污水处理厂自控系统的设计

　　摘要：本文主要介绍了我国目前污水处理厂自动化系统的构成、仪表的设计选型、自控系统的防雷设计以及自控系统的抗干扰，最后分析了污水处理厂自动化系统的改进和发展。
　　关键词：污水处理PLC仪表
　　一、污水处理厂自控系统构成：
　　根据污水处理厂的特点及控制要求，污水处理厂自控系统的设计选用目前国内外广泛使用的PLC集散控制系统，系统分为二层，即现场测控层、生产管理层。二层网络是完全开放的、成熟的、先进的通讯技术。能够与企业级网络和信息系统完全集成。二层网络保证一致的应用层，信息的共享、访问应避免任何特殊的编程和特殊的网关设备。在任何一级网络上，都应能够在同一介质上实现系统透明浏览、编程组态、实时控制、数据采集和系统诊断。网络上一般性的信息访问不应影响系统实时控制性能。其中，现场测控层与生产管理层之间通过100M工业以太网进行数据传输和信息交换，现场测控层与生产管理层之间连接通过光纤交换机进行，连接介质选用光纤；中控室以太网设备采用五类双绞线接入交换机。
　　网络服务：系统应能够在同一介质链路上同时支持数据采集、编程上/下载，I/O控制等功能。
　　控制层：即现场控制站与设备配套PLC控制箱之间通过现场总线或以太网连接。
　　为把污水处理厂建设成为具有较先进的现代化污水处理厂，实现生产过程自动化与管理信息化，按照安全可靠、技术先进、经济合理的原则，采用集中管理、分散控制的管控一体化的PLC+PC控制系统，同时各个生产设备均设有现场操作。自控系统由中控操作站和多台分散的控制分站及通讯网络组成。
　　污水厂设中央控制室，现场设PLC分控站，PLC采用世界知名公司的最新产品，考虑选择货源充足中文资料丰富、备品备件方便，技术服务方便、国内有维修处的生产商的产品。PLC的选型充分考虑其可靠性、先进性、可扩充性，应能满足中高控制性能的要求。对自动化管理水平要求较高的污水处理厂，分控站PLC应考虑选用双机热备型的PLC（2CPU同时参与计算与数据保存，1个CPU控制，1个CPU热备，故障时平滑切换）。每个PLC分控站的输入输出控制点都留有20％以上的余量。
　　① 现场测控层：
　　现场测控层直接面向生产过程，是计算机测控管理系统的基础，它主要由可编程序控制器（PLC）、液晶显示操作员终端、在线检测仪表等组成。
　　各PLC分站分别接受所控制范围内的在线检测仪表的模拟量信号、电动闸门、水泵电机等设备运行状态的开关量信号等工艺参数，并采集现场成套设备PLC的各类信号进行处理和运算，实现程序控制和自动调节，并把主要信息向生产管理层主机传输，或接受生产管理层主机的指令。现场测控层的主要功能如下：
　　a. 数字采集功能：具有模拟量、数字量、脉冲量、状态量的实时数据采集功能；
　　b. 数据处理功能：具有数字滤波、数据暂存、冗余备份、事故追忆等功能；
　　c. 数据处理功能：能在液晶显示操作员终端上显示文字、表格、图形、曲线及报警，所有显示全部汉化；
　　d. 控制输出功能：具有开关量、模拟量输出功能；
　　e. 各现场控制分站控制设备状态和控制；
　　f. 接收中控制室主机的调度命令，并进行相应的操作。
　　污水处理厂的动力设备除电气设计中的手动控制方式外，在自动化系统设计中还有三种控制方式，即现场控制、集中控制和自动控制。现场控制是在现场测控终端的操作面板上对设备进行独立键控，集中控制是现场测控终端联网组态下由中央控制室主机完成对全厂所有工艺电气设备的控制；自动控制是自动化系统根据各种工艺参数检测值和状态，按照预定测控程序自动完成特定功能的控制。
　　三种控制方式可在现场测控终端操作员面板和中控室主机上进行转换，以满足实际工作中调试、检修和自动运行的需要。
　　② 生产管理层：
　　生产管理层设置于厂内中心控制室，负责监视全厂污水处理过程中各工艺参数的变化，设备状态和运行管理。控制室设有两台操作站，互为热备用，设一套投影装置，其主要功能为：
　　监控现场PLC控制站，实时接收PLC站采集的工艺参数、电气参数以及各种生产设备运行状态信息，对各工艺参数和动力设备的运行进行实时显示、记录、分析、统计、事故报警、打印、存储等，在彩色显示器上显示动态工艺流程图并在图中相应位置显示被测工艺参数的实时值，动力设备的运行情况，已发生的事故，显示模拟量检测值的各班，日，月，年曲线图，直方图，趋势图等。
　　操作人员通过计算机键盘或鼠标，可遥控现场PLC控制站，控制动力设备的开/停，设定工艺参数越限事故的上下限值，也可人工设定各现场PLC的控制参数。
　　编制和打印各种生产报表，供管理人员作经济成本分析及提高经济效益。
　　二、现场分控站：
　　根据污水处理厂工艺流程和总平面布置，为了节省电缆，以就近采集和单元控制为划分区域的原则，污水处理厂一般可设4个分控站，4个分控站位置分别是预备处理、生化反应池、污泥脱水间、鼓风机房。每座分控站内分别配置以下主要控制设备：
　　1．可编程序逻辑控制器（PLC）1套
　　2．不间断电源（UPS）及过电压保护装置1套
　　3．隔离装置1套
　　4．可编程终端（触摸屏）1套
　　现场的可编程序逻辑控制器分别对所控制范围内的工艺过程进行控制，采集工艺参数、电气参数、电气设备运行状态及成套设备PLC控制参数。现场设备控制的基本IO点如下：
　　现场工艺设备：DI信号：运行/停止信号、手/自动信号、故障信号
　　DO信号：启/停指令
　　带变频控制的设备加AI和AO点便于设定和监视频率值，变频器以总线或以太网与分站PLC通讯。
　　闸门DI信号：手/自动信号、全开状态、全闭状态、故障信号
　　DO信号：闸门开指令、闸门关指令
　　液位开关DI信号：开/关状态
　　工艺仪表：AI信号：仪表4-20mA输出信号
　　电力仪表：以MODBUS与分站PLC通讯
　　成套设备：自带PLC以MODBUS或以太网与分站PLC通讯
　　各现场分控站控制范围如下：
　　1、PLC1（预处理）分控站
　　粗格栅及提升泵站、细格栅、旋流沉砂池的设备及仪表。
　　2、PLC2（生化反应池）分控站
　　生化反应池的设备及仪表。
　　3、PLC3（污泥脱水间）分控站
　　污泥脱水间、贮泥池的设备及仪表。
　　4、PLC4（鼓风机房）分控站
　　鼓风机与风机配套设备及仪表。
　　污水厂PLC基本配置如下图1

　　三、现场检测仪表
　　现场仪表作为计算机监控系统的检测单元，其性能的优劣直接影响到整个计算机监控系统的好坏。仪表是现场采集工艺参数的主要仪器，现场设置的检测仪表是污水处理厂实施科学管理的主要因素之一。所以在污水厂仪表选型中遵循以下原则：
　　1．可靠性
　　由于现场仪表检测的介质成分比较复杂，仪表安装的环境比较恶劣。为了保证污水处理过程的安全、可靠的进行，在选择仪表时选用符合工业级标准的、成熟定型的，且经过现场使用并证明是成功的产品。考虑到水质及现场环境的条件，为防止探头结垢，尽量选用非接触式、无阻塞隔膜式、自清洗式的传感器，且户外安装的仪表变送器保护等级应达到IP65,浸没在水下的仪表传感器保护等级应达到IP68。
　　2．先进性
　　在系统可靠性的前提下，先进性也至关重要，因为科学技术在发展，我们选择的仪表应代表着当今的科技水平。产品的先进性主要表现在：仪表全部采用智能型测量仪表；便于计算机系统连接和维护管理的方便，具有自动补偿功能、具有自诊断、信号保持、故障报警等功能。
　　3．方便性
　　仪表在使用时具有安装操作方便、简单易学、界面清楚、功能实用，维护人员可以很方便的对仪表进行维护、检修等操作。仪表应采用4~20mA的输出信号输出，并带足专用电缆和安装附件。
　　四、仪表及控制系统防雷、接地及抗干扰设计
　　1、仪表及控制系统防雷、接地：
　　在仪表、控制系统选型上注重防雷过电压保护器的选择，仪表、控制系统与电气系统共用接地，在系统设计上、配线上充分考虑采取抗干扰措施，保证信息系统的接地与安全。
　　对交流电源线根据导线所通过的防雷保护区和不同的供电方式，在被保护设备前安装达到以下指标要求的防雷器：
　　当电源进线（单相220VAC）从直击雷非防护区(LPZOA)进入第一防护区(LPZ1)时，设置防雷器，防雷器的保护参数符合如下要求：
　　雷电冲击电流Iimp：≤100KA（10/350μs）；
　　电压保护级别Up：≤1.5kV；
　　响应时间：≤100ns。
　　当电源进线（单相220VAC）从直击雷防护区(LPZOB)进入第一防护区(LPZ1)时，防雷器（或组合）的保护参数符合如下要求：
　　最大放电电流Imax：≤40KA（8/20μs）；
　　电压保护级别Up：≤1.5kV；
　　响应时间：≤25ns。
　　对从LPZO区进入LPZ1区的各类现场总线和4－20mA模拟量信号电缆，电缆两端的防雷器（或组合）的保护参数符合如下要求：
　　冲击流通容量Isn：≤20kA（8/20μs）；
　　响应时间：≤1ns。
　　若现场仪表为四线制，分别对仪表的信号和电源进行保护。
　　防雷器在确保系统正常运行的前提下，能够承受预期通过它们的过电压，并完善的保护电子设备。对于安装在户外的雷电保护装置，使用IP65的保护箱。
　　防雷电接地系统应严格按GB50057-94（2000版）和GB50343-2004规定中对屏蔽、接地和等电位连接要求以合适的方法与电气接地系统相连接。防雷接地、仪表及控制系统的保护接地、工作接地采用等电位接地方式，接地电阻应<1Ω。
　　2、抗干扰：
　　污水处理厂自控系统的干扰源主要有来自系统内外的电磁干扰、系统电源干扰、雷击干扰。
　　合理布线，避免信号线与交流电源线并行，解决了来自内部的电磁干扰。
　　设备放置于接地良好的机柜内，屏蔽了电磁干扰。
　　采用防浪涌不间断电源，解决了外部电源的电源干扰，同时采用防浪涌辅助通信接口，解决了来自通信线路的雷击干扰。
　　报警输出入端、通信装置、485总线控制器均带有防雷和过压保护器件进行防雷击保护。
　　五、结束语
　　目前我国污水处理厂自控系统设计还有不完善的地方，在以后的设计中要着重考虑自控系统的实用性、稳定性和先进性，根据污水处理的工艺流程及控制要求合理配置自控系统，使自控系统在实现工艺控制的同时也能节约系统成本。
　　污水处理厂自控系统未来将会向智能化发展，通过自控系统的智能化来降低污水处理厂的劳动力成本，自控系统的逐步改进，将使得污水处理厂自动化系统的建设更趋合理。
　　参考文献：
　　1、蓝海涛，污水处理厂自动监控系统的设计，电脑与信息技术，2005.6
　　2、高大文彭永臻等主编，污水处理智能控制的研究、应用与发展，中国给水排水，2002，18(6).－35－39
　　3、崔福义彭永臻编著，《给水排水工程仪表与控制》，中国建筑工业出版社出版，1999年12月第一版
　　4、崔福义彭永臻编著，《给水排水工程计算机应用》，中国建筑工业出版社出版，2002年2月第二版
　　