NA400 PLC工程實例分析——污水處理系統(tǒng)

一、 概述

1.1污水處理簡介

1、概況：相關(guān)資料顯示，美國平均每1萬人擁有1座污水處理廠，英國和德國則每7000~8000人就擁有1座污水處理廠，而中國每150萬人才擁有一座污水處理廠。所以在中國污水處理是迫切的，而污水處理的市場也呈現(xiàn)出一派蓬勃的景象。

2、常用的污水處理工藝：污水處理的方法主要有物理、化學(xué)、物理化學(xué)以及生物等幾種。這些方法根據(jù)實際情況，可以單一使用，也可以針對不同的污水混合使用。目前，污水處理的方法一般以生物處理方法為主輔以物理處理法和化學(xué)處理法。常用的工藝有以下幾種：

（1）傳統(tǒng)活性污泥法。最古老的污水處理工藝，關(guān)鍵組成部分為曝氣池與沉淀池。污水中的有機物在曝氣池停留的過程

圖1

中，曝氣池中的微生物吸附污水中的大部分有機物，并且在曝氣池中被氧化成無機物，然后在沉淀池中微生物絮體下沉，經(jīng)過一段時間后，就可以輸出清水，同時為了保持曝氣池中污泥的濃度，沉淀池中經(jīng)過沉淀后的一部分活性泥需要回流到曝氣池中。

該工藝的優(yōu)點有：有機物去除率高；污泥負(fù)荷高；池的容積小；耗電省，運行成本低。

該工藝的缺點有：普通曝氣法占地多，因而建設(shè)投資大；僅能滿足污水處理標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)指標(biāo)；容易產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象；磷和氮的去除率低。

（2）A/O法。在傳統(tǒng)活性污泥法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種污水處理工藝，其中A代表Anocix（缺氧的），O代表Oxic（好氧的）。A/O法是一種缺氧—好氧生物污水處理工藝。該工藝通過增加好氧池與缺氧池所形成的硝化—反硝化反應(yīng)系統(tǒng)，很好地處理了污水中的氮含量，具有明顯的脫氮效果。但是硝化—反硝化反應(yīng)系統(tǒng)需要得到很好的控制，這樣就對該工藝提出了更高的管理要求，這也形成了該工藝的一大缺點。

（3）氧化溝法。是活性污泥法的一種變形，屬于低負(fù)荷、延時曝氣活性污泥法。廢水和活性污泥的混合液在環(huán)狀的曝氣渠道中不斷地循環(huán)流動，因此又被稱為“循環(huán)曝氣池”。氧化溝法具有處理工藝及構(gòu)筑物簡單、無初沉淀池和污泥硝化池、有機物去除率較高、脫氮、除磷（溝前增設(shè)厭氧池）、剩余污泥少且容易脫水、處理效果穩(wěn)定等優(yōu)點，但存在負(fù)荷低、占地大、耗電大、運轉(zhuǎn)費用偏高的缺點，適用于中小規(guī)模的低負(fù)荷污水處理廠?？筛鶕?jù)構(gòu)筑物不同分為：卡魯塞爾氧化溝法、奧貝爾氧化法和一體化氧化溝法。

另外還有A2/O法，A/B法， SBR法及UNITANK法，在這里就不詳盡介紹，，如需了解詳細(xì)，請查閱相關(guān)專業(yè)資料。

3、污水處理系統(tǒng)控制形式

（1）DCS系統(tǒng)。是集散控制系統(tǒng)的簡稱，又稱為分布式計算機控制系統(tǒng)，是由計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、測量控制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相互滲透形成的。有計算機和現(xiàn)場終端組成，通過網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場控制站、檢測站和操作站、控制站等連接起來，完成分散控制和集中操作、管理的功能，主要是用于各類生產(chǎn)過程，可提高生產(chǎn)自動化水平和管理水平，其主要特點如下：

①采用分級分布式控制，減少了系統(tǒng)的信息傳輸量，使系統(tǒng)應(yīng)用程序比較簡單。

②實現(xiàn)了真正的分散控制，使系統(tǒng)的危險性分散，可靠性提高。

③擴展能力較強。

④軟硬件資源豐富，可適應(yīng)各種要求。

⑤實時性好，響應(yīng)快。

（2）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。是由DCS和PLC發(fā)展而來的，是基于現(xiàn)場總線的自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)按照公開、規(guī)范的通信協(xié)議在智能設(shè)備與計算機之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換，從而實現(xiàn)控制與管理一體化的自動控制系統(tǒng)，其優(yōu)點如下所示：

①可利用計算機豐富的軟硬件資源。

②響應(yīng)快，實時性好。

③通信協(xié)議公開，不同產(chǎn)品可互連。

（3）PLC系統(tǒng)。可編程邏輯控制器用于處理系統(tǒng)的控制器，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的功能要求，也可利用計算機作為上位機，通過網(wǎng)絡(luò)連接PLC，對生產(chǎn)過程進(jìn)行實時監(jiān)控，其特點如下：

①編程方便、開發(fā)周期短、維護容易。

②通用性強，使用方便。

③控制能力強。

④模塊化結(jié)構(gòu)，擴展能力強。

二、 系統(tǒng)設(shè)計

1、 污水處理系統(tǒng)的工作原理

（1） 控制系統(tǒng)總體框架圖：如圖2所示，NA400 PLC為核心控制器，通過檢測操作板按鈕的輸入、各類傳感器的輸入以及相關(guān)模擬量的輸入，完成相關(guān)設(shè)備的運行、停止和調(diào)速控制。

圖2

（2） 工作過程：在手動狀態(tài)下，各類設(shè)備的控制是根據(jù)操作面板的按鈕輸入來控制，無邏輯限制，即可不根據(jù)傳感器的狀態(tài)進(jìn)行控制。在自動方式下，進(jìn)行閉環(huán)控制，系統(tǒng)根據(jù)檢測到外部傳感器的狀態(tài)對設(shè)備進(jìn)行啟挺控制，其工作過程如圖3

① 接通電源，啟動自動控制方式，啟動潛水?dāng)嚢杵骱凸文鄼C。

② 運行粗、細(xì)格柵機，進(jìn)行間歇運行，即運行一段時間然后停止一段時間，循環(huán)運行。

③ 根據(jù)反饋回來的液位差狀態(tài)控制清污機的運行和停止。

④ 進(jìn)水泵房中的潛水泵根據(jù)液面的高低進(jìn)行運行、停止及運行數(shù)量的控制。

⑤ 轉(zhuǎn)碟曝氣機根據(jù)溶解氧儀反饋的模擬量經(jīng)PLC運算后進(jìn)行控制，同時控制分離機的運行和停止。

⑥ 污泥回流泵的運行和停止根據(jù)液面的高低進(jìn)行控制。

⑦ 在污泥脫水系統(tǒng)中，離心式脫水機的啟動采用順序控制方式，依次啟動其設(shè)備。

圖3

2、 硬件系統(tǒng)配置

（1） PLC選型。根據(jù)污水處理系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)的功能要求，以及其復(fù)雜程度，從經(jīng)濟性、可靠性等方面考慮，選擇NA-400PLC作為污水處理系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)的控制主機。該系統(tǒng)涉及的數(shù)字量輸入/輸出點較多，還需要采集模擬量并利用模擬量控制的功能要求，因此也需要擴展模擬量輸入/輸出模塊。具體配置如表1

表1

（2） PLC的I/O點資源配置

① 數(shù)字量輸入部分，在此控制系統(tǒng)中，所需要的輸入量基本上屬于數(shù)字量，主要包括各種控制按鈕、旋轉(zhuǎn)按鈕及數(shù)字輸入，共31個數(shù)字量輸入，如表2所示。

表2

② 數(shù)字量輸出部分。在這個控制系統(tǒng)中，主要輸出控制的設(shè)備有各種接觸器、閥門等，共有19個輸出點，其中具體分配如表3所示。

表3

③ 模擬量輸入部分。由于需要采集一個溶解氧儀所反饋的數(shù)據(jù)，因此擴展了一個模擬量輸入輸出模塊，具體如表4所示

表4

④ 模擬量輸出部分。在此控制系統(tǒng)中需要將采集回來的模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后，通過模擬量輸出口對變頻器進(jìn)行控制，進(jìn)而控制其他設(shè)備的運行，如表5所示

表5

（3） 其他資源配置

① 接觸器 此系統(tǒng)共需17個接觸器：格柵機接觸器、清污機接觸器、潛水泵接觸器、分離機接觸器、轉(zhuǎn)碟曝氣機接觸器、潛水?dāng)嚢铏C接觸器、刮泥機接觸器等。

② 變頻器。使用SIEMENS MM430變頻器，其為風(fēng)機水泵負(fù)載專用變頻器，。在此控制系統(tǒng)中，需要對變頻器進(jìn)行通信控制，因此需要先對變頻器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要對以下幾個參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，如表6所示。

表6

對于次系統(tǒng)的變頻器，在進(jìn)行手動調(diào)試時采用通信控制，因此需要改變變頻器的參數(shù)。

③ 各類按鈕、人機界面、液位差計、溶解氧儀等。

3、 軟件系統(tǒng)設(shè)計 在設(shè)計程序過程中，會使用到許多中間繼電器、寄存器、定時器等軟元件，為了便于編程及修改，在程序編寫前先列出可能用到的軟元件，如表7所示。

（1） 手動控制程序 在系統(tǒng)上電后，控制方式選擇手動方式時，可通過面板上的按?？刂泼總€設(shè)備的運行。設(shè)置手動主要是便于在生產(chǎn)線初裝時進(jìn)行調(diào)試，檢測各個設(shè)備是否能正常運行，手動控制程序如下。

（2） 自動控制程序 在生產(chǎn)中，大多采用自動過程進(jìn)行控制，系統(tǒng)通過傳感器的反饋信號來控制設(shè)備的啟動和停止，以及調(diào)速控制，自動控制程序如下所示。

（3）功能程序 在此系統(tǒng)中，采用模塊化編程，功能塊涉及粗、細(xì)格柵機，潛水泵，除污系統(tǒng)，污泥回流系統(tǒng)及變頻器通訊等。這里只舉例介紹其中幾種并重點介紹與變頻器通訊的功能塊。

①粗格柵機系統(tǒng)程序，完成粗格柵機和清污機的控制，系統(tǒng)梯形圖如下。

②曝氣沉砂系統(tǒng)程序，完成對轉(zhuǎn)碟曝氣機運行、調(diào)速及停止的控制，曝氣沉砂系統(tǒng)梯形圖程序如下。

③變頻器讀取參數(shù)程序，用于變頻器的輸出頻率，變頻器讀參數(shù)梯形圖程序如下所示。

④PID指令，用于模擬量的處理，輸出數(shù)據(jù)AOUT到%QW0001，用于輸出模擬量來控制其他設(shè)備的運行。

三、 系統(tǒng)設(shè)計中的問題及解決方法。由于污水處理系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)種類較多，而且不同類型的污水處理方法，其控制方法也有很大差異，因此需要首先確定采用什么形式的污水處理法，然后決定控制方式。在電氣控制方面的要求比較多，需要檢測大量的數(shù)字量，而且需要采集模擬量。

（1）硬件方面的問題 在污水處理系統(tǒng)中，主要的硬件問題包括機械結(jié)構(gòu)和PLC的外圍電路設(shè)計和接線處。

機械結(jié)構(gòu)上的問題主要是轉(zhuǎn)碟曝氣機的安裝位置，需要根據(jù)氧化池的結(jié)構(gòu)，放置在合適的位置上。若位置合適則可使用少量的曝氣機就能完成供氧的功能。在PLC的外圍硬件連線方面，主要是增加一些保護設(shè)備。由于輸出都是和接觸器等元件連接，接觸器的突然斷開和閉合會形成突變波形對PLC的輸出端子造成損壞，因此需要加裝一些保護裝置，例如，續(xù)流二極管等，增加觸點的壽命。

（2）軟件方面的問題 在程序編寫完畢后，需要首先在電腦上對程序進(jìn)行軟件仿真，主要是檢查是否存在各種錯誤，可利用NAPro自帶的仿真軟件。然后通過模擬硬件的方式檢查程序是否存在邏輯上的錯誤。調(diào)試時，可根據(jù)功能模塊分類分別調(diào)試，最后進(jìn)行總體調(diào)試。

四、設(shè)計小結(jié) 此控制系統(tǒng)采用了南大傲拓科技有限公司的NA400系列PLC作為核心控制設(shè)備。在該系統(tǒng)中利用定時器和計數(shù)器組合實現(xiàn)了長時間定時，變頻器的控制方式采用模擬量控制，通過PID指令實現(xiàn)閉環(huán)控制，達(dá)到了污水處理系統(tǒng)的控制要求。在此要感謝山東飛洋環(huán)境工程有限公司的電氣工程師張云峰，在他的大力幫助下，是文章的內(nèi)容得到極大的豐富。

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