1 引言
大連開(kāi)發(fā)區(qū)污水處理一廠于1988年建廠。污水廠分兩期實(shí)施建成，總設(shè)計(jì)規(guī)模8萬(wàn)m3/d。一期工程設(shè)計(jì)規(guī)模3.5萬(wàn)m3/d，二期工程設(shè)計(jì)規(guī)模4.5萬(wàn)m3/d。一期工程設(shè)計(jì)出水達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。二期工程為升級(jí)改造工程，出水執(zhí)行的排放標(biāo)準(zhǔn)將由原二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)提高到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，其主要控制指標(biāo)可達(dá)到“再生水用作工業(yè)用水水源的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)”以及“景觀環(huán)境用水的再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)”的觀賞性景觀環(huán)境用水中的河道類標(biāo)準(zhǔn)。該污水處理廠升級(jí)改造控制系統(tǒng)的全套硬件設(shè)備及軟件由和利時(shí)公司提供，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作由大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司完成。
2 污水深度處理的工藝升級(jí)改造方案
大連開(kāi)發(fā)區(qū)污水處理一廠的工藝升級(jí)改造方案由五部分組成：一級(jí)處理系統(tǒng)、二級(jí)處理系統(tǒng)、深度處理系統(tǒng)、污泥處理系統(tǒng)及除臭系統(tǒng)。一級(jí)處理系統(tǒng)包括總進(jìn)水閘門(mén)、粗格柵、進(jìn)水提升泵池、細(xì)格柵及曝氣沉砂池。
二級(jí)處理系統(tǒng)采用改良A2/O生物除磷脫氮處理工藝，并且不設(shè)置初沉池，以便提高生物池進(jìn)水中的碳源。生物反應(yīng)池采用預(yù)缺氧池、厭氧池、缺氧池、好氧池，進(jìn)水按一定的比例分別進(jìn)入到厭氧池和缺氧池中，這樣即使在進(jìn)水C/N比較低（2.3～3.0）的條件下，仍不需要外加的碳源就能達(dá)到脫氮的效果。在好氧池中填充采用特殊結(jié)構(gòu)的纖毛狀生物膜填料，使附著微生物濃度高，這樣能同時(shí)利用附著在纖毛狀生物膜填料上的固定相微生物和浮游流動(dòng)相微生物，在較短的停留時(shí)間（HRT=5～7hr）內(nèi)去除有機(jī)物、氮和磷。纖毛狀生物膜填料呈直毛狀形態(tài)，微生物的附著和脫落達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，不產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，固定世代繁殖時(shí)間長(zhǎng)的硝化菌，提高硝化反應(yīng)速度。附著微生物中吞噬污泥的原生動(dòng)物（vorticella、aspidisca等）和后生動(dòng)物（rotaria、collurella等）共存，從而減少污泥量。這樣即使在冬季10℃以下的進(jìn)水溫度下，由于附著微生物的水膜現(xiàn)象，仍能有效地同步去除氮和磷。
深度處理系統(tǒng)采用渦旋混凝沉淀+轉(zhuǎn)盤(pán)過(guò)濾池處理工藝。處理后出水消毒，采用紫外消毒工藝。
污泥處理系統(tǒng)采用離心濃縮脫水一體機(jī)對(duì)污泥濃縮脫水后，外運(yùn)填埋。
除臭系統(tǒng)由兩座土壤脫臭床組成，分別為粗格柵、進(jìn)水提升泵池、細(xì)格柵間及污泥脫水間服務(wù)。同時(shí)設(shè)置異味除臭機(jī)，作為輔助除臭設(shè)施。
3 污水深度處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則
基于LK系列PLC在污水處理廠升級(jí)改造污水深度處理控制系統(tǒng)中應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則。
（1）可用性和可靠性
系統(tǒng)組件的設(shè)計(jì)符合真正的工業(yè)等級(jí)，控制系統(tǒng)能在嚴(yán)格的工業(yè)環(huán)境下長(zhǎng)期、穩(wěn)定地運(yùn)行，盡可能降低控制系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)，保證能源收益，確保水處理廠7×24小時(shí)的不間斷供水服務(wù)。
PLC控制站一般設(shè)于高電磁干擾環(huán)境，如提升泵房、鼓風(fēng)機(jī)房等，基于LK系列PLC的控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的電磁兼容性，系統(tǒng)采用各種隔離、抗干擾設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)能在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。
水處理環(huán)境可能因遭受污染并加速設(shè)備中電子元件的老化，基于LK系列PLC可提供特殊的保護(hù)工藝（保護(hù)涂層）的模塊，提高元件在腐蝕性化學(xué)品和腐蝕性環(huán)境中的使用壽命，避免意外停機(jī)，降低維護(hù)成本。
（2）開(kāi)放性和兼容性
基于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的通訊網(wǎng)絡(luò)可非常方便地將第三方設(shè)備接入，如加藥系統(tǒng)、紫外線消毒、及污泥脫水機(jī)等，允許大量過(guò)程反饋信息傳輸，支持設(shè)備參數(shù)訪問(wèn)功能，可提高系統(tǒng)的性能與診斷能力。
該控制系統(tǒng)不僅支持與各種上位監(jiān)控軟件的通訊，例如iFIX、INTOUCH、組態(tài)王、MCGS、力控等，而且支持與主流品牌觸摸屏的通訊，例如Pro-Face、HITECH、eView、Weinview、nTou。只要HMI支持標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議，都可以很方便的進(jìn)行連接。
強(qiáng)大的擴(kuò)展功能可為遠(yuǎn)期擴(kuò)容、升級(jí)改造預(yù)留接口及容量。
（3）過(guò)程診斷和在線維護(hù)
提供的強(qiáng)大診斷功能，能夠方便、高效訪問(wèn)相關(guān)信息，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致故障的根本原因以及需要修正的過(guò)程參數(shù)等，以便提前發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題，可以避免設(shè)備意外停機(jī)，從而降低運(yùn)營(yíng)成本。
操作站安裝上位監(jiān)控組態(tài)軟件HollyView6.53及LK編程軟件PowerPro V4，具有強(qiáng)大的功能，可方便、直觀地進(jìn)行上位機(jī)組態(tài)和PLC編程，且支持在線下載、在線修改以及離線仿真調(diào)試等功能。
4 污水深度處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
4.1概述
污水處理廠升級(jí)改造控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于現(xiàn)代先進(jìn)控制思想，采用分散控制、集中監(jiān)測(cè)管理的控制方式，以和利時(shí)公司LK系列PLC為核心的控制系統(tǒng)。基于LK系列PLC應(yīng)用于污水處理廠，完全能滿足A2/O生物除磷脫氮處理工藝控制的要求，提供了一種高可靠性、低成本、更優(yōu)化的控制方案。
LK系列PLC是和利時(shí)公司在總結(jié)十多年控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和幾千個(gè)工程項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上推出的適用于中、高性能控制領(lǐng)域的產(chǎn)品，CPU模塊集成工業(yè)級(jí)處理器（主頻可達(dá)533MHz），指令處理速度可達(dá)13ns。相對(duì)傳統(tǒng)PLC而言，LK可編程控制器充分融合了DCS和PLC的優(yōu)點(diǎn)，采用了高性能的模擬量處理技術(shù)、小型化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、開(kāi)放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、通用的系統(tǒng)平臺(tái)、使產(chǎn)品不僅具有強(qiáng)大的功能和卓越的性能，而且具有更高的可靠性、更佳的開(kāi)放性和易用性。
4.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，系統(tǒng)由1個(gè)中央控制室和6個(gè)現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站組成。現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站，由PLC系統(tǒng)及檢測(cè)儀表組成，對(duì)各工藝過(guò)程進(jìn)行分散控制；再由中央控制室，對(duì)全廠實(shí)行集中管理。中央控制室、PLC控制站之間的數(shù)據(jù)通訊采用高速的、實(shí)時(shí)的工業(yè)以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為星形，通訊速率為100Mbps，傳輸介質(zhì)為光纖。


6個(gè)現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站分配如表1所示

整個(gè)系統(tǒng)采用二級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即生產(chǎn)管理網(wǎng)和生產(chǎn)控制網(wǎng)，將過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、運(yùn)行操作監(jiān)視數(shù)據(jù)信息同非實(shí)時(shí)信息及共享資源信息分開(kāi)，分別使用不同的網(wǎng)絡(luò)。有效地提高了通訊的效率，降低了通訊負(fù)荷。生產(chǎn)管理網(wǎng)采用工業(yè)以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為星形，傳輸介質(zhì)為光纖。生產(chǎn)控制網(wǎng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線形式，采用PROFIBUS國(guó)際通用的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線，傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線。
污水處理廠升級(jí)改造控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三種控制方式，三種方式的級(jí)別由高到低依次為就地手動(dòng)、遠(yuǎn)程手動(dòng)、遠(yuǎn)程自動(dòng)。
PLC控制站主要監(jiān)控參數(shù)有：溫度、壓力、流量、液位、pH值、ORP（氧化還原）、DO（溶解氧）、COD（化學(xué)需氧量）、MLSS（污泥濃度）、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及設(shè)備運(yùn)行控制等。
4.3系統(tǒng)功能及軟件實(shí)現(xiàn)
和利時(shí)公司的上位監(jiān)控組態(tài)軟件HollyView6.53及LK編程軟件PowerPro V4提供了強(qiáng)大的軟件編程及系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。
（1）權(quán)限管理
操作員進(jìn)入系統(tǒng)使用密碼：系統(tǒng)提供分級(jí)的用戶進(jìn)入密碼系統(tǒng)，所以低級(jí)操作員只能進(jìn)入基本操作功能，同時(shí)較高級(jí)別的操作人員，按照不同的密碼，可進(jìn)入不同的系統(tǒng)組態(tài)功能。
提供12級(jí)的密碼：一旦操作員提供了正確的密碼，他可以修改他的密碼，而他的權(quán)限不能發(fā)生變化。
（2）流程圖
LCD畫(huà)面為操作員了解生產(chǎn)過(guò)程狀態(tài)提供了顯示窗口，并能支持以下幾類畫(huà)面：
總貌畫(huà)面：顯示系統(tǒng)各設(shè)備，裝置，區(qū)域的運(yùn)行狀態(tài)以及全部過(guò)程參數(shù)變量的狀態(tài)，測(cè)量值、設(shè)定值、控制方式（手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)）、高低報(bào)警等信息，從各顯示塊可以調(diào)出其它畫(huà)面。
分組畫(huà)面：以模擬儀表的表盤(pán)形式按事先設(shè)定的分組，同時(shí)顯示幾個(gè)回路的信息，如過(guò)程參數(shù)變量的測(cè)量值，調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，輸出值控制方式等。變量每秒更新一次，分組可任意進(jìn)行，操作員可從分組畫(huà)面調(diào)出任一變量（模擬量或離散量）的詳細(xì)信息。
單點(diǎn)畫(huà)面（調(diào)整畫(huà)面）：顯示一個(gè)參數(shù)，控制點(diǎn)的全部信息以及實(shí)時(shí)趨勢(shì)和歷史趨勢(shì)，從調(diào)整畫(huà)面也可直接對(duì)模擬回路進(jìn)行設(shè)定，調(diào)整操作。
流程圖顯示如圖2所示。

（3）趨勢(shì)功能
操作員可通過(guò)菜單或按鈕進(jìn)入實(shí)時(shí)曲線畫(huà)面或歷史曲線畫(huà)面，可選擇需要的工藝參數(shù)查看實(shí)時(shí)曲線或歷史曲線，可同時(shí)顯示多條實(shí)時(shí)曲線，可對(duì)曲線進(jìn)行放大或縮小，可任意選擇需要查看的時(shí)間段。
根據(jù)采集到的信息，建立各類信息數(shù)據(jù)庫(kù)并對(duì)各類工藝參數(shù)值作出趨勢(shì)曲線（含歷史數(shù)據(jù)），供調(diào)度員分析比較，以便找出污水廠的最佳運(yùn)行規(guī)律，分析事故原因，改進(jìn)管理方法，保證出水水質(zhì)，提高經(jīng)濟(jì)效益。
記錄生產(chǎn)所要求的所有參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，記錄時(shí)間不小于一個(gè)月，并可根據(jù)要求任意設(shè)置。對(duì)重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線存儲(chǔ)。可以通過(guò)歷史報(bào)表或者歷史趨勢(shì)曲線的方式來(lái)檢索歷史數(shù)據(jù)。
趨勢(shì)功能顯示如圖3所示。


（4）報(bào)警功能
報(bào)警設(shè)有優(yōu)先級(jí)管理，任意管理均在屏幕上顯示，顯示所有報(bào)警列表及報(bào)警的詳細(xì)內(nèi)容。監(jiān)控計(jì)算機(jī)的顯示畫(huà)面的頂部或底部應(yīng)設(shè)置一個(gè)報(bào)警條。在報(bào)警條內(nèi)顯示最近三個(gè)報(bào)警未消失未被確認(rèn)報(bào)警的詳細(xì)內(nèi)容，操作員通過(guò)畫(huà)面切換選擇報(bào)警表，報(bào)警表內(nèi)顯示中控操作站計(jì)算機(jī)中配置的所有報(bào)警列表及報(bào)警的詳細(xì)內(nèi)容。報(bào)警功能顯示如圖4所示。


（5）操作記錄
系統(tǒng)發(fā)生的較大情況（如設(shè)備故障、越限報(bào)警、大型設(shè)備的啟停等情況）或操作人員對(duì)設(shè)備的操作、參數(shù)的調(diào)整，可通過(guò)事件記錄功能記錄下這些情況和操作過(guò)程作為今后分析事故的基礎(chǔ)資料。事件記錄的內(nèi)容包括各種事件信息、事件發(fā)生時(shí)的用戶、事件發(fā)生的時(shí)間等。
（6）報(bào)表打印
系統(tǒng)自動(dòng)記錄各種工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)，將所有數(shù)據(jù)歸納匯總形成報(bào)表，報(bào)表可定時(shí)打印或召喚打印，操作員也可通過(guò)菜單或按鈕進(jìn)入報(bào)表畫(huà)面查看歷史報(bào)表。
自動(dòng)生成的生產(chǎn)報(bào)表（班/日/月）供生產(chǎn)管理之用，機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)六個(gè)月的信息量。采用了DDE技術(shù)，從而使用戶能夠直接使用Excel編制報(bào)表，借助Excel的強(qiáng)大功能，用戶可以隨心所欲地編制各種各樣的報(bào)表。可以是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的報(bào)表，也可以是歷史數(shù)據(jù)的報(bào)表。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文論述了基于LK系列PLC在污水處理廠升級(jí)改造項(xiàng)目中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，充分發(fā)揮了LK系列PLC配置靈活、控制可靠、開(kāi)放性強(qiáng)和在線維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，為整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保障，達(dá)到了減少對(duì)大氣環(huán)境、海域環(huán)境及噪聲環(huán)境的影響，對(duì)大連市的環(huán)境保護(hù)創(chuàng)造了良好條件。