大连大孤山污水处理厂工程自控系统设计

1．引言
大孤山污水处理厂一期是一个以处理工业污水为主的城市污水处理厂，近期处理能力2×104 m3/d，远期达到7×104 m3/d。2008年7月建成近期2×104 m3/d的污水处理厂投产。大孤山污水处理厂主要的处理工艺为：厌氧+好氧+沉淀+曝气生物滤池+混凝+絮凝+气浮+消毒，占地面积5.616公顷。原2×104 m3/d水厂，其出水水质只能达到《污水综合排放标准》（GB8978-1996）中的一级B标准，不能达到《辽宁省污水综合排放标准》（DB 21/1627-2008）中规定一级A标准”。因此，大连开发区大孤山污水处理厂扩建、改造工程的建设，是实现排放标准要求的必要措施。
 设计规模确定为7万m3/日。
（2）根据现有水厂实际进水水质监测数据以及辽宁省颁布的《污水综合排放标准》的要求，确定设计进、出水水质为：
表1-1   大孤山污水污水处理厂进、出水水质

出水指标达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级标准的A标准。

2.工艺方案  
一级处理：新建粗格栅、增加提升泵数量、新增细格栅及曝气沉砂池。
水解酸化池：新增水解酸化池一座。
生化处理：新建生化池，处理规模为5.0×104m3/d，改良A2O生物池由预缺氧区、厌氧区、缺氧区及好氧区组成。预缺氧区、厌氧区和缺氧区设有潜水搅拌机；好氧区设有曝气头，预缺氧区及厌氧区。每座池好氧池出水端设有4台内回流泵，3用1备。混合液回流至缺氧区。回流污泥由进水渠首端进入预缺氧区。生物池曝气气源来自鼓风机房，每根曝气干管上设有一个电动空气调节阀，根据生物池内DO值，调节曝气量，以满足工艺要求，并达到节能的目的。
二沉池：二沉池为周进周出辐流式二沉池，为钢筋混凝结构。共两座，并联运行。
配水井及污泥回流泵房：配水井及污泥回流泵房为钢筋混凝土池双层结构。上层作为二沉池进出水配水池，生物池来水均匀配水至两个沉淀池。下层为污泥回流泵、剩余污泥泵泵池，分别将污泥输送至预缺氧池和污泥贮池。
深度处理：新建深度处理车间一座，内设混凝沉淀、转盘过滤、紫外消毒及加药间。
污泥处理：新建污泥贮池及污泥脱水间。污泥脱水采用浓缩脱水一体机。

工艺流程框图
 

3.自控仪表设计
3.1设计原则
根据工艺方案对自控仪表系统的要求和运行管理经验，全厂的自控系统由计算机控制管理系统和仪表检测系统两大部分组成。前者遵循“集中管理、分散控制、资源共享”的原则，后者遵循“工艺必需、先进实用、维护简便” 的原则。
3.2系统方案
大孤山污水处理厂处理工艺为改良A20工艺。为了保证污水处理过程的安全可靠和生产的连续性，提高自动化水平，并适应整个污水处理工艺需要，采用以和利时公司HOLLiAS LK大型PLC为主的集中和分散相结合的自动化控制系统，实现对全厂工艺参数、电气参数和设备运行状态进行监测、控制、连锁和报警以及报表打印，通过使用在主站和远程站间的一系列通讯链，完成整个污水厂工艺流程所必需的数据采集，数据通讯，顺序控制，时间控制，回路调节及上位监视和管理作用。在满足工艺流程的要求之外，还能实现污水厂的安全生产，提高生产管理水平。
LK系列PLC是和利时公司在总结十多年控制系统设计和工程项目实施经验基础上推出的适用于中、高性能控制领域的产品，CPU模块集成工业级处理器（主频可达533MHz），指令处理速度可达13ns。相对传统PLC而言，LK可编程控制器充分融合了DCS和PLC的优点，采用了高性能的模拟量处理技术、小型化的结构设计、开放的工业标准、通用的系统平台、使产品不仅具有强大的功能和卓越的性能，而且具有更高的可靠性、更佳的开放性和易用性。
整个系统设1个中央控制室、4个现场PLC控制站组成。现场PLC控制站，由可编程序控制器（PLC）系统及检测仪表组成，对污水处理厂各工艺过程进行分散控制；再由中央控制室（CCR），对全厂实行集中管理。中央控制室、PLC控制站之间的数据通讯采用高速的、实时的工业以太网，网络结构为环形，通讯速率为100Mbps，传输介质为光纤。系统整体性能具有如下特点：
1）先进性
设计中不仅采用了目前世界上先进的主流产品，而且着眼于企业“管控一体化”的需求，贯彻了数字化、信息化环保的先进思想，使企业生产数据的进一步智能应用成为现实。该方案使控制系统有机地成为企业整个IT架构的一部分。采用先进的计算机控制系统，主要用于污水厂的生产控制、运行操作、监视管理。控制系统配有可靠的硬件设备，和功能强大，运行可靠，界面友好的系统软件、编程软件和控制软件。
2）可靠性
控制系统在严格的工业环境下长期、稳定地运行。系统组件的的设计符合真正的工业等级，满足国内、国际的安全标准。并且易配置、易接线、易维护、隔离性好，结构坚固，抗腐蚀，适应较宽的温度变化范围。
3）强大功能
PLC的编程语言符合IEC61131-3标准，易学、易懂、易用。CPU内置软PID，并提供了丰富的指令集及函数库，用户直接调用。高速工业以太网作为系统的骨干网络，实现高速数据传输、高度数据共享。组态软件图库丰富，网络功能强大，报警、报表、历史数据以及二次开发功能完善而易用。
4）故障诊断
完整的自诊功能，可以在运行中自动地诊断出系统的任何一个部件是否出现故障，并且在监控软件中及时、准确地反映出故障状态、故障时间、故障地点、及相关信息。在系统发生故障后，I/O的状态返回到系统根据工艺要求预设置的状态上。
5）扩展性和兼容性
TCP/IP协议是目前开放性最好的协议，可以轻松进行系统扩展。监控系统的数据库结构应为面向对象的，实时式，关系型数据库。系统对数据变化响应可达到1毫秒。操作系统和监控软件具有冗余和容错及灾难性恢复等功能。组态软件支持DDE、OPC、ODBC、SQL，且提供丰富的API编程接口，同时也为世界各PLC厂商提供了完善的驱动程序库，从而可以将其它系统轻松接入本系统。

3.3系统结构
大孤山污水处理厂自动化控制系统分为三级管理，包括生产管理级、现场控制级及就地控制级。现场各种数据通过PLC系统进行采集，并通过主干通讯网络——工业以太网传送到中央控制室监控计算机集中监控和管理，传输介质为光纤，通讯速率为100Mbps。中央控制室监控计算机的控制命令也通过上述通道传送到PLC的测控终端，实施各单元的分散控制。现场与中央控制室之间通过高速工业以太网连接，高速工业以太网采用开放式的总线结构，以便于实现近远期系统的无缝对接。
1）生产管理级（中央控制室）
中央控制室设两套互为热备的监控操作站、两台打印机、一套UPS电源。这两套监控操作站为冗余配备，可以分别侧重监测或组态功能，故障时互为备用，具有灵活的运行方式。并且可与分布在厂内其它位置的计算机（如厂长办公室、总工室、化验室等）便地通过局域网与之相连，实时监控现场各工艺过程的生产运行状况；主要完成对污水处理厂的管理、调度、集中操作、监视、系统功能组态、控制参数在线修改和设置、记录、报表生成及打印、故障报警及打印，对实时采集的数据进行处理，控制操作以及分析统计等功能。通过高分辨率液晶显示器及投影仪可直观地动态显示全厂格工艺流程段的实时工况、各工艺参数的趋势画面，使操作人员及时掌握全厂运行情况。
2）现场控制级（PLC控制站）
现场控制站配置控制柜。柜内包括和利时公司HOLLiAS LK系列可编程序控制器、24VDC电源装置、光纤以太网交换机、过电压保护装置、小型继电器、安装连接线缆及附件等。按照生产区域、功能和MCC的分配状况划分为五个控制区域，各控制区域设置一套现场控制站。分别为预处理工段、生物处理工段、二沉池及污泥泵房、污泥脱水间、深度处理间，负责每个工艺段的设备自动控制。
现场控制级接受生产管理级的调度，但并不依赖于生产管理级而运行：若监控计算机出现故障或者并没有投入使用或者通信网络出现故障，现场控制站仍继续正常工作，对整个工艺过程没有影响。
3）就地控制级（现场按钮箱）
将现场控制箱上的“就地/远程”旋钮切换至“就地”位置，通过箱上的“启动/停止”按钮实现就地手动控制。
3.4控制方式
大孤山污水处理厂自动化控制系统控制方式设计为现场设备就地手动控制、计算机控制系统远程手动控制、计算机控制系统远程自动控制三种控制方式。三种方式的级别由高到低依次为就地手动控制、远程手动、远程自动。
1）就地手动模式：设备的现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“就地”方式时，通过现场控制箱或MCC控制柜上的按钮实现对设备的启/停、开/关操作。设备的急停按钮或其他保护和安全连锁装置(如:过载保护、温度及液位保护等)必须是硬线连接至电气控制回路，不受方式选择开关的限制。现场控制箱（柜）在开关在“手动”位置时，设备为离线方式，PLC不能对设备进行任何控制。
远程手动模式：即远程手动控制方式。现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程” 开关选择“远程”方式时，操作人员通过操作终端（HMI）或中控系统操作站的监控画面用鼠标器或键盘选择“手动”方式并对设备进行启/停、开/关操作。
2）远程自动：现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式，且现场控制站的“自动/手动”设定为“自动”方式时，设备的运行完全由各PLC根据供水厂的工况及生产要求来完成对设备的运行或开/关控制，而不需要人工干预。
3.5系统网络
大孤山污水处理厂自控系统是开放的控制系统，中央控制室、PLC控制站之间的数据通讯采用高速的、实时的工业以太网，网络结构为环形，通讯速率为100Mbps，传输介质为光纤。在出现故障时，再现增加或删除任意一个节点，都不会影响到其他设备的运行和通讯。它除了具有良好的网络通讯能力外，还具有与其它控制系统通讯功能和标准的对外通讯接口，以后可以任意扩展。
为提高网络通讯的效率，在中控室设置以太网交换机，交换机的通讯机理可以保证各节点之间互不干扰。中控室内部监控计算机和综合楼内其他计算机采用屏蔽双绞线连接到交换机，网络速度为100Mbps；交换机与现场PLC站的连接为铠装光纤。这种网络结构完全可以满足污水处理厂运行的要求。
 

3.6系统功能
3.6.1中央控制室功能
中央控制室监控计算机是操作员监控及获取数据的平台，和利时公司的上位监控组态软HollyView6.53及LK编程软件PowerPro V4提供了强大的软件编程及系统功能的实现。系统包括以下功能：管理权限、实时工艺流程图显示、故障报警、实时曲线、历史曲线、参数设置、调节回路显示、事件记录、画面切换及报表处理等功能。
3.6.2现场PLC控制站功能
1) 按控制程序对所辖工段内的工艺过程、电气设备进行自动控制，同时采集工艺参数，电气参数及电气设备运行状态。
2) 通过通信网络与中央控制室的监控管理系统进行通信。向监控管理系统传送数据，并接受监控管理系统发出的开停机命令。
3) 现场控制站提供方便的自动控制, 临界报警和连续的回路控制。
4) 为控制站PLC程序预置的值，可以通过中央监控站调整。
3.7防雷、过电压保护及接地
    为了确保自控仪控系统运行的稳定性，对中央控制室、现场控制站的电源进线设置两级避雷器。对非光缆通讯网络端口、以及4~20mA模拟信号端口配置相应的防雷保护器件。
整个污水处理厂的接地装置按照国家标准，根据系统接地要求等电位或分别接地。仪表自控系统的接采用分类汇总，最终与总结地板连接的方式。接地电阻小于1欧姆。
3.8工厂管理计算机系统
分别在厂长办公室、实验室、总工程师室等处配置计算机，并采用标准以太网(集线器方式)与中央控制系统连接，组成工厂计算机综合管理控制系统。
3.9远程通讯
厂区内控制中心与公司级控制中心的通讯，由数据服务器承担，通过公共数据宽带网，将污水厂处理水量和水质数据、污水厂各种运行数据等，实时传送到市污水管理部门，并接受监控管理系统发出的管理指令。
4.结束语
本文论述了基于LK系列PLC在污水处理厂升级改造项目中控制系统的设计与实现，充分发挥了LK系列PLC配置灵活、控制可靠、开放性强和在线维护方便等优点，为整个系统的安全稳定运行提供了可靠保障，达到了减少对大气环境、海域环境及噪声环境的影响，对大连市的环境保护创造了良好条件。
参考文献
《大连开发区大孤山污水处理厂扩建、改造工程》可行性研究报告 。2011
 和利时公司.HOLLiAS LK系列大型可编程控制器硬件手册.2011