冗余PLC系统在文安污水处理厂中的应用

（北京和利时自动化驱动技术有限公司，100176）李强

（北京和利时自动化驱动技术有限公司，100176） 刘荣

1.    引言

随着城市化和工业化程度的不断提高以及农业中化肥的广泛使用，氮、磷等营养物质引起的水体富营养化的问题日益突出。要达到氮磷的排放标准，许多污水处理设施重点需要考虑脱氮除磷问题，根据廊坊市文安县周边的污水来源调查分析，各种企业中化工、塑料行业的污水排放量所占比重较高，污水中含有大量的氮磷物质，因此文安污水厂采用了最适于脱氮除磷处理的A²/O微生物处理工艺技术。全污水厂的主控系统选用了和利时公司自主研发的LK系列大型冗余PLC，自污水厂正式投产以来全厂的运行状态良好，出水水质完全符合国家标准，并达到设计要求。

2.    系统结构设计

2.1.        系统网络结构

与传统的工厂控制体系相比，和利时污水处理自动控制系统提供了简明的、高效的﹑开放的网络体系结构，将以前设备控制的五层通讯结构简化为三层：管理层﹑控制层和设备层。管理层网络采用Ethernet网络；控制层网络采用Profibus-DP网络；设备层可选择多种网络：串行总线、Ethernet、Profibus-DP等，设备层通讯网络用于实现现场设备（开关﹑仪表和人机界面等）与PLC之间的通信；控制层采用Profibus-DP网络，主要负责各个控制器与IO模块的通讯；上层的Ethernet网络实现PLC之间﹑PLC与上位机以及与第三方Ethernet设备的数据通信，整个通讯形成了具有优异通信功能的三层网络如图2-1所示：

2.2.        系统管理结构

和利时污水处理自动控制系统在简化的三层网络结构上建立了两层管理级：上位管理级和现场管理级结构。上位管理级由中央控制室操控站（CCR）和上层管理计算机组成；现场管理级由现场各分控站PLC、分布式I/O以及现场在线测量仪表组成。现场各种数据通过PLC及远程I/O采集，并通过光纤以太网络把数据传送到中央控制操作站进行集中监视和管理。

中央控制室操作员站的控制命令可通过光纤以太网络传送到现场PLC，实现对各单元的分散控制。管理层是系统的核心，完成对污水处理过程各部分的管理和控制，并实现厂级的办公自动化。还提供了系统人机交互界面并与厂管理层沟通，是整个系统与外界信息交换的窗口。管理层的各台计算机具有相互通信的功能，实现数据交换和共享，以及共享一些昂贵的硬件和软件资源。

2.3.        系统结构与配置

根据文安污水处理工艺的控制要求，污水处理工程自动化控制系统分为三级管理，包括生产管理级（中央控制室）、现场控制级（PLC控制站）及就地控制级。现场各种数据通过PLC系统进行采集，并通过主干通讯网络——工业以太网传送到中央控制室监控计算机集中监控和管理，传输介质为光纤，通讯速率为100Mbps。同样，中央控制室监控计算机的控制命令也通过上述网络通道传送到PLC，实施对各单元的分散控制。构建污水厂自动化控制系统拓扑结构与功能配置如图2-2所示：

2.3.1中央控制层（中央控制室）

中控室管理层是系统的核心，完成对污水处理过程各部分的管理和控制，并实现厂级的办公自动化。并提供系统人机交互界面，中控室主要的设备配备有两台操作站，报表打印机，图形打印机，UPS电源和以太网交换机。

两套监控操作站为冗余配备，其中一套做工程师站，一套做操作员站。工程师站侧重组态功能，操作员站侧重监控功能，故障时互为备用，具有灵活的运行方式，保证系统的可靠运行。操作站主要完成对污水处理厂的管理、调度、集中操作、监视、系统功能组态、控制参数在线修改和设置、记录、报表生成及打印、故障报警及打印，对实时采集的数据进行处理，控制操作以及分析统计等功能。实现全站的正常运行提供全面的监测、保护、信息及调控。UPS电源为中控室的供电安全提供保障，以太网交换机为系统扩展提供了网络接口。
2.3.2控制层

控制层是实现系统自动控制的关键，控制层的PLC通过程序控制整个污水处理厂设备按照工艺要求自动运转，并实现对现场设备运行状态的采集，现场参数如压力、流量、温度、PH值等数据采集，并上传至管理层。对现场设备状态以及参数的采集具有两种方式，一是通过硬接线的方式采集距离IO站比较近的标准信号的数据，一是通过串口Modbus通讯的方式采集智能仪表设备和其它成套设备的数据。硬接线与通讯相结合的方式考虑到布线的长度，采集数据的精度，设备控制的合理性等多种因素，既提高了控制系统的控制精度，又节约了成本。
2.3.2 设备层

在文安污水处理厂，为提高生产的稳定性、安全性和实时性，并使系统控制方便，全厂采用了集中管理分散控制的策略。全厂建立了两个主站和两个远程从站。两远程从站分别设在脱水机房和反应沉淀池内，脱水机房车间选用西门子公司的S7-200系列PLC，反应沉淀池选用AB厂家控制系统，主从站之间采用Modbus协议通讯，通讯距离为120米。通过通讯进行数据传输方式即减少了外部接线长度，又提高了数据传输的稳定性。两个主站采用和利时LK系列大型PLC，双机热备冗余配置，支持电源冗余、CPU冗余、以太网冗余、总线冗余。在两个主站设有触摸屏，可以实现在现场对主站以及从站设备的控制。

2.4.        系统控制模式

文安县污水处理控制系统采用控制室集中监控方式，中央集中监控系统安装于综合办公楼内，用于实现全站的集中控制和管理。监控管理计算机通过工业控制网络与PLC控制系统等现场级电控设备及仪表进行数据通讯。全厂的污水流量、酸度、浊度、余氯、溶解氧等参数及设备的运行状况通过PLC进行数据处理，同时与上位操作站工控机进行数据交换，上位机监控画面上即可显示整个水厂各主要工艺工段的设备运行状态及水质状况，操作人员根据这些状态参数，了解污水的处理状况。控制系统设计为就地手动控制、远程手动控制、远程自动控制三种控制方式。三种方式的级别由高到低依次为就地手动、远程手动、远程自动。

2.4.1 就地手动模式

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。设备的急停按钮或其他保护和安全连锁装置(如:过载保护、温度及液位保护等)全部是硬线连接至电气控制回路，不受方式选择开关的限制。现场控制箱（柜）开关在“手动”位置时，设备为离线方式，PLC不能对设备进行任何控制，就地手动模式运行方式是设备控制层的最高优先级。

2.4.2 远程手动模式

设备的现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式时，操作员可以在远程对单个设备实现远程启/停等控制。操作人员通过操作终端（HMI）或中控系统操作站的监控画面用鼠标器或键盘选择“手动”方式并对设备进行启/停、开/关操作。

2.4.3 远程自动模式

远程自动模式是在没有人直接参与的情况下，利用PLC的逻辑控制程序或者外部一些触发条件，系统自动控制设备或装置。如果设备发生故障无法正常启动运行，在上位监控画面内会发出报警并实时记录出设备的详细报警情况，在文安污水厂内实现无人值守的控制主要表现在进水泵站，生物曝气池阶段，现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式，且上位管理监控系统上面的“自动/手动”设定为“自动”方式时，设备的运行完全由各PLC根据水质工况的要求自动完成对设备的运行或开/关控制，而不需要人工干预。

3.    系统程序设计

污水处理A²/O工艺全名是Anaerobic-Anoxic-Oxic，它是厌氧-缺氧-好氧生物脱氮除磷工艺的简称。在污水处理效率方面基本上能达到：污水浊度SS为90%~95%，总氮为70%以上，磷为90%左右。全污水厂设计的工段主要分为粗格栅、细格栅、泵站、A²/O曝气池、加药间、消毒池等工段，各个工段之间紧密配合，循环作业，其流程工艺如图3-1所示：

3.1       污水一级工艺处理

污水的一级工艺处理阶段主要由机械处理完成对污水的初级处理，它的处理工段包括粗格栅、污水提升泵房、细格栅、沉砂池、初沉池等构筑物，用来除去粗大颗粒和悬浮物，处理的原理为物理法固液分离，将污染物从污水中分离。对该阶段设备的控制可以用现场就地控制箱和上位管理层进行手动启/停控制，在PLC的自控程序里也进行了自动启/停控制方案，从而实现无人值守操作，提高了工作效率，改善了水处理效果。

PLC自动控制方案

对两台粗格栅机、细格栅机的自动控制，采用时间定周期自动控制和液位差自动控制两种方案，用户可以在上位监控上面自行选择。第一方案根据设定时间周期来控制格栅机，每个周期格栅机会自动的启动将格栅滤除的物理杂物排出。在上位监控机里面可以在线更改设备运行周期，这样可以减少人为精力去操作设备；第二方案根据格栅机的前后液位差自动启/停设备，首先在上位监控机上设定好液位差计的最大值参数，并设定好设备的运行时间参数，当现场仪表检测到的液位差值大于或者等于设定值时，格栅机自动启动。与细格栅相配合动作的还有螺旋压榨机，把细格栅清除的污物压挤打包。与粗格栅同步起动，但停止时间滞后于粗格栅一分钟，该控制方案目前在厂里是优先选择方案。

对提升泵站设备的自动控制方案首先需要设定好自控参数：泵站三个起泵液位参数，三个停泵液位参数值，在提升泵投入自动开始时，首先比较三台泵的累积运行时间大小，在液位满足起一台时候，自动启动累积运行时间最少的一台提升泵；在液位满足第二个起泵液位时，启动次累积运行时间少的提升泵；在液位满足第三个起泵液位时候，启动最后一个泵。在泵站的液位开始下降时候，依次停泵的顺序与起泵刚好相反，首先停止累积运行时间最长的提升泵，最后停止累积运行时间最短的提升泵。一级污水处理工艺流程图如图3-2所示：

3.2       污水二级工艺处理

污水二级工艺处理阶段就是生化处理，以去除不可沉悬浮物和溶解性可生物降解有机物为主要目的。生化污水处理是整个污水处理过程的核心，文安污水处理厂采用A²/O工艺，好氧生物池采用了活性污泥法。微生物利用废水中存在的有机污染物（以溶解状与胶体状的污染物为主）作为营养源进行好氧代谢。这些高能位的有机物质经过一系列的生化反应，逐级释放能量，最终以低能位的无机物质稳定下来，达到无害化的要求。最终降解产物包括无害的气体产物（CO2、、NH3、NH4）、液体产物（水）以及富含有机物的固体产物（微生物群体或称生物污泥）。其中，降解得到的生物污泥在沉淀池中经沉淀固液分离，从净化后的污水中除去。二级污水处理工艺流程图如图3-3所示：

PLC自动控制方案

在厌氧池，好氧池，曝气池的三个生物池里面的设备主要为推流器，搅拌器，曝气机设备。对该阶段设备的控制，在PLC的程序中设置了自动和手动模式。在PLC的自控程序之中，厌氧区和好氧区内的推流器设备采用周期性循环的启/停逻辑进行控制，以保证污水在厌氧处理阶段和好氧处理阶段有机物能够充分的降解，无机物更好沉淀下来。根据曝气池内的溶解氧分析仪表检测的氧含量浓度，决定是否开启曝气机设备以及开启曝气机的数量。二沉池内的刮泥机采用自动周期性运行的逻辑进行控制。回流污泥泵的启/停由曝气池内活性污泥含量来控制。对剩余污泥泵的控制采用周期性运行的控制方式，自动把二沉池内的污泥送往储泥池，同时与脱水机房处理污泥的速度连锁控制。

3.3       污泥处理工段

生化处理工段的污泥，先到污泥泵房，部分污泥回流至生物池处理工段，另一部分污泥（剩余污泥）用污泥泵快速输入到污泥浓缩池。污泥浓缩池浓缩一定时间后，上清液回流到污水提升泵房的集水池；浓缩后的污泥再回到另一个污泥调节池，用污泥泵提升到污泥脱水机房。污泥在脱水机房脱水后，制成泥饼外运。

PLC自动控制方案

脱水间加药池和剩余污泥池各设有一液位探头，当液位值低于设计标准时，脱水机停止。脱水机的控制主要以人工控制为主，操作人员在现场启停各个设备。剩余污泥泵站和贮泥池由程序实现自动控制：当贮泥池液位低于设定液位时,剩余污泥泵自动开启。当贮泥池液位高于设定液位时，剩余污泥泵自动停止运行，同时在中央控制室对液位超高限进行显示及报警。另外，当贮泥池水位计超过最低设定液位时，水泵亦由程序逻辑自动切断水泵控制信号，泵站停止工作。贮泥池安装超声波液位计，当液位低于设定液位值时，向脱水间PLC发出污泥泵停止运行信号。脱水机房工艺流程图如图3-4所示：

3.4       上位运行监控系统

上位监控画面作为全厂运行状况显示系统，直观动态显示全厂工艺流程段的实时工况、各工艺参数的趋势画面，使操作人员及时掌握全厂运行情况。同时把上位机方面的运行报警记录画面和历史曲线保留下来，为后期的数据分析提供了依据。整个文安县污水处理厂总体运行工艺流程图如图3-5所示：

4.    系统特点

水处理行业是和利时公司自动化产品推广的重点行业，有不同规模、不同处理工艺的成功案例上百个。和利时的LK系列PLC是一款中大型的PLC，具有适合污水处理厂众多优势。和利时的上位组态软件HollyView，针对净水和污水处理行业开发了专用的水行业版，能够大幅提高现场系统调试程序的效率和系统稳定性。

4.1       冗余的控制系统结构

由于文安污水处理厂自动化控制系统对安全性的要求比较高，本系统采用LK单机架冗余方案。采用单机架冗余方案中，每套PLC选用一个冗余的机架，两个支持冗余系统的LK210CPU，冗余背板有两个CPU插槽。两个CPU互为热备，当一个CPU出现故障，或与上位组态软件通讯故障时，系统切换到热备的CPU上，CPU切换的时间最短为50ms，保证控制系统的不中断。

除了CPU冗余，基于LK的冗余解决方案还包括了电源冗余、网络冗余以及总线冗余。控制系统为PLC系统提供了冗余的电源系统，一路由交流电源经直流开关电源后为PLC系统供电，一路由直流电源直接供电；控制系统支持网络冗余功能，每个CPU配置了双网卡，具有两个IP段地址，一个IP地址热备防止系统网络故障；同时，LK系统与IO模块的通讯标准配置为冗余的PROFIBUS-DP总线通讯，具体有两种冗余方式：一种配置LK231模块，其中一路正常运行，另一路热备；一种配置LK232总线重复器模块，两路总线同时收发数据，LK232从输入两路中选择一路信号稳定的进行向上或向下发送，实现信号的稳定传输。

基于LK的PLC控制系统，提供了从下到上的完善的冗余解决方案。

4.2       合理的通讯端口设置

在污水处理厂自动化控制系统中，常用的通讯方式包括：与上位及各站之间通过Ethernet通讯；与现场控制仪表及第三方PLC通过串口Modbus、Profibus-DP和自由口通讯。

LK系列PLC的CPU集成了1个Ethernet端口，能够支持Modbus Tcp和OPC、2个串口，支持Modbus RTU和自由口协议、以及一个冗余的Profibus-DP接口。而对于PLC控制系统通常配置的CANopen，DeviceNet，AS-i等端口没有集成到PLC，大大降低了PLC无效的系统消耗和内存消耗，提高了CPU的运行效率。如果需要以上的端口，还可以通过增加模块来实现通讯功能。

在污水处理厂智能仪表与第三方PLC设备的分布比较分散，LK的通讯扩展接口可以通过在主站以及从站任意槽位增加通讯接口模块实现。

和利时的上位组态软件HollyView具有LK的专有驱动，通讯和组态简单、方便易学。

4.3       专业程序模板

不同污水处理厂在相同的处理工艺的情况下，控制逻辑相似。基于这种特点，和利时针对不同规模、不同工艺的污水处理厂开发了专业的程序模板。

在下位具有进水泵、粗隔栅、细隔栅、初沉池、鼓风机、污泥脱水、加氯、加药等程序模块，使编程成为积木式的工作。现场调试的工程师只需将控制条件及控制内容输入到各模块的输入端即可。

针对污水处理及净水项目，和利时上位组态软件HollyView开发了水行业版。水行业版组态软件集成了污水处理及净水所需的常用组态画面，常用设备符号，常用控制块。画面组态工程师只需将常用设备控制块拖入到组态画面即可实现一个设备的组态，而不需每个工程都进行重新组态。常用的报警画面和趋势画面只需将定义的变量添加到报警变量和趋势变量即可完成对报警画面和趋势画面的组态。

和利时专业的下位程序模板和上位的水行业版组态软件大大提高了现场程序调试的效率，使业主不必担心由于自动化的调试影响工程工期。

4.4       强大的扩展能力

污水处理厂工程中有很大一部份是由于扩容及建设时间较长需要系统改造的情况，对PLC以及上位组态软件的扩展能力有很高的要求。

和利时所承担的污水处理厂中，考虑了系统的可扩展性：在下位，LK PLC可以通过OPC、Modbus与第三方厂家的上位组态软件实现通讯，向下可以通过Modbus Tcp、Modbus RTU、Profibus-DP等常用的标准通讯协议与第三方PLC和智能设备进行通讯。且LK PLC具有强大的IO点的可扩展能力。在上位，和利时的HollyView开发了西门子、施奈德、AB、欧姆龙等著名厂商PLC的驱动程序以及标准的Modbus驱动，使业主在系统改造的选型时不受品牌的限制。

5.    结束语

文安县污水处理厂选择了合理的工艺，优化的控制策略。自投产运营以来全厂的控制系统运行良好，处理水质达到排放标准，水厂的数据监控、设备控制无误。基于和利时LK冗余PLC自动化控制系统的应用，提高了全厂自动管理水平，实现了管理和控制的一体化，创造了可观的经济效益。