān)控管理級 (工業(yè)計算機 )、區(qū)域現場級 (可編程邏輯控制器 )、檢測執(zhí)行級 (現場監(jiān)測儀表 )組成的三級計算機分散控制系統(tǒng)。 中央控制室 一般來說 ,中央控制室設備主要有工控計算機、工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)、不間斷供電電源、打印機、網絡控制設備、大型屏幕顯示設備等組成。 中 央控制室的功能主要是接收現場控制分站傳送的各階段工藝參數及設備狀態(tài) ,為生產管理提供依據 。工藝管理人員按工藝要求 ,通過工控計算機向現場控制分站發(fā)出控制指令 。另外工控計算機具備數據記錄、報表打印、趨勢查詢、報警查詢和確認等功能 。工控機監(jiān)控軟件的操作、數據更改也在此進行 。它還可與上級企業(yè)管理網絡進行通訊 ,為上級管理單位提供生產信息等工作 [16]。中央控制室以工控計算機為核心 ,采用 100M 交換式的計算機局域網絡 ,通過光纖冗余環(huán)和工業(yè)以太網交換機與各控制分站相連接進行數據傳輸 。 工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)是在中控室操作監(jiān)視臺上 設視頻控制器和監(jiān)視器 ,可控 19 制、切換視頻圖像和顯示模式 ,通過調整安放在不同運行區(qū)域控制攝像機的方位角度 ,巡視或定點監(jiān)視生產區(qū)域的設備運行狀況和工藝調整的執(zhí)行情況。 控制分站 控制分站由一套可編程控制器 PLC、一臺現場操作顯示系統(tǒng)一臺不間斷供電電源 UPS、分布式或遠程 I/O 單元組成?？刂品终疽话愀鶕a工藝設備的布置區(qū)域進行設置。中小型污水處理廠一般設置 24 個控制分站。每個控制分站負責相應區(qū)域所有自動化設備的控制 ,控制分站的主要功能是接收現場采集的生產數據 ,并將生產數據通過網絡上傳至中央控制室 ,接受中 央控制室發(fā)出的控制指令 ,完成對現場設備的控制操作。 現場監(jiān)測儀表 現場監(jiān)測儀表是在工藝運行過程中在線測量、監(jiān)視、顯示工藝運行環(huán)節(jié)關鍵數據參數的自動化智能儀表 ,是最基層的數據采集來源 [17]?，F場監(jiān)測儀表主要分為兩大類 : (1)反映物理參數的檢測儀表 ,主要包括壓力測量儀表、流量測量儀表、溫度測量儀表、液位測量儀表。 (2)反映水質狀況的在線分析儀表 ,主要有溶解氧分析儀、酸度計、污泥濃度計、檢測儀等設備。 儀表的維護應嚴格按照生產廠家提供的維修與維護說明書、手冊進行。每日巡視、定期清洗、注意校驗標定 ,做好 維修計劃 ,保證儀表的正常運行。 中控室操作站監(jiān)控污水處理和污泥處理的全過程 ,是整個計算機系統(tǒng)的樞紐。中控室操作站和模擬屏之間通過 RS232 進行串行通信。 圖 13 控制系統(tǒng)結構圖 20 污水處理廠多采用工業(yè)以太網連接中央控制室與控制分站的數據傳輸 ,傳輸速率一般為 100Mbps,這種系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性、可靠性 強 [18]?？刂葡到y(tǒng)的結構圖，如圖 13。 7 結束語 本文采用 PLC 對污水處理廠進行自動化控制 ，經過調試和運行，本控制系統(tǒng)基本達到預期的控制要求，系統(tǒng)具有較高的可靠性，可基本 實現污水處理廠 的無人化管理，不僅減輕 了工人的勞動強度 ,而且提高了污水處理廠的運行效率和運行效益 ,實現了污水廠生產管理的科學性。其中 ,PLC 發(fā)揮了相當重要的作用。