PLC系统在九华街污水处理系统的应用

石 磊

(北京机械工业自动化研究所，北京 100120)

0 引言

在国家节能减排政策的背景下，污水处理已经越来越得到重视，九华山旅游集团公司推进污水处理项目建设运行。通过亚行贷款建九华街区污水处理厂，加快污水处理产业化进程，有效净化核心景区生活污水，保护九华山生态环境，促进旅游经济可持续发展。九华街污水处理厂目前转入试运营阶段，污水处理能力3000m3/d。

1 概述

本工程包括九华街污水处理厂工程、景区各点源污水治理工程。九华街污水处理厂服务面积1.2Km2，日处理污水能力3000m3。城市污水由厂外污水管网收集后，自流进入污水处理厂，污水经处理后排入九华河。

污水处理厂及各点源污水治理工程设计进水指标如下：

CODcr：300mg/l

BOD5：160mg/l

SS：170mg/l

总氮：35mg/l

NH3-N：25mg/l

P：2mg/l

污水处理厂及各点源污水治理工程设计出水指标为：

CODcr：60mg/l

BOD5：20mg/l

SS：20mg/l

总氮：20mg/l

NH3-N：8(15)mg/l

TP：1mg/l

粪大肠菌群数：104个/L

按照安徽合肥九华街污水处理厂项目PLC自动控制系统设备技术规范的要求，根据国内外城市污水、供水系统的运行管理情况以及在该行业中的实际经验，依照国际自动控制领域的发展趋势，本着安全可靠、简单实用，先进的原则，选用罗克韦尔ControlLogix冗余PLC、现场仪表系统组成多级的、开放的、模块化的、实时多任务的集散型的可扩展的数据采集和监控系统的解决方案。

该监控系统具有集中监视，分散控制的功能。其特有的双机架冗余CUP系统,在主PLC故障状态下可实时切换至备用PLC使系统仍可继续工作而不影响整个工艺过程控制和检测。

本监控系统的配置,不但能够实时采集和显示出各设备的运行工况及各项工艺运行参数,而且能够合理解决和协调运行中各工艺单元之间的优化配合，以提高整个污水处理系统的的运行管理水平，使整个系统能够正常、稳定、安全、高效、低耗运行，并取得最佳效益。

2 控制系统说明

系统采用国际流行的以太网、控制网和现场总线技术“三网合一”的网络结构，采用多媒体信息技术对生产作业现场进行指挥与监控的能力，充分发挥了计算机信息处理功能。通过10/100M自适应光纤工业以太环网将中央监控工作站及现场控制站连接起来，实现了集中管理、分散控制。避免了集中控制系统危险度集中、可靠性差、不易扩展和控制电缆用量大等缺点，实现了信息、调度、管理上的集中和功能及控制危险上的分散。系统中的PLC采用美国ROCKWELL公司的ControlLogix冗余PLC产品，可靠性高，保证10万小时无故障。其高性能的CPU和快速I/O，以及多任务的软件结构，使系统响应速度大大提高。同时PLC系统模块的可带电插拔交换功能，保证了系统的连续运行。软件方面本系统采用的ROCKWELL公司的工控软件产品，集成化高，界面丰富，上位监控软件及PLC编程软件的组态和设置非常简单，通过二次开发的监控操作界面，操作者可方便地通过该界面对整个污水处理厂进行远方及现场就地操作。

系统详细配置图如图1所示。

本工程自控系统采取“集中监测，管理，分散控制”的方式，由中控室计算机、现场控制站（可编程控制器PLC）组成整个污水工程的SCADA系统，完成整个污水工程调度、控制、管理任务。中控室监控计算机与现场PLC组成实时工业控制网。

全厂设备的控制可通过以下三种方式完成：

1）就地手动：优先级最高，当现场转换开关处于“手动操作”时，PLC的控制被屏蔽。主要现场设备均可在就地接钮箱或现场控制箱上实现手动/自动切换及开、停等人工操作。

2）远程PLC自动控制：利用PLC的逻辑控制功能，提供设备的自动，及关联设备的联动，连锁控制，及闭环控制。各分站管辖的区域的设备以这种控制方式为主。

3）中央监控总站中控：中央监控总站，通过人机操作界面，对全厂的设备进行远程控制，实现宏观调控，处理局部的停机事故和紧急状态，维持系统的总体协调。

另控制站PLC在手动/自动/中控切换中具有无扰动切换功能。工程在工艺流程各个环节中设置了完整的全过程检测仪表，如流量、液位、压力、PH等检测仪表，确保对工艺全过程运行状态、水量、水质的监控，满足各环节的自动控制需要。通过监控系统、仪表系统的设置，达到对污水厂各个处理环节的及时、准确的控制，用以达到节能降耗的目的。监控系统将实时监控污水处理厂的运行，例如进出厂水的各种参数、设备的运行状态，控制污水处理厂各种设备的运转，保证污水厂安全、可靠、高效的运行。

图1 安徽合肥九华山污水处理项目PLC自动化控制系统网络配置图

图2 PLC自动化控制系统网络拓扑图

PLC控制器采用的是Rockwell公司ControlLogix双机热备产品，CUP为Logix5555系列控制器，PLC现场控制站通过光纤冗余环网Ethernet与中央控制室计算机联接，远程I/O站通过ControlNet现场总线网络连接在相应的PLC控制站上。现地控制站既能够独立进行现场各开关量、模拟量的数据采集和控制，又能够通过网络间的数据传送，将各仪表及泵阀等状态信息传送到上位机，完成中央控制室的实时监控。ControlLogix其功能强大的CPU，开放式的总线结构为本污水处理系统后续的升级改造创造的良好的坚实基础。

污水处理厂通讯系统网络结构分三层：

第一层为信息管理层，即中控室监控设备间及与现场控制站间采用工业以太网(EtherNet/IP)，基于IEEE802.3标准的EtherNet／IP网络采用有源环形拓扑结构，由光纤环网交换机提供虚拟连接。环形拓扑结构支持10Mbps和100Mbps产品。主要网络设备为德国赫斯曼的光纤环网交换机。该以太网交换机可自动处理速度差异，使用户可以混合使用10Mbps和100Mbps设备。控制设备为全双工设备，以减少数据包冲突并使设备能同时发送和接收数据。

第二层为控制层，即现场控制站与现场控制分站之间的通讯，采用Rockwell公司的控制总线网ControlNet。该总线网络是开放的、国际上认可的现场总线。它是一个实时的控制网络，用于高速传送实时I/O数据和消息数据包括程序上载/下载、组态数据及对等通信，所有这些都在一个单独的物理介质链路上传送，网络具有高度的确定性，能可靠预测数据发送时间。ControlNet传输速率为5M。

第三层为设备层（FieldBus），设备层现场总线可分为二种：

设备层现场总线用于PLC与现场控制箱、高低压开关柜之间的通讯，将采用开放的、国际上认可的现场总线DeviceNet。其通讯速率125kbps～0.5Mbps，视传输距离而定，通信介质为屏蔽双绞线电缆。

3 结论

ControlLogix双机热备产品在污水处理中的广泛应用，体现了在国家节能减排政策的背景下，污水处理已经越来越得到应有的重视。污水处理控制系统安全可靠的运行得到了有效的保证。