莲花味精集团污水处理厂SBR自控系统

宋颉
(中国市政工程华北设计研究院)

　　 河南莲花味精集团污水处理厂采用厌氧加好氧处理工艺，其中好氧部分采用SBR法处理。SBR是处理高浓度有机废水的理想途径之一，该法克服了常规好氧法处理高浓度有机废水能耗高、稀释水量大、占地面积大等缺陷，可实现高浓度进水、高容积负荷、高去除率，具有污泥性能好、耐冲击负荷、出水水质好、污泥产率小、氧利用率高、运行费用低、减少占地等优点。
　　 该厂采用8个SBR池，处理污水量为7450t/d，尺寸为L×B×H＝25m×21m×5m。以12h为一个运行周期，其中进水、搅拌1 h，曝气8.5h，沉淀1h，排水1h，待机(闲置)0.5h。8个池子按依次滞后1.5h的时间间隔顺序进行。

1 系统硬件结构

　　SBR自动控制系统由监控管理计算机(上位机)、可编程序控制器(PLC)、电气控制柜、现场执行机构及现场监测仪表组成。控制系统如图1。

　　8个SBR反应池严格按照一定的时间顺序依次完成进水→曝气→沉淀→排水→(排泥)等一系列过程，对应于不同的工段每个池子分别设有进水阀、进气阀、搅拌泵、滗水器、排泥泵以完成不同的功能。对于这样一个顺序性、周期性很强的逻辑操作系统，使用PLC是最明智的选择。
　　PLC以继电器逻辑控制为基础，逐步发展成为既有逻辑控制又有计时、计数、分支程序、数值计算等功能。其工作稳定、可靠、抗干扰能力强、控制灵活、编程容易、体积小、质量轻、功耗低、安装简单、运行方便、性能价格比高，且可与现场信息输出直接联结，广泛应用于污水处理系统。
　　根据PLC以上特点，考虑到工艺控制要求及SBR控制系统中开关量输入/输出多、模拟量较少和整个系统的运行速度，选定OMRON，C 200 HS可编程序控制器，这种控制器指令丰富，处理速度快，柔性好，功能多，且可提供多种多样的智能I/O单元，能适合本系统的应用。
　　PLC系统的硬件配置见表1。

　　本系统PLC控制柜与上位机在同一控制室内，通讯距离＜10 m，对于这种通讯距离较近的情况，双方可直接采用RS--232C标准进行通讯，理论上当波特率为9 600时，通讯距离在15.23 m之内，其误码畸变率按4%考虑。实际应用中的通讯距离达120 m,使用RS--232C标准通讯非常可靠。
　　PLC在某种意义上讲只是一种控制器，换句话说在SBR时序控制系统中它是一种功能更强的集成化高速继电器控制装置，故其虽有灵活的一面，也有死板的一面，特别是在人机操作界面方面显得无能为力。
　　随着4C技术(computer、control、communication、CRT)及监控软件的发展，使用上位机监控管理系统已成为大中型控制系统的流行趋势，以PC机作为上位机应用于控制系统中能提供一种良好的人机界面，减轻操作人员的负担，提高管理水平。
　　PLC全部I/O模块的馈线都来自电气控制柜，每个SBR池对应一个电气控制柜，每个电气控制柜包括相应池内6台设备的一次回路和二次回路的全部器件，直接采集现场电气设备的信号。手动/自动的切换通过电气柜盘面的主令开关来完成。
　　在电气控制柜中，对PLC的输入均为AC220 V中间继电器的无源触点，PLC向电气柜输出DC24 V电压控制信号，实现对各电气设备的控制，保证各输入、输出的相对独立，使控制系统长期安全运行，而开关量的信号电源由PLC柜内DC24 V稳压电源提供。
　　反映工艺设备的开关量信号主要分为以下三类：第一类是运行信号，由主回路中接触器的分、合状态决定，并由相应的中间继电器的常开触点给出；第二类是自动/手动状态信号，由手动/自动转换开关决定，并由相应中间继电器的常开触点给出；第三类是正常/故障信号，为综合故障信号，包括过载、过流、超限及水泵超温等。对电动阀门和滗水器又增加了开(上升)到位、关(下降)到位，对滗水器增加一个步进排水信号，这些信号均由设备的故障触点串联后由一个中间继电器的常闭触点给出，使中心控制室的操作人员对现场设备的运行情况一目了然。
　　SBR工艺的关键是时序控制，仪表主要用于系统的监测。在SBR好氧段的重要工艺段设置了流量仪表、液位仪表和溶解氧测量仪。鼓风机管道出口空气流量的测量采用插入式涡街流量计。

2 系统的软件设计

　　SBR自控系统的软件设计是整个系统正常运行的核心，一套理想的软件不只限于满足工艺要求，而且要考虑到现场出现的各种特殊情况，因此必须可靠、实用、易修改。
2.1 软件编制
　　软件编制的主要依据为工艺提供的控制时序，对于进水时间、曝气时间、沉淀时间、排水时间均可由上位机任意设定，但四个工艺段的时间之和必需介于7～11.6 h，否则所设定的工艺时间无效，PLC仍按原设定执行。8个SBR池的各段工艺过程及其执行时间均严格按时序进行，每个池子的任何设备在任何时刻均可通过电气柜上的手动/自动转换开关改变其状态，但均不能改变PLC所设定的工作时序，且一旦切入自动状态后便进入PLC所设定的时序。
　　滗水器的工作周期完全由PLC按时间控制，在第一次下降一个大行程(时间为23 s)，以后每次下降4 s，停留排水时间15 min，直至下降到位。如果在一个周期(12 h)结束时仍没有下降到位或无下降到位信号，且滗水器处于自动状态，PLC将在周期结束前驱动滗水器上升复位。
　　控制柜上的8个切换开关仅限用于全部复位重新启动时决定由哪个池子开始投入自动循环，平时不可轻易扳动，一旦扳动某一开关，其对应池子的工艺过程将全部停止，只有等到下一次进水周期方可重新进入PLC自动控制的行列。
　　现场电气设备的工作状态均送上位机显示。
2.2 软件的特点
　　① 本控制系统严格按照时序，按顺序工作。
　　② 允许以任意一个池子作为重新启动的开始，所有参加复位的池子(在复位时其电气柜相应的手动/自动开关处于自动位置)在复位时各设备将自动恢复到复位状态(进水阀、进气阀关闭，搅拌泵停止，滗水器上升)。
　　③ 允许在工作过程中任意进行手、自动切换且不影响工作时序。
　　④ 具有动作超时、过载报警等功能，具有断电时自动保护断点，在重新上电时由断点继续执行程序的功能。
2.3 软件的设计思想
　　编制软件时，要从用户的实际情况出发，尽量作到功能全面，画面简洁易读，操作方便，使操作员易于掌握。
　　上位机的软件编制采用MS-DOS环境下的GOOD-HELPER通用组态式工业控制软件包，该软件包提供了从组态到显示、操作控制的整套功能，支持通用键盘，采用后台通讯的方式保证了数据的实时性，前台运行图形及报表程序、全汉化的工作界面、“所见即得”的控制组。
　　整个监控软件包括以下的组态过程：系统设计→系统参数组态→通讯组态→图形菜单组态→图形编辑→图形动态→文本编辑→报表显示→故障报警组态→同类数据存在盘组态→历史报表组态→标度变换组态→定时打印组态→报表统计等。整个系统主菜单包括流程图A，汇总表B，超势图C和设定参数D，查询菜单下可进行故障记录、历史趋势等的在线查询，报表菜单可定时打印各班的报表，文件管理菜单中可进行文件的列表、拷贝、打印、删除等工作，变量表中列出了所有四种(公式变量、模拟变量、开关量、字符串变量)类型变量的当前值，可在系统调试时起帮助作用。

3 SBR系统的抗干扰措施

3.1 电源系统
　　为阻止空间电磁干扰，在设计系统时将PLC安装于铁质的仪表柜中，起到一定的屏蔽作用。?
　　本系统独立供电，直接从低压配电母线供电，在电源进入SBR控制系统之前加2 000 W的稳压电源，具有双向抗干扰功能，能滤除电网各种脉冲和浪涌电压，稳压范围达120～300 V。并将UPS(2 000 W)与上位机联接，一旦供电系统中断，UPS电源的电池组经逆变输出交流电，使上位机有一定时间进行数据处理，以便得电后正常工作，提高了整个系统的可靠性。
3.2 设置阻容吸收回路
　　在SBR控制系统中，由于现场电气设备较多，而且PLC的I/O信号均由继电器的无源触点给出，大量的继电器被用于控制系统中，加上现场条件较差，灵敏度较高(吸合电压较低)的继电器本身受到线路布线的影响而产生误动作。为此，考虑在继电器线圈两端并联RC吸收回路(如图2)，其中电阻值可在100～1 000 Ω之间，电容在0.03～1 μF之间选用，但须注意电阻的阻值和电容耐压要有余量。实践证明这是一种简单有效的方法。
3.3 过程通道的抗干扰
　　过程通道指前向接口和后向接口与PLC之间进行信息传输的路径。在过程通道中长线传输的干扰是主要因素，当系统的主频为4 MHz，传输线长度＞0.3m时，即成为长线传输。为保证长线传输的可靠性，采取的措施有光电耦合隔离、电流传输和双绞线传输等。

4 结论

　　莲花味精集团污水处理工程自动控制系统已完成从设计到施工、安装、调试直至最后投入正式运行的全部工作。该系统不仅按污水处理工艺要求达到了自动控制的目的，而且保证污水达标排放。总结起来具有以下特点：
　　① 系统设计合理，PLC、上位机、电气柜、仪表的选型注意从先进性、稳定性、可靠性出发，同时兼顾经济性，使整套控制系统在保证长期安全运行的基础上，价格达到最低。
　　② 本系统以PLC为核心，完成对SBR反应池的自动控制，在软件编制方面严格按工艺时序要求，全面考虑了现场在出现特殊情况下程序连续运行，与以往污水厂自控系统以监测为主的情况有本质的区别。
　　③ 监测管理计算机实时监测整个系统，工艺流程图生动形象，操作人员一目了然地了解现场工艺、电气设备的运行状况，并根据工艺情况随时在线修改参数。
　　④ 系统具有很强的抗干扰性，无论从计算机电源系统还是硬件的选择到电缆的敷设接地等都充分考虑此问题，因此稳定性好、可靠性高，大大减轻了工人的劳动强度，每班操作人数从5人降低到2人。

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