S7-300PLC应用于水处理行业

    浙江永泰纸业集团近年来把循环经济理念引人造纸产，同时，把转变经济增长方式，走新型工业化道路作为企业发展的方向，投5578万元，采用A/O生化处理工艺，建设日处理4.5万t的春江污水回用工程，2003年12月工程竣工验收。通过二级处理后，废水排放水质大大低于国家排放标准。在此基础上，该公司大力开展节能节水活动，废水回用率达到71％，每天减少废水排放量2.2万t。污水处理后的污泥综合利用再造纸，消除了污泥带来的二次污染。

    富阳春江污水回用处理工程的设计遵循“集中管理、分散控制、数据共享”的原则，设计选型先进，安全可靠，价格合理，所选的仪器仪表、可编程序控制器（PLC）、计算机、通信设备等保证能长期、稳定、高效地运行，实现在中央控制室集中控制的运行要求。监控通信系统平均无故障运行时间（MTBF）大于20000 h。

    系统介绍

    水源为生活污水，先经进水泵房前的粗格栅井，除去进厂污水中的大颗粒的杂质，以保护进水潜污泵的正常运行。进水泵房潜污泵将污水提升至多尔沉砂池，除去水中的细小砂粒。最终二级生物处理出水达到国家污水排放I级标准，其中还经过滤池的深度处理。本工程为污水回用项目，回用不仅仅是处理后的污水，尤为重要的还有处理后的污泥。经过二级生物处理产生的剩余活性污泥，用作原材料的价值不高，由带式压滤机脱水后外运处理，最终与城市垃圾一并卫生填埋。污水回用处理工艺流程图如图1所示。

    控制系统构成

    富阳春江污水回用处理工程自控系统主要由中央计算机监控系统、PLC现场控制系统及防雷系统等所组成。

    中央计算机监控系统由设在监控中心内的监控计算机、模拟屏、打印机及UPS等组成。

    系统软件使用基于客户机/服务器结构的开放的For WindowsNT系统软件。系统中的硬件和软件都具有充分的可扩展及升级能力。管理软件采用Intellution公司的iFIX组态软件，它具有友好的图形用户界面，系统的配置组态、实时采样、控制点组态、控制过程组态、流程显示、操作画面组态、生产记录、统计报表组态等均为模块化设计。系统实时数据库符合工业数据库的发展方向，实现了真正的开放互连及分布式的数据库管理。管理计算机和操作员计算机之间通过以太网实现数据交换，通信速率为10/100 Mbit/s自适应。

    （1）计算机控制

    中控室计算机控制为远程遥控方式。监控计算机能采集、处理整个污水回用处理过程的数据，在显示器上动态显示设备运行状况、工作状况及各类参数的实况，根据这些参数自动起／停相关设备。一旦发生故障报警，计算机就会自动显示报警点，发出语音报警。

    （2）自动控制

    设备通常处于自动控制方式下，现场数据（如液位、流量、压力、pH等）经分析处理，不需要人工干预，自动地起／停相应的设备，使设备按预定的工艺流程进行生产。

    （3）人工手动控制

    通常在设备处于检修、手动工况时采用人工控制。此时，操作人员可通过现场控制箱/柜上的按钮起／停相应的设备。

    人工手动控制优先级最高，计算机远程控制次之，自动控制的优先级最低。

    （4）PLC现场控制系统

    富阳春江污水回用处理工程共由4个PLC站组成，现以1＃PLC站为例，其构成图如图2所示。

    根据现场设备的分布情况，由工业以太网线连接各站，这样就将整个污水厂的控制系统构成一个有机的整体。通信系统构成示意图如图3所示。

     （5）防雷系统

    由于本工程中采用了大量的现代电子监控设备，因而一旦遭受雷击，必将造成不可估量的损失。为了保证各系统的正常运行，保障有关人员的人身安全，建立完善的，符合国家标准的接地及防雷保护系统非常必要。系统防雷由电源防雷器、信号防雷器、网络防雷器等防雷装置组成。

    防雷设计分为以下4种：①电源防雷：电源进线安装避雷器（III级避雷器）。②通信线路防雷：在通信网络进出口安装网络防雷器。③仪表信号防雷：对于户外仪表的信号回路安装信号防雷器。④天馈线防雷：对于无线通信系统安装天馈线防雷器。电源一、二级防雷保护级间距离小于规定值时原理如图4所示。

    污水回用处理PLC现场控制系统负责污水一级处理、污水二级处理、污水深度处理及污泥处理的自动控制任务。主要由PLC控制器、性能可靠的现场仪表及控制设备组成。

    现场控制系统由4套PLC现场控制站组成。

    1）1#现场控制站进水泵房及沉砂池。

    2）2#现场控制站氧化沟、鼓风机房、污泥浓缩池、储泥池、污泥脱水机房、配电间。

    3）3#现场控制站回流及剩余污泥泵房、二沉池、出水泵房。

    4）4#现场控制站滤池、清水池、加氯及加药。

    PLC控制器作为现场控制站，担负着整个污水回用处理的自动控制任务。污水回用处理自动控制系统是通过PLC控制器来实现的，PLC控制器通过采集现场仪表的生产实时数据和控制设备的状态信息，根据污水回用处理的工艺要求，实现污水处理的过程控制、顺序控制、连锁控制、设备的开机、停机等各种控制。同时PLC控制器通过现场仪表采集水位、pH值、悬浮物浓度、压力、流量、溶解氧等生产实时数据，主站PLC控制器对采集的数据进行分析，当超过设定报警值时，发出报警信号，提醒操作人员注意。PLC控制器根据现场工艺的要求，自动控制现场设备的运行，完成污水厂的自动控制。现场控制站的PLC控制器通过工业实时以太网与上位机交换数据，接收上位机的控制命令，实现远程控制。

    主要设备控制情况及控制方式如下。

    1．格栅控制

    格栅机具有4种控制方式：水位差自动控制、时间控制、遥控、手动控制。

    当格栅处于自动运行方式时，具有3种运行方式：

    第一种是定时起动，格栅根据设定的时间间隔，自动地起／停格栅机。

    第二种是根据液位差值进行，液位差通过超声波液位差计测量，当格栅的前后液位差达到或超过设定的允许值时，自动开起格栅机，清理污物。

    第三种是遥控运行方式，操作员在监控中心的计算机上通过键盘或鼠标，对显示画面上的对应按钮点击来实现格栅机的开、停控制。

    在实际使用过程中，定时进行方式和液位差值进行方式同时进行，当液位差大于等于设定值时起动格栅机。当液位差在某一设定的时间内（如2 h）,一直未达到设定值时，PLC监控系统将会自动起动格栅机，以确保格栅不被污物缠绕和避免格栅前后的液位仪故障引起的污水堵塞等不良现象。

    同时PLC控制器采集格栅机的运行/停止、故障/正常等工况信号，对格栅机进行监控。

    为了使设备具有最佳运行工况，格栅前后的液位差值、定时起动格栅机的时间间隔和运行时间这3个参数均可以通过中控室的监控计算机组态来修改。

    螺旋输送压榨机以自动运行方式运行时，与格栅机联动运行，当格栅机起动时，先起动压榨机和螺旋输送机，经一定时间的延时，再起动格栅机。当格栅机停止运行时，正好相反，先停格栅机，经一定时间的延时，再停螺旋输送机和压榨机。同时PLC控制器采集螺旋输送压榨机的运行／停止、故障／正常等工况信号，对螺旋输送压榨机进行监控。

    为了使设备具有最佳运行工况，延时时间可以通过中控室的监控计算机组态来修改。

    2.水泵／阀门的控制

    潜水泵的运行操作应遵循以下几项原则：

    （1）保证来水量与抽水量一致，即来多少抽多少。如果来水量大于抽水量，又没有采取溢流措施，则可能掩没格栅间；反之，如果来水量小于抽水量，则可能使水泵处于干运转状态，损坏设备。

    （2）保持集水池高水位运行，这样可降低扬程，在保证抽水量的前提下降低能耗。

    （3）水泵的开停次数不过于频繁，否则易损坏电动机并降低电动机使用寿命。

    （4）泵组内每台水泵的投运时间及次数基本均匀。因为每台泵的吸水口都对应着集水池内的一部分容积，如果某台泵长时间不投运，集水池内对应的部分将成为死区，泥沙将沉积。

    （5）能及时监视判断故障，并及时采取保护措施。

    （6）在泵池设超声波液位计，根据液位计测得的泵房水位值自动控制多台水泵的起停运行．当液位达到HI时（如1.00m），开起一台潜水泵，当液位继续上升到某一值（如1.20 m）且△L大于某一值时，增加一台潜水泵、依次类推，直到全部开起潜水泵，当液位达到报警水位H时，应开起全部潜水系并报警。当液泣由高下降到某一值，且下降率△L满足一定的要求时，对潜水泵进行依次减泵。当液位下降至L1时（如0.70 m），停止所有潜水泵。当出现潜水泵故障时，应马上停止该泵运行，起用备用潜水泵运行并报警。

    水泵调度原则为：尽量减少起动次数，确保水泵运行台时相同。

    系统累积各个水泵的运行时间，自动轮换水泵，保证各水泵累积运行时间基本相等，使其保持最佳运行状态。当运转保护水位开关动作时，所有的污水泵停止运行。阀门与水泵的联动运行。

    为了使设备具有最佳运行工况，水位值可以通过中控室的监控计算机组态来修改。

    3.滤池的控制

    在过滤过程中，经过混凝、沉淀澄清后的水经进气动闸板阀进入滤池，通过滤料层的吸附、机械筛滤、接触凝聚，达到截留水中细微悬浮物和细菌的目的，滤后水经管路进入清水池。

    清水阀是气动调节阀，滤池正常过撼时，PLC根据检测到的滤池水位或水头损失，输出4～20 mA信号，对清水阀开度进行PID调节，保证滤池恒水位、恒滤速过滤。

    每个滤池分别按1.65m（可调节）恒水位控制的目标进行出水阀控制。出水阀为气动调节阀，有阀位值控制信号，故采取软件PID调节方式。具体参数如下：给定值1.65（可调），反馈值为滤池当前水位。

    在实际控制中，考虑到气动出水阀动作有一定的机械死区，程序对太短的开、关时间暂时给予存储。为防止出水阀过于频繁的调节，对水位偏差小于±0.05 m（或±0.10m）且水位变化率很小时不进行调节。

    随着过滤的继续，滤料层将因过滤而逐渐堵塞，过滤效果降低。为了保证滤后水的水质及过滤出水量，滤池将进入反冲洗过程，通过气冲、气水反冲、水冲去除滤料层中的杂质，实现滤池的再生。反冲洗的目的是使沉积在滤料颗粒上的悬浮固体脱落并清除掉，使滤料保持清洁。

    根据工艺要求进行气冲洗、气水反冲洗、水冲洗的顺序控制。反冲洗空气由鼓风机提供，反冲洗水由反冲洗水泵提供，气动元件的动力由空压机提供，滤池的操作有中央PLC和各子站PLC自动控制完成，并且有手动／自动操作功能。反冲洗用反冲洗水经排水渠排向回收池。压缩空气处于保压待用状态，反冲洗水泵和鼓风机将按要求实现开起和停止。为了使冲洗过程具有最佳效果，气冲、气水混合冲、水冲时间参数在计算机里可以进行人工整定。

    4.加矾系统控制

    加矾系统主要是将化学药剂投入原水中，经充分混合与反应后，使水中悬浮态和胶态的细小颗粒凝聚或凝成大的可沉絮体，再通过沉淀去除的工艺流程，使水的浊度大大降低，并能有效地去除一些病原菌和病毒，对重金属离子、色度等均能不同程度的去除。

    水的混凝处理是常规给水处理系统中最常用的一种工艺，目前常用的混凝剂为Al2（SO4）3、FeCl3、PFS（聚合硫酸铁）、PAC（聚合铝）。在一定的pH值的条件下，混凝作用通过电性中和、吸附架桥（混凝剂用量低时）或吸附架桥、网捕沉淀（混凝剂用量高时）实现。

    固态矾溶解根据操作员指令，自动进水，同时当溶液池水位高度达到设定值时，关闭进水阀门，起动空压机搅拌矾液，进而提升至溶液池进行稀释。

    当1#配液池的矾液到达低限时，PLC发出“2#池搅拌”工况指令，打开2#池搅拌机，开始2#池搅拌。当1#池超声波液位计检测到矾液低低限时，由PLC发出“2#池出液”指令，打开2#池出液电动球阀，同时关闭1#池出液电动球阀。待延时2 min后，PLC发出“1#池空池”指令，打开1#池进液电动阀后，打开储液池提升泵电动球阀和开起提升泵，加至设定液位后，PLC发出“矾液到位”关闭进液阀、提升泵及其出口电动阀，并打开进水电动球阀对矾液进行稀释溶解，液位到设定值后，关闭1#池进水电动球阀，打开1#池电动搅拌机，搅拌10 min（可调整）后，关闭1#池搅拌机。当2#池用完后，重复上述过程。加矾过程根据原水流量、浊度、pH值对计量泵频率进行粗调，再依据出水浊度反馈实现微调。

    智能投加软件包利用PLC的高速运算能力，储存记忆功能，逻辑判断和定时等功能，实现智能采样调节控制。它克服了经典PID调节的很多弊病，同时也改善了滞后时间长带来的调节困难，大大提高自动加矾控制的品质因素，即达到跟得快，调得准，调得稳的效果。

    5.加氯系统控制

    加氮系统的主要目的是消灭细菌、病毒及其他微生物，通过将氯气投人水中，产生以下反应

    次氯酸根离子为离子型化合物，其本身的负电荷与细菌表面的负电荷发生排斥作用，而次氯酸为分子型化合物，又称自由性余氯，与带负电荷的细菌不会发生上述的排斥作用，可迅速地扩散进入内部，破坏其生物酶系统，致使其死亡，因此次氯酸为主要的杀菌成分。影响次氯酸的因素主要有pH值、温度等，如在特定的反应条件下，次氯酸又会生成氯气从水中飘逸出来。

    气源切换系统属于压力切换方式，根据氯气压力实现两组气源（氯瓶）的自动切换，切换压力值的设定可在中控室或现场调整。为保证不间断投氯，保持余氯值稳定，氯气气源采用一用一备方式，气源切换控制器根据在线气源压力最低值（可设定）自动切换至备用气源。为防止氯气瓶中杂质堵塞氯气通道，在切换系统管路中设置氯气过滤器。

    真空调节器是加氯系统的重要组成部分，其两侧分别为大气和真空，之间装有一止回阀膜。正常工作时，膜两边的压力差将止回阀打开，从减压阀出来的具有稳定压力的氯气便进入到真空调节器中，同时实现正压到负压的转换。

    加氯机由转子流量计、真空压力表、调节阀、复合环控制器组成。从流量计中的转子位置可得到每1h及每天的加氯量，从调节阀的开度可得出氯气的过流量。

    水射器提供加氯系统所需的真空，为防止水的倒流，内置双级止回阀，氯气与压力水在其中产生氯水混合物，通过扩散管进入加氯点。

    余氯分析仪主要检测滤后水加氯的余氯值及出厂水的余氯值。

    漏氯报警装置可设多个探头，每个探头上分设多级报警，当漏氯报警仪检测到空气中的含氯量大于1x10-4 时，现场控制台上可指示这些报警，同时报警信号会采集到PLC上，最终反映到监控计算机上，PLC自动打开风机排风，或开起氯吸收装置。