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基于工业以太网的污水处理控制系统设计
ZHANG Hongwei, WANG Xinhuan , YAN Youyun, ZHANG Tao
摘 要：随着政府对环境保护工作的日益重视，污水处理工程越来越受到人们的关注。污水处理工程设备繁多，工艺复杂。本文论述了plc与网络在污水处理厂的应用。通过工业自动化控制技术、计算机技术、网络通信技术和组态软件的结合，作者设计并实现了污水处理的分布式控制系统。过程监控层采用光纤冗余工业以太网技术。文中包括PLC控制系统和监控系统软件的设计。通过提高污水处理设施的自动化水平、优化污水处理工艺，以达到降低污水处理工作量、提高污水处理效率的目的。
关键词：污水处理控制系统；工业以太网；组态软件；PLC
1 引言
近年来，随着中国经济的快速发展，水资源短缺、水污染问题也越来越严重。对于大中型城市的污水和工业污水采取了一些措施，但在城镇，污水处理情况不容乐观。污水处理具有巨大的社会效益和经济效益。但污水处理工艺复杂，生产连续，参数测试困难。运行成本高，经济效益差。为了有效地利用污水处理技术，使系统持续稳定运行，采用先进的污水处理自动控制技术，提高设备的自动化水平已成为污水处理的关键。结合工程实例，充分考虑污水处理技术和以太网技术，提出了一种基于工业以太网的污水处理控制系统的设计与实现。全球经济的发展极大地推动了社会的进步，使人民生活得到了进一步改善。但是，也随之带来不同程度的环境污染。污水是造成环境污染的主要原因之一，污水处理引起了世界各国政府的关注。治理水污染的课题已被列入世界环保组织的工作日程。我国政府历来高度重视资源节约和环境保护，“十一五”规划纲要把节能和减排作为约束性目标。近两年，又提出并实施节能减排综合性工作方案建立节能减排指标体系、监测体系、考核体系和目标责任制。颁布了应对气候变化国家方案。我国政府在 2008年“两会”中强调，2008年是完成“十一五”节能减排约束性目标的关键一年，务必增强紧迫感，加大攻坚力度，力求取得更大成效，提高城镇污水处理能力，力争用两年时间在36个大城市率先实现污水的全部收集和处理，建设资源节约型、环境友好型社会。
随着现代控制技术、计算机技术和通信技术的飞速发展和广泛应用，使得整个污水处理过程实现了计算机监测、控制和管理，完成了高质量、低成本、稳定可靠的运营方式。如何提高污水处理的自动化程度，保障控制系统的稳定、可靠运行已经成为一个重要的研究内容。根据污水处理工艺流程的特点，本课题设计了下位机系统和上位机系统两部分。下位机系统采用可编程控制器PLC和常规仪表构成可靠的自动监测和安全联锁系统，选用Wonderware公司的InTouch工控组态软件创建上位机监控界面。最终实现对污水处理的工艺过程参数、电气参数和设备运行状态进行监视、控制。与传统的继电器、接触器控制系统相比，PLC控制系统具有通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性价比高等一系列优点，而且其总线与网络能力越来越强，可方便地与上位机组成控制系统。另外，污水处理过程的共同特点就是开关量多，模拟量少，以逻辑顺序控制为主，闭环回路控制为辅，因此PLC在污水处理行业得到了广泛应用。实现了对污水处理过程的实时监测和控制，从而保障了生产过程的连续性，降低了劳动强度，实现了少人或无人值守的目标。
2 污水处理流程
在污水处理技术中，生化处理法得到了广泛的应用。该工艺可分为活性污泥法、生物膜法和天然生物处理法等多种形式，目前国内污水处理技术大多采用活性污泥法及其变形而来的方法，如氧化沟法、SBR法等。在本文中，我们选择了Orbal氧化沟工艺。污水处理工艺流程图如图1所示。它主要分为过滤系统，氧化沟生化处理系统、污泥脱水系统、加氯消毒系统。
污水处理工艺在工厂能源消耗中占有重要地位，它由五个主要工序组成。第一个是进水泵房（IPH）在泵系统在每个模块包括三号原污水泵和三协助义务。原污水泵将从湿井流入污水的总容积到处理工艺室。即将到来的未经处理的污水被提升到一个水平，以便通过重力流经整个工厂。二是初步处理（精筛、沉砂、清脂）。
(1) 粗格栅的控制粗格栅单元的主要被控对象有进水电磁阀以及链条格栅除污机。系统启动后，进水电磁阀应根据粗格栅进水池液位自动打开和关闭，以实现对粗格栅进水池液位的控制。链条格栅除污机也要根据粗格栅进水池液位自动启动和停止，以实现粗格栅的功能。
(2) 细格栅的控制细格栅单元的主要被控对象有进水水泵以及回旋式格栅除污机。系统启动后进水水泵应根据粗格栅出水池液位和细格栅进水池液位自动打开和关闭以实现对细格栅进水池液位的控制。回旋式格栅除污机根据细格栅进水池液位自动启动和停止。
(3) 沉砂池的控制沉砂池的主要被控对象有进水电磁阀以及砂水分离机。进水电磁阀应根据沉砂池液位自动打开和关闭，以实现对沉砂池液位的控制。砂水分离机根据沉砂池液位以及沉砂时间自动启动和停止。
(4) 曝气池的控制曝气池的主要被控对象有进水电磁阀、鼓风机以及气冲阀等。和其它进水电磁阀一样，曝气池的进水电磁阀也应根据曝气池液位的大小自动打开和关闭。当开始曝气时，就打开鼓风机及气冲阀，以调节曝气池中的溶解氧的含量。通过控制溶解氧的含量，来控制曝气池中微生物的好氧性，从而净化污水。
(5) 二沉池的控制二沉池中需要控制的对象有进水电磁阀、出水电磁阀、泵吸式吸泥机以及污泥回流装置。进水电磁阀也应根据液位大小自动打开和关闭。
(6) 污泥输送机的控制系统运行后，污泥输送机以一定的时间间隔自动间歇运行。此外，为了实现远程监控污水处理工业现场的各种被控参数，控制系统中还要有上位机监控界面，并在上位机监控界面中实现对工业现场的被控对象的控制。
由于原料污水中含有大量的杂质和漂浮物，在氧化过程中，需要进行预处理。预处理去除的材料，可以很容易的收集，否则他们将损坏或堵塞泵和初级处理沉淀池撇油器。进水污水被过滤，以除去污水中携带的比较大的杂物。这是通过粗格栅栏自动完成的。机械式条形筛的倾斜动作通常是根据屏幕和水位的累积来进行的。经过初步过滤后，污水由提升泵提升到细滤网以进行进一步过滤。通过混合，在涡流沉砂池沉淀分离，沉重的固体可以解决的底部和小杂质从污水中分离，卸下漂浮物料。剩余液体分布于不同氧化沟。很多转盘曝气机和潜水叶轮安装在氧化沟推氧、推流。好氧生物处理后，污水流入二沉池。通过沉淀，污泥从污水中分离出来。氯化后，上清液流入接触槽。污泥水流入污泥泵站进一步沉淀。相对较清澈的污水流入污水管，并再次处理。泥浆输送至污泥浓缩脱水站。最后，污泥被过滤成固体污泥运出。
图1.污水处理工艺流程图
3控制方案设计
污水处理工艺复杂，生产连续，参数测试困难。根据工艺特点和就近采集、单元控制原理，采用计算机和plc构成集散控制系统（DCS），其中中央控制站四个，就地控制站1个。通信网络采用工业环拓扑以太网。通信介质选用光纤，具有抗干扰能力强、带宽宽的特点。控制系统结构如图2所示。
图2.控制系统结构
中央控制站配备两台工业控制计算机，一台打印机和一台投影仪。计算机用于监测污水处理过程和设备状态。它还可以控制设备的操作和调整参数。两台监控计算机都是热备份。根据就近采集和单元控制原理，PLC站分为四个控制区。PLC1负责控制粗筛和细筛，提升泵站，涡街流量的工艺设备等。PLC2负责氧化沟中的设备。PLC3负责污泥泵站的控制。PLC3负责控制浓缩脱水站和加氯系统。
1)控制装置构成 。根据A20污水处理的工艺流程 、自控设计蓝 图、设备I／O点数布置 ，PLC系统分六个控制站及两个远程I／0站。六个控制站为配电房控制室PLCI #站，风机房控制室PLC2~d i ，A20生化池2一l J 2 ~ 程I／O站，二沉池2一远程I／O站，与设备配套的脱水机房加药系统PLCI 作站、两个脱水机PLCI_作站及紫外线消毒PLC32作站。自控系统主要 由各检测仪表、各PLC控制站和中控室上位监控计算机操作站组成，现场控制站和上位机通过光纤以太网相连，与设备配套的PLC控制站采用 MODUBUS通讯方式与PLc2撑通讯 ，并由PLC2 控制站将加药系统，脱水机系统 ，紫外线消毒系统等三个PLC站的控制设备 的运行状态及数据传送到上位计算机。自动检测装置包括变频器、进出水流量计、风管风量计、pH仪、溶解氧仪 (DO)、化学需氧量仪 (COD)、污泥浓度仪 (ss)及超声波液 位计和液位差计等八类 自动检测仪表，除各流量计的累计流量输出信号为脉冲，其余仪表测量数据的输出信号均为模拟量4～2 0mA。
2)设备构成。受控设备包括进水提升泵，粗、细格栅、吸砂行车，砂水分离器、搅拌器、推流器、刮吸泥机、电动闸门，罗茨风机 、脱水机等4o多台设备，除进水提升泵，曝气罗茨风机输出状态为开关量 及模拟量 (控制频率 )，其余设备 的输 出状态信号 为开关量。脱水间自动加药系统、脱水机系统、紫外线消毒系统、恒压供水系统在上位计算 机只能监视其状态，控制操作需在现场PLC控制站中的触摸屏上进行，其余设备可在计算机进行控制 。
4 PLC控制站的设计
本地控制站中的PLC使用罗克韦尔公司生产的AB SLC 500系列PLC， CPU模块采用SLC5 / 05。它具有内置的以太网通信接口，可以直接访问以太网并成为网络通信节点。 用户可以在带有以太网卡的个人计算机上使用RSLinx和RSLogix500软件修改程序和文档。 PLC站由电源模块，CPU模块，数字量输入模块，数字量输出模块，模拟量输入模块和模拟量输出模块组成。 通过输入输出模块，PLC完成数据采集和设备控制。各站的硬件配置相似，只是数量不同。以PLC1预处理站为例，硬件配置如表1所示。控制系统结构图如图3所示。
表一.预处理站的硬件配置
图3.控制系统结构图
5软件设计
控制系统软件分为组态软件和plc控制软件。
- 组态软件设计
监控组态软件在中央控制站是由ifix7.0世界最领先的HMI/SCADA自动化监控组态软件的设计。iFIX提供一个真正的为系统提供最大的可扩展性的客户/服务器体系分布式结构。iFIX分布式客户/服务器体系结构包括一个服务器，可以灵活地构建（SCADA服务器）和客户端。iFIX组态软件具有广泛的功能，如过程可视化监控控制、实时历史趋势、数据采集、数据管理、综合报表、报警和报警管理、在线配置等，根据系统的工艺要求，监控软件包括污水处理过程中，实时历史趋势图、报警、报表、历史数据采集、设置和设备维修的图片参数。污水预处理过程的监测图如图4所示。通过菜单和鼠标，操作人员可以访问所有进程图片，显示设备当前状态，完成数据记录、存储和报警，并打印各种生产报表和曲线。操作人员还可以根据现场情况调整参数，远程控制设备的运行。
图4.污水预处理过程监控图
B. plc控制站软件设计
现场设备有现场手动方式、自动方式和遥控方式三种控制方式。在设备调试或维护中通常采用现场手动方式，系统主要采用遥控方式或自动方式运行。在自动方式下，泵、阀、马达等设备的运行由PLC程序控制。PLC采集污水处理工艺参数和设备运行状态，通过以太网与上位机通信。现场手动模式：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。
遥控模式：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，操作人员通过操作面板或中控系统操作站的监控画面用鼠标器或键盘选择“遥控”方式并对设备进行启/停、开/关操作。
自动模式：现场控制箱或
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