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污水处理厂自动控制系统

污水处理厂自动控制系统

2006/7/20 9:51:00
【摘 要】:给出了一套适合污水处理的以PLC为核心的分布式控制系统,该系统以SIEMENS公司的S7-400系统PLC作为下位机,通过现场传感器和自动化仪表将液位、温度、流量、溶解氧浓度的反馈进行数据采集,同时又与上位机通讯,执行相关命令。整个系统为了解决传统通讯方式施工工程量大,维护麻烦等缺点,还采用了无线通讯方式。
1 工艺控制要求 (1)粗格栅及提升泵站 粗格栅运行的控制:用超声波液位差计来测量粗格栅前后的液位差,当液位差值达到设定值时,或者当液位差值在规定的时间内未达到设定值时,均用电动阀门自动开启粗格栅除污机,完成一个运行周期后停止运行。栅渣通过皮带输送机输送到螺旋压榨机最后外运。皮带输送机与粗格栅机联动控制,任意回转式格栅除污机启动后应启动皮带输送机联动运行。 潜污泵的控制:在潜污泵有压力指示,开泵时应先开水泵,当达到一定压力时用电动阀门自动打开。进水泵房有潜污泵5台,2台备用。考虑到其中2台作为长期备用,又易发生设备故障,故实际使用中设置成轮流启动方式,以达到既有备用,又不让其长期搁置不用的目的。 (2)细格栅及沉砂池 细格栅运行的控制:用超声波液位差计来测量细格栅前后的液位差,当液位差值达到设定值时,或者当液位差值在规定的时间内未达到设定值时,均用电动阀门自动开启细格栅除污机,完成一个运行周期后停止运行。 沉砂池控制:沉砂池由一系列设备组成,其中包括搅拌机、出水电动蝶阀、吸砂阀、洗砂阀及砂水分离器等。沉砂机的自动控制由设备配套提供的就地控制柜内PLC完成。 (3)氧化沟 氧化沟中污水含氧量的控制是污水处理中比较关键的任务之一。氧化沟的溶解氧含量对表曝机转速的控制:通过连续测量氧化沟的溶解氧含量来控制表曝机转速,当溶解氧值达到下限时,表曝机由低速运行转入高速运行;当溶解氧值达到上限时,表曝机由高速运行转入低速运行;当溶解氧值达到上上限时,表曝机则停止运行。 氧化沟的溶解氧含量对堰板高度的控制:通过连续测量氧化沟的溶解氧含量控制可调节堰板的高度,当溶解氧值达到下限时启动可调节堰板使沟中水位提高;当溶解氧值达到上限时启动可调节堰板使沟中水位降低。 (4)二沉池的控制 在双周边驱动刮泥机上接上手动阀门,可手动调节运行周期和运行时间。也可以自动调节,自控时根据二沉池污泥界面和污泥泵房MLSS测量值自动调整。 (5)回流污泥量控制 回流污泥量调节的任务是为了保证生化处理系统混合液的浓度维持在一定范围内,采用比例控制方式。 以上用到的仪表如超声波液位差计,一体式超声波液位计,pH温度测定仪,溶解氧测量仪,氧化还原电位检测仪,污泥浓度检测仪,COD分析仪等输出信号都为4~20mADC,负载阻抗都大于500Ω,输出接点容量≥2A(220VAC 50Hz或24VDC)。
2 硬件设计 (1)控制站PLC硬件构成 中央处理器模块(CPU417-4),电源模块(PS407 10A)用于对SIMATIC S7-400的供电,将AC或DC网络电压转换为所需的5VDC或24VDC工作电压,输出电流为10A。通讯处理器模块选用CP443-1。本系统中PLC1控制站的监视4~20mADC二线制Al量8路,监视4~20mADC有源信号Al量18路。PLC2控制站监视4~20mADC有源信号Al量15路,控制4~20mADC AO量9路,监视接点输入DI量206路,控制接点输出DO量96路。 (2)现场PLC操作站 现场操作站显示控制区域内的各类工艺参数和机泵的运行状态;对于重要的工艺参数能通过对有关机泵的开停控制进行调整;能够定时或及时打印多种规格的生产报表;能及时显示参数越限、生产事故或系统故障,并能提供丰富的操作指导信息;可以自动或手动启动系统自诊断功能;能够显示历史趋势。现场设备的远程控制输出和现场信号采集由2个操作站和5套PLC(PLC1、PLC2、PLC3、PLC4、PLC5)来完成。PLC1位于中控室内,PlC2位于变电所,主要用于机、泵等电气参数的监视、控制和联锁。在沉砂池现场设置PLC3,用于对成套设备监控,确保其正常运行。在污泥脱水浓缩间设置PLC4,用于对污泥脱水机的安全保护及有关参数的监控。紫外线消毒系统自带PLC5,用于对紫外线灯管、剂量及出水堰门、取样泵的控制。PLC作为下位机,与现场设备相连,进行数据通讯,数据处理,数据管理。现场各个监控点的参数,包括液位、温度、流量、溶解氧浓度等模拟量信号,通过现场的传感器、变送器、自动化仪表检测出来并转化为4~20mA电流信号,由PLC通过各种模块接口采样电信号,模拟量控制信号由PLC控制单元模件输出以后以4~20mA电流形式送到执行机构,控制执行机构的动作。当传感器和自动化仪表将液位、温度、流量、溶解氧浓度反馈到PLC上时,可由操作人员根据实际情况进行操作。对泵站的控制系统控制功能有就地(Local)和远程(Remote)两种;两种操作模式:手动(Manul)和自动(Auto),平时可根据系统设计,设定自动运行。当某一泵站的某一部分出现故障时,现场的报警信号立即通过网络反馈到中央控制室,通过打印机将故障的具体信息打印出来,并根据实际情况进行操作。 (3)无线通讯 传统的通讯方式是控制站由一套S7-400作为主站通过PROFIBUS-DP连接几个ET-200M远程I/O从站,其他S7-400 PLC借助于通讯接口模块IM 153-1将ET-200M作为从站连接到PROFIBUS-DP,控制站PLC与中央控制室上位机之间采用工业以太网通讯。但是采用连结方式,现场施工工程量非常大,需要架设电缆,费用较高而且维护起来很不容易,所以在该系统中,我们采取了无线通讯方式,和传统的通讯方式相比,它具有可靠性高,节省电缆,扩展性强,维护方便等优点。该系统无线通讯采用全数字无线数传电台MDS2710A构建无线通信主设备。该系统的PLC1接在主站上,其他4套PLC分别接在MDS2710A从站上,PLC1采用对其他4个从站PLC轮流访问,通过指令来实现数据交换。结构图如图2。
(4)双机热备系统 为了提高系统的可靠性,控制站采用1对1备用双机热备系统,有2套完全相同的CPU、输入/输出、电源和内部总线,其中一套处于工作状态,另一套处于热备状态。一旦发生故障,进入无扰动切换。无扰动切换在故障出现时由系统自动实现,同时可以通过监控软件和PLC系统的硬件按钮进行手动切换。 3 软件设计 (1)上位机组态 在上位机上使用WinCC软件设计标准的人机界面。用户对一些重要的模拟量输入参数如流量、温度、压力等进行实时报警,当处于监控下的任何一个变量超出预设的安全值时,报警灯就会立即闪烁,在操作员现行操作画面上给予提示。 为了将下位机读取的数据在上位机上实时显示出来,在WinCC的图形编辑器中,可组态WinCC用户归档表单元,它将允许在运行系统中以表格形式显示用户归档中的在线数据。根据该污水处理厂的实际需要,创建pH值、溶解氧、液位归档。 (2)PLC编程 通过STEP7,用户可以进行系统配置和程序的编写、调试,完成PLC硬件组态、控制PLC的运行状态和I/O通道的状态等。通常,用户程序由组织块(OB)、功能块(FB、FC)和数据块(DB)构成。其中OB用于控制程序的运行。是下位机软件系统的总控模块,可以在OB中编写实时数据采集程序也可以编写液位、温度、流量的应用程序。FB、FC是用户子程序,DB是用于存取数据的存储区,该系统中它是WinCC与STEP7程序的数据接口点。
(3)Smith预估控制算法
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