解析在给水和污水处理过程的控制系统

　　系统应用实例

　　自动控制系统是具有一定功能，可以完成某种控制任务的系统。自动控制系统的组成和工作原理与人体的构成和工作机理有很多相似之处：自动控制系统中有相当于人的感觉器官的传感器，有相当于人的大脑和神经系统的控制装置，也有相当于人的手、腿及其肌肉的执行机构。传感器用于检测指令信息、外界变 化信息以及被控对象的状态信息，并将其变换成电信号传给控制装置。控制装置则计算出被控对象的当前状态（称为被控量，或系统的输出量）与所希望的状态（称为输入信号）之差，并根据这一偏差（称为误差信号）按一定规律产生出控制信号，然后经过放大，送给操作执行机构。操作执行机构用于驱动被控对象运动，直到它的状态达到所希望的状态为止。这种把系统的输出或系统的另外一些受控变量和系统的输入作比较后，形成的控制称为闭环控制或反馈控制。

　　根据厂区总体布局和工艺流程的特点，自控系统采用集中管理，分散控制（SCADA）系统，整个自动控制系统由计算机（又称上位机）系统、可编程控制器（PLC）系统、检测仪表、控制网络系统组成。该SCADA系统污水处理全过程进行实时监控和调度管理。SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统，即数据采集与监视控制系统。SCADA系统的应用领域很广，它可以应用于、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统。SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。

　　由于各个应用领域对SCADA的要求不同，所以不同应用领域的SCADA系统发展也不完全相同。

　　一、计算机（上位机）系统功能及构成

　　1.1上位机系统的放置：上位机系统放置在污水净化中心综合办公楼控制室内。

　　1.2上位机系统的组成：由计算机，UPS电源，报表打印机，报警打印机等组成。

　　1.3上位机系统的功能：负责全厂生产过程监视控制与数据采集。

　　1.4上位机系统的控制软件

　  1.4.1 系统简介

　　IGSS（交互图形管理系统）是一种开放式的，建立在PC基础上的交互配置系统，主要用于在 WINTEL微机上的工业运行。Wintel即Wintel架构。字面上是指由Microsoft Windows操作系统与Intel CPU所组成的个人计算机。实际上是指Microsoft（微软）与Intel（英特尔）的商业联盟，该联盟意图并成功地取代了IBM公司在个人计算机市场上的主导地位，所以也称为Wintel联盟。Wintel联盟垄断桌面端长达20多年。依靠英特尔的摩尔定律和微软Windows系统的升级换代，双方通过共同辖制下游PC生产商而不断攫取巨额暴利。但因为平板电脑和移动设备的兴起，微软宣布下一代Windows操作系统将支持ARM处理器 。ARM处理器是英特尔的竞争对手，使得Wintel联盟已经出现裂痕。

　　IGSS设计的一个主要目标是创造一个简单而有效的系统，在建立新的管理系统和使用现存系统现代化上节省公司的时间和经费。用户友好性，公认的标准确以及开放的系统结构是IGSS发展的隅石。

　　用户使用IGSS只需点击敏感区域就能造出模拟图和图形，通过模拟图和图形可以监视不断变化的工艺运行参数。对于误差和故障来说，报警显示，报警窗口和报警存入是其重要功能。

　　它的累积记录系统能够从IGSS自动产生的内存文件中抽取数据为工艺运行提供参数。标准检索功能可向其他报表系统输出数据。此外，操作员可以通过定义清晰的开放式接口由C程序语言或专为IGSS研制开发的逻辑程序语言IGAL进入IGSS数据库。

　　1.4.2 应用范围

　　IGSS应用范围广泛。一种是为工艺工程师提供的用于绘图的图形功能；另一种是为操作员提供的接口，用于管理和控制工厂的运行；第三种是逻辑程序编制；还有一系列报表系统，其中一种是方法处理和报表，另一种是处理人工采集的报表数据的数据端脚本；可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。

　　所有应用功能都可作为一个整体运行，在这个整体中操作保持不变；同时，各种应用功能结合起来使用使IGSS适用于任何形式的工厂，而完整性则体现在所有应用功能都在同一个数据库中工作。

　  1.4.3 系统功能

　　——数据采集；

　　——监视，控制和报警处理；

　　——（日，周，月，季，年）报表；

　　——人工报表和数据编辑；

　　——参数报表；

　　——报警报表；

　　——报警分析和统计；

　　——报警呼叫并通过电话机兼打印机通知；

　　——能量报警；

　　——数据分析和数据提取程序；

　　——方法处理；

　　——调整功能；

　　——输入和输出配置说明。

　　——另外在中心控制室设置有一面0.55m＊3.0m的模拟屏。模拟屏有以下功能。

　　A、设备控制，可以在中控进行人工干预设备的运行状态；

　　B、设备状态，显示设备的运行，停止，故障状态；

　　C、流量记录，流时计数器可显示当前进水流量，累计进水量，日累计时水量，累计出水量，当前出水流量以及两台带式压滤机进泥的当前流量和累计进泥量；

　　D、液位及溶解氧显示，可以观察当前氧化沟液位及溶解氧的值；

　　E、 记录仪，记录了进出水流量，进泥流量及溶解氧曲线。

　　二、可编程控制器（PLC）系统功能及构成

　　该PLC系统设有三套PLC控制站。它们分别放置在格栅间（CP06），中心控制室（CCP），污泥脱水间（CP27）。三套PLC均采用德国西门子（SIEMENS）公司的S%-115U PLC。放置在格栅间的PLC控制站（CP06）负责控制格栅间，曝气沉砂池，鼓风机，计量槽等构筑物内的设备，并对进厂水流量进行计量；放置在中心控制室的PLC控制站（CCP）负责控制厌氧池，氧化沟，终沉池，回流污泥泵房等构筑物内的设备，并对氧化沟内溶解氧及出水调节堰水位，回流污泥泵房液位开关进行检测计量；放置在污泥脱水车间的PLC控制站（CP27）负责控制污泥浓缩池，污泥均质池，污泥脱水机房等构筑物内的设备，并对均质池内液位，污泥投配量进行检测计量。PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。

　　2.1 PLC系统的组成

　　每套PLC都由下列基本模块组成：安装机架，电源模块，处理器模块，离散量输入模块，离散量输出模块，模拟量输入模块，模拟量输出模块，通讯模块，接口模块，前连接器，操作员面板，光纤收发器等构成。CP06，CP27，CCP配置图。光纤收发器，是一种将短距离的双绞线电信号和长距离的光信号进行互换的以太网传输媒体转换单元，在很多地方也被称之为光电转换器（Fiber Converter）。产品一般应用在以太网电缆无法覆盖、必须使用光纤来延长传输距离的实际网络环境中，且通常定位于宽带城域网的接入层应用；同时在帮助把光纤一公里线路连接到城域网和更外层的网络上也发挥了巨大的作用。

　　2.2 各主要模块功能

　　2.2.1电源模板（PS）把外部电源转换成内部工作电压，24V锂电池用于断电情况下保存程序存储器和内部标志。可设置下列开关及工作指示。

　　a、电压选择开关（VOLTAGE SELECTOR）

　　设置AC模板电源电压在115VAC或230VAC，PS951还可用24VDC电源工作。

　　b、接通/关断开关（INT DC POWER）

　　接通或关断工作电压。

　　c、复位开关（RESET）

　　应答电池故障出现。

　　d、外部3.4……9VDC插口（EXT BATT34V）

　　电源关断时更换电池的后备电源。

　　e、电池故障指示器（BATT LOW）

　　指示无电池，电池安装不正确或电池电压低于2.8V。

　　f、工作电压显示

　　2.2.2中央处理单元（CPU CPU943B）读入信号状态，处理控制程序及控制输出，提供内部寄存器，计时器和计数器。运行方式选择及工作指示如下。

　　a、方式选择器（RN/ST）

　　CPU运行方式选择

　　RN——运行

　　ST——停止

　　b、复位设置开关（NR/RE/OR）

　　NR——无保持预置

　　RE——有保持预置

　　OR——总复位

　　c、工作方式LED

　　2.2.3 通讯处理模块（CP）用以实现人机以及机机之间的通讯，对机器功能或过程顺序的监视和控制。

　　2.2.4 输入/输出模块（I/O）

　　数字量输入模板适配数字信号。

　　数字量输出模板转换S5-115U内部信号电平成为数字信号电平。

　　模拟量输入模板转换模拟过程信号。如把传感器或热敏电阻来的信号，变为S5-115U数字化信号。

　　模拟量输出模板把S5-115U的数字值转换为模拟过程信号，如用于速度控制器。

　　2.2.5 接口模板（IM305）用于扩展模板的安装，S5-115U安装在一个或多个具有一定数量的安装支架上，安装电源模板，CPU和输入/输出模板的支架称为中央基板。

　　三、网络系统功能及构成

　　本控制系统网络为工业以太网。在CP06 PLC控制站，CP27 PLC控制站分别配有以太网通讯处理器模块和光纤收发器，在CCP控制站配有一个光纤交换机，在上位机内配有一个以太网网卡。通讯介质为光纤。以太网（Ethernet）指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。以太网与IEEE802·3系列标准相类似。

　　四、设备控制方式

　　设备控制方式有现场控制，电机控制中心控制，中控模拟屏控制，主控计算机控制及PLC控制，它们的控制级别由高向低排列顺序为主：现场操作，PLC控制，主控计算机控制。对于一个设备的操作，只有上级所有操作状态位于“自动”（AUTO）时此操作才能对设备进行控制。

　　五、设备维护

　　5.1 PLC日常维护

　　5.1.1更换锂电池。在电源程序故障指示器显示时，应及时更换电池，若在无电或PLC系统电源关断时更换应接入后备电源。

　  5.1.2断电处理。若预先知道停电的情况下，应先将所有设轩控制电源及溶解氧仪工作电源关闭，然后将PLC系统电源关闭；来电后应先将PLC系统电源打开，然后逐步开启设备控制电源及溶解氧仪工作电源。溶解氧仪是测量溶解在水溶液内的氧气的含量。氧气通过周围的空气、空气流动和光合作用溶解于水中。可用来测量用来对氧含量会影响反应速度、流程效率或环境的流程进行监控：溶解氧仪是测量溶解在水溶液内的氧气的含量。氧气通过周围的空气、空气流动和光合作用溶解于水中。通过呼吸和分解作用，溶解氧会在水中消耗，主要依靠空气和光合作用进行补充。水中氧的含量主要取决于温度。温水的氧浓度要低于冷水。但溶氧含量过高对动植物会有害。溶氧电极可以用来测量现场或实验室内被测样品水溶液内的溶氧含量。由于溶解氧是水的质量的主要指标之一，

　　5.1.3系统复位。系统断电后来电，执行冷启动。

　　若系统出现故障时应热启动，将复位设置开关置为（RE），将方式选取择器先设置为停止（ST）状态，然后再将方式选择器设置为运行（RN）状态。热启动之前，CPU将先执行冷启动。

　　5.1.4更换滤网。对于PLC的CPU降温风扇防尘滤网，应每月及时更换。

　　5.2.1遥控现场设备

　　进水是流量计数器复位。每日应定时抄表后将进水日流量计数器复位清零。

　　5.2.2特殊情况处理。若遇特殊情况，需进行人工干预时，应严格控以下步骤进行操作；

　　设备由一个状态切换至另一个状态时，应先切换至关闭（“0”）状态，等待5S再切换至目标状态。

　　注意：在手工打开出水堰板时，应开启5S，停止5S，徐徐间断开启，切忌完全打开，以减轻终沉池负荷。

　　六、参数调整

　　SET-05进水采样及移动桥参数

　　每1000M2给采样器发送一个信号

　　采一个样的延续时间/S 10

　　每天移动桥启动次数 10

　　移动桥停止后砂水分离器延迟时间/S 600

　　（砂水分离器）螺旋输送器工作时间/S 180

　　SET-14氧化沟参数

　　溶解氧值/（mg O2/L） 3

　　溶解氧值/（mg O2/L） 0.5

　　溶解氧长检测间隔时间/S 300

　　溶解氧短检测间隔时间/S 180

　　一组氧化沟的运行周期/min 240

　　阶段一的时间长度/min 80

　　从D阶段到DN阶段转换进开启转刷数 4

　　转刷淹没深度/cm 88

　　液位检测周期/S 30

　　出水堰门工作时间/S 3

　　一组沟之间阶段延迟时间/S 1210

　　SET-17污泥泵房参数

　　污泥回流比/% 60

　　（按回流比20%——100%）

　　每天回流量/（m3/h） 1000

　　每天回流量/（m3/h） 6300

　　（按100%回流比算出）

　　回流泵额定流量/（m3/h） 1500

　　每30min运行时间/S 1200

　　剩余泵每天运行时间/min 440

　　交替时间/min 20

　　SET-20出水流量计参数

　　每1000m3给采样器发送一个信号

　　采一个样的延续时间/S 10

　　七、数据分析

    7.1氧化沟设备

　　搅拌器工作时间（min）=24＊60/运行周期（min）＊阶段1的时间（min）

　　例如：运行周期为240min，阶段1的时间长度为80min，则搅拌器工作时间=24＊60/240＊80=180（min）=8（h）

　　搅拌器因为在D阶段也可能工作，故运行时间可能大于8H，但不会超出太多。

　　转刷工作时间=24H-搅拌器运行时间

　　例如：搅拌器运行时间为8H，则转刷工作时间性=24H-8H=16H

　　根据转刷的工作特点，每天工作时间小于等于工作时间。

　　7.2 污泥泵房设备

　　7.2.1回流污泥泵

　　日回流量（m3）=进水量（m3）＊回流比

　　如果日回流量大于设定的日回流量，则日回流量取日回流量。

　　单台回流泵运行时间（h）=回流量（m3）/[回流泵扬程（m3/h）＊台数]

　　例如：日进水量为150000m3，回流比为60%，回流泵扬程为1500m3/h，6台回流泵，日回流量为63000m3/h＊24.

　　日回流量（m3）=150000＊60%=90000（m3）

　　单台回流泵日运行时间（H）=90000/（1500＊6）=10（H）

　　每30min运行时间=600/（24/0.5）=12.5（min）=750（s）

　　7.2.2剩余污泥泵

　　单台剩余污泥泵日运行时间（H）=440（min）/60（min/h）=7.3（H）

　　440min是设定的参数。