摘要：本文詳細(xì)敘述了日本歐姆龍公司的CS1系列PLC在吉林省松原市江南污水處理廠的應(yīng)用
前 言
松原市江南污水處理廠是國(guó)家松花江環(huán)境保護(hù)目的的重點(diǎn)工程，該項(xiàng)目由日本政府貸款、設(shè)計(jì)日處理污水能力10萬噸。該項(xiàng)目在2006年建成并投入運(yùn)行。
該廠污水處理方案是使用SBR污水處理技術(shù)，相對(duì)來說該工藝對(duì)主要設(shè)備自動(dòng)控制的要求較高，所以本自動(dòng)控制系統(tǒng)使用了日本歐姆龍公司生產(chǎn)的CS1D PLC，（CPU熱后備的可編程控制器）并選用了該系列及世界同類產(chǎn)品控制層網(wǎng)絡(luò)通訊最可靠的通訊方案Controller Link光纖環(huán)網(wǎng)構(gòu)建了該廠污水處理方案的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
一：自控系統(tǒng)構(gòu)成
如圖（一）所示：松原市污水處理廠污水自動(dòng)控制系統(tǒng)由中央控制室監(jiān)控及各分站、子站監(jiān)控組成的兩級(jí)監(jiān)控部分和現(xiàn)場(chǎng)控制站（PLC1～PLC3）、控制子站（PLC4～PLC9）組成，控制子站的現(xiàn)場(chǎng)操作設(shè)備為10.4″觸摸屏。
本系統(tǒng)集自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集功能為一體，較好地完成了整個(gè)污水處理過程的自動(dòng)控制、工藝流程動(dòng)態(tài)顯示、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄和故障報(bào)警。
中央控制室配置的四個(gè)操作站（二級(jí)監(jiān)控部分）、各分站、子站操作站（一級(jí)監(jiān)控部分）、各現(xiàn)場(chǎng)控制站通過安裝在操作站和控制站內(nèi)的Controller Link通訊單元與工廠Controller Link冗余光纖環(huán)網(wǎng)建立可靠的工業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)通訊。
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除Controller Link通訊方案外系統(tǒng)還建立了：
1：遠(yuǎn)程中途提升泵站和中控室的無線通訊方案，在中控室即可實(shí)現(xiàn)6km外的中途提升泵站的生產(chǎn)監(jiān)控。
2：鼓風(fēng)機(jī)站PLC主站和鼓風(fēng)機(jī)監(jiān)控分站PLC的date link 數(shù)據(jù)映射用于建立PLC之間的數(shù)據(jù)通訊。
3：鼓風(fēng)機(jī)站PLC主站和第三方設(shè)備CAN總線數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的協(xié)議宏通訊（建立Modbus協(xié)議的通訊序列），實(shí)現(xiàn)中控室對(duì)變配電間高壓控制保護(hù)設(shè)備及工廠變電運(yùn)行的運(yùn)行監(jiān)控。
三：系統(tǒng)重要的監(jiān)控運(yùn)行目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)
SBR工藝是污水處理的新技術(shù)。近年來自動(dòng)控制技術(shù)、在線分析儀表的快速發(fā)展為污水生物曝氣處理的自動(dòng)化提供了可靠的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)采用以PLC為核心的工藝過程自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng),通過控制鼓風(fēng)機(jī)、水泵、電動(dòng)閥等設(shè)備對(duì)反應(yīng)段時(shí)間、曝氣時(shí)間、曝氣強(qiáng)度等工藝參數(shù)進(jìn)行控制，使水質(zhì)達(dá)到國(guó)家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。
SBR污水處理自動(dòng)控制過程特點(diǎn)是變量多 (如液位，水質(zhì)成份，溫度、壓力、流量)、任務(wù)多 (如污水輸送、風(fēng)量控制、反沖水量控制、水泵的啟停等)、設(shè)備多 (如格柵機(jī)、水泵、鼓風(fēng)機(jī)、閥門、污泥處理設(shè)備等)，而且是具有隨機(jī)性、時(shí)變性和耦合性的復(fù)雜控制系統(tǒng)，本問僅對(duì)其主要監(jiān)控任務(wù)作出簡(jiǎn)要敘述：
1：運(yùn)用歐姆龍公司CS1 PLC軟件的堆棧技術(shù)使粗格柵站和其他類似控制要求的14臺(tái)潛水泵的控制達(dá)到國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平：既用自動(dòng)控制去實(shí)現(xiàn)操作員根據(jù)操作規(guī)程要求作手動(dòng)操作時(shí)的正確操作，其自動(dòng)控制過程和操作員在現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)無誤操作的過程一致并且及時(shí)，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)對(duì)液位、設(shè)備狀況、設(shè)備運(yùn)行記錄等因素進(jìn)行綜合分析之后的智能自動(dòng)判斷并以此作出的隨動(dòng)的自動(dòng)控制決策。
控制效果大體可描述為：根據(jù)液位的高低決定啟動(dòng)泵的數(shù)量，增加啟動(dòng)泵的數(shù)量時(shí)要做到哪臺(tái)無故障的泵休息的時(shí)間長(zhǎng)就自動(dòng)啟動(dòng)哪臺(tái)泵，需要減少啟動(dòng)泵的數(shù)量時(shí)要做到哪臺(tái)泵運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)就自動(dòng)停哪臺(tái)泵，當(dāng)運(yùn)行的泵出現(xiàn)故障時(shí)將停止該泵的運(yùn)行，其他無故障的泵將根據(jù)前述原則自動(dòng)補(bǔ)足缺少的運(yùn)行泵數(shù)量，當(dāng)因故障原因停止的泵恢復(fù)正常時(shí)將自動(dòng)進(jìn)入準(zhǔn)備啟動(dòng)隊(duì)列。
該潛水泵控制方案在松原污水處理的各個(gè)環(huán)節(jié)得到了廣泛的使用使該監(jiān)控環(huán)節(jié)完全達(dá)到了可以取消現(xiàn)場(chǎng)一級(jí)監(jiān)控的運(yùn)行效果，極大的提高了設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量，保證了設(shè)備的連續(xù)長(zhǎng)周期正常運(yùn)行，提高了設(shè)備使用壽命，解決了工廠操作人員不足的問題。
2：SBR工藝的聯(lián)鎖和溶解氧濃度的反饋控制
控制方案主要依據(jù)生產(chǎn)工藝提供的控制要求；SBR工藝的控制大體可以分為三個(gè)方面的內(nèi)容：一是生物濃度控制，即根據(jù)在線測(cè)得的水質(zhì)參數(shù)與設(shè)定參數(shù)形成的閉環(huán)控制；二是反應(yīng)時(shí)間控制，即根據(jù)SBR工藝的各個(gè)階段所需要的時(shí)間進(jìn)行的自動(dòng)控制；三是流量程序控制，即根據(jù)污水流量的變化來調(diào)整各個(gè)階段所需時(shí)間的自動(dòng)控制。
生物濃度控制的基本原則是動(dòng)態(tài)的控制SBR工藝的反應(yīng)時(shí)間，使其中的有機(jī)物濃度（COD）達(dá)到允許的排放標(biāo)準(zhǔn)后就立即停止曝氣。目前，受檢測(cè)技術(shù)的影響，在線測(cè)定有機(jī)物濃度（COD）的實(shí)時(shí)性效果較差，基本不能實(shí)現(xiàn)反饋控制的實(shí)時(shí)性要求。
但是，在一定的SBR工藝條件下，反應(yīng)池中的COD濃度與SBR池中的溶解氧變化速率有著直接的關(guān)系。因此可以通過測(cè)定溶解氧的變化來監(jiān)測(cè)有機(jī)物濃度的變化，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程的反饋?zhàn)詣?dòng)控制。
SBR池溶解氧濃度的反饋控制控制方案是在SBR工藝的暴氣過程中，將溶解氧傳感器檢測(cè)到的SBR池溶解氧濃度信號(hào)和工藝工程師制定的暴氣階段SBR池溶解氧濃度的給定值作實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)比較，然后按比例、積分、微分（PID）的控制方案去控制空氣電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度既控制由鼓風(fēng)機(jī)給出的空氣流量，閉環(huán)的PID控制方案較好的保證了暴氣階段SBR池溶解氧濃度的要求，提高了工廠污水處理的能力和處理質(zhì)量。
與時(shí)間相關(guān)的控制程序是根據(jù)對(duì)SBR反應(yīng)池的五個(gè)運(yùn)行階段所需要的時(shí)間進(jìn)行的自動(dòng)控制。如SBR反應(yīng)池的進(jìn)水時(shí)間、攪拌時(shí)間、曝氣時(shí)間、 靜沉?xí)r間、潷水時(shí)間及等待時(shí)間都可由操作員在上位機(jī)給定。SBR反應(yīng)池的各段工藝過程的執(zhí)行時(shí)間均嚴(yán)格按規(guī)定的時(shí)間順序進(jìn)行，通過電氣操作臺(tái)上的手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)可以改變主要電器設(shè)備的操作狀態(tài)。
該廠污水處理過程大體可分為四套SBR的輪流進(jìn)水（含攪拌）、暴氣、靜沉、潷水等幾個(gè)過程，每套SBR工藝設(shè)備主要由鼓風(fēng)機(jī)、攪拌器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、潷水器等主要設(shè)備組成，其中潷水器為電動(dòng)機(jī)械受控設(shè)備，受多種原因影響其控制的可靠性顯得重要，而生物凈化過程中
3：本系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了中控室對(duì)工廠變配電設(shè)備的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控
本系統(tǒng)通過使用毆姆龍公司的串行通訊單元，利用協(xié)議宏的組態(tài)編程方法實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)了中控室計(jì)算機(jī)操作站通過Controller Link光纖環(huán)網(wǎng)對(duì)安裝在工廠變電間的CAN總線數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的遠(yuǎn)程通訊，實(shí)現(xiàn)了重要的工廠變配電數(shù)據(jù)（高壓控制保護(hù)器數(shù)據(jù)）的采集，其中包括模擬量（包括三相電流、電壓、各功率參數(shù)、工廠用電累計(jì)量等）、開關(guān)量（包括各種開關(guān)狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)）共計(jì)400點(diǎn)并在中心控制室操作站上通過操作畫面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、記錄、報(bào)警，其記錄報(bào)表可用于故障的事后分析，為工廠供電環(huán)節(jié)的安全管理提供了可靠保證。
四：現(xiàn)場(chǎng)控制站概述
現(xiàn)場(chǎng)控制站PLC是直接控制和監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過程的單元，本系統(tǒng)廠區(qū)共有9個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站，每個(gè)站設(shè)一臺(tái)可編程邏輯控制器，通過工業(yè)控制網(wǎng)（Controller Link）傳輸數(shù)據(jù)，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)站的監(jiān)測(cè)和控制可以在現(xiàn)場(chǎng)站進(jìn)行，也可以在中央控制室進(jìn)行。
現(xiàn)場(chǎng)控制站主要包括以下設(shè)備：
1：可編程序邏輯控制器（PLC）
2：可編程終端PT（觸摸屏）
3：現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)操作站
4.1提供的PLC設(shè)備有如下特點(diǎn)：
是日本OMRON公司的最新一代可編程序控制器-CS1系列
PLC設(shè)備采用雙機(jī)冗余熱備CPU
輸入輸出模塊均具備光電隔離性能
支持所有模塊的熱插拔
PLC產(chǎn)品還具有中文資料豐富、備品備件方便，技術(shù)服務(wù)及時(shí)、國(guó)內(nèi)有維修站等特點(diǎn)
4.2 CS1D（雙CPU CS1D-CPU65H） PLC主要技術(shù)指標(biāo)：
CPU技術(shù)指標(biāo)：
1、CS1D 系列CPU指標(biāo)：（CS1D-CPU65H）
˙高速RISC的CPU（32位）
˙平均無故障運(yùn)行時(shí)間(MTBF)：271,000 小時(shí)
˙雙CPU硬件熱備（2 CPU同時(shí)參與計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)保存，1個(gè)CPU控制，故障時(shí)平滑切換）
˙兩個(gè)CPU安裝在一個(gè)底板上
˙支持所有模塊的熱插拔
˙雙電源供電（包括擴(kuò)展機(jī)架），50/60Hz，170～264VAC
˙內(nèi)存容量： 程序存儲(chǔ)區(qū)： 600K步（約600KB）＋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)：128K字（256KB）˙最大IO物理槽位所占的硬點(diǎn)數(shù)： 5120點(diǎn)，不包括內(nèi)部繼電器位，可直接用于輸入輸出，每個(gè)槽位都是通用的。
˙CPU最大IO通道數(shù)（含內(nèi)部點(diǎn)）： 8000通道，折合點(diǎn)數(shù)為128,000點(diǎn)。
˙電源電壓范圍：85～132VAC或170～264VAC
˙基本指令處理速度：≤0.02?s
˙特殊指令處理速度：≤0.12?s
˙支持以任務(wù)為單位，可將程序進(jìn)行組合后完成編程。
˙用戶程序、I/O內(nèi)存或系統(tǒng)參數(shù)能夠以文件形式存放于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡或CPU內(nèi)存中，F(xiàn)lash Memory卡最大容量可達(dá)256MB
˙CPU帶RS-232C(可達(dá)115.2Kbps)端口，如配置串行通信單元SCU21，每套PLC上最多能提供34個(gè)（RS232/422/485）通信口，通信速率可達(dá)38.4KBPS，用于連接現(xiàn)場(chǎng)儀表、外圍通信設(shè)備和觸摸屏（PT）
˙對(duì)于每個(gè)串行通信口，具備自定義協(xié)議的通訊功能，能與非本公司產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，便于和第三方各種智能設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)智能儀表相連。
˙支持E_mail功能，能以事件觸發(fā)、定時(shí)觸發(fā)及故障觸發(fā)方式由PLC向上位機(jī)發(fā)送電子郵件
具有電源出錯(cuò)履歷、電源中斷時(shí)間壓棧、電源中斷計(jì)數(shù)等電源維護(hù)功能
˙支持以太網(wǎng)、控制網(wǎng)、設(shè)備總線網(wǎng)，并支持多網(wǎng)配置。
˙中斷功能：定時(shí)中斷，掉電中斷，I/O中斷，外部中斷
編程軟件采用最新的Windows版，采用結(jié)構(gòu)化、多任務(wù)、梯形圖、語句表編程方式，具有良好的在線編輯和在線幫助功能
五:結(jié)束語:
該廠自投產(chǎn)以來，以O(shè)MRON公司的CS1系列PLC為核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠長(zhǎng)周期可靠運(yùn)行，未發(fā)生過任何故障，特別應(yīng)提到的是Controller Link光纖環(huán)網(wǎng)的運(yùn)行故障記錄等于零，從未出現(xiàn)過如通訊超時(shí)，通訊報(bào)警等在一般工控局域網(wǎng)絡(luò)上常見的故障提示。
PLC系統(tǒng)的可靠運(yùn)行保證了如本文所述的控制方案順利實(shí)現(xiàn)，為污水處理廠的高效運(yùn)行奠定了良好的基礎(chǔ)。
（轉(zhuǎn)載）
