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★王云偉，白彩鳳（北京碧水源科技股份有限公司，北京102206）

摘要：本文通過采用貝加萊X20PCC系統(tǒng)架構完成了對無錫碩放污水處理廠自動化系統(tǒng)的改造，解決了本水廠控制設備多、控制條件復雜、采集數(shù)據(jù)量大的問題，最終達到了水廠擴容的目的；同時提高了此污水處理廠的自動化程度、自控系統(tǒng)穩(wěn)定性、自控系統(tǒng)兼容性，并且對人力運營成本有一定的降低。

關鍵詞：污水處理；X20

1 項目概況

無錫碩放污水處理廠位于無錫碩放鎮(zhèn)，該污水處理廠原有處理站一座，但由于是早期建造，因而自動化程度不高、水質差，并且不能滿足現(xiàn)日益增加的日處理量。為了提高出水質量，并考慮到節(jié)省人力和以后進一步擴容的需要，亟需一套完整的先進的綜合程度較高的污水處理方案。該項目采用“A2O+MBR”工藝改造原傳統(tǒng)工藝，新工藝主要由預處理單元、生化單元、MBR單元、鼓風機曝氣單元、出水消毒單元及污泥處理單元六部分組成，其中預處理單元包含粗格柵、細格柵、提升泵、膜格柵等；生化單元包含厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)和低氧區(qū)等；MBR單元包含膜池及設備間；鼓風機曝氣單元主要實現(xiàn)對生化單元和MBR單元的曝氣吹掃功能；污泥處理單元主要用于污泥脫水處理。具體工藝流程如圖1所示。該工藝與傳統(tǒng)處理工藝比較，電氣設備多，控制復雜，采集數(shù)據(jù)較多。因而需要一套穩(wěn)定的、較為先進的自控系統(tǒng)配合。

圖1 工藝流程圖

2 網(wǎng)路結構

根據(jù)整個工程的建筑物及水處理的工藝設備布置情況，主要分為三級控制系統(tǒng)：現(xiàn)場監(jiān)控級、車間監(jiān)控級、廠級管理級。其層級關系如圖2所示。

現(xiàn)場控制級主要是對現(xiàn)場工藝設備進行運行狀態(tài)的采集和設備啟停的控制，其控制邏輯取決于下位機系統(tǒng)的邏輯程序。車間監(jiān)控級主要是對膜池設備間系統(tǒng)的監(jiān)控，其存在值班室，用于就近系統(tǒng)的集中監(jiān)視和控制。廠級管理級用于整個水廠工藝系統(tǒng)的整體監(jiān)控，從而了解整個水廠的運行情況。工業(yè)以太網(wǎng)用于廠級管理，車間級控制系統(tǒng)的操作員站和主控制站之間的連接；貝加萊X2X總線和西門子PROFIBU-DP現(xiàn)場總線用于主控制站站內與主控制站和子控制站之間的連接。

圖2 網(wǎng)絡層級關系圖

本項目的自控系統(tǒng)分為中央控制系統(tǒng)、次級控制系統(tǒng)、現(xiàn)場控制系統(tǒng)三部分。

中央控制系統(tǒng)簡稱為中控室系統(tǒng)，其主要作用是對全廠設備間運行情況的監(jiān)視和控制，其主通過上位機實現(xiàn)全廠整個工藝流程的運行情況，同時也包含了報警系統(tǒng)、報表系統(tǒng)、歷史數(shù)據(jù)系統(tǒng)等，為了更好地用戶體驗，中控室引入了寬屏電視、打印機、UPS供電等設備。本系統(tǒng)主要是用于對全廠的統(tǒng)籌管理與值班使用，方便運營者的集中管理、集中監(jiān)控。次級控制系統(tǒng)稱之為分控室系統(tǒng)，其位于現(xiàn)場設備間附近，與中控室系統(tǒng)距離較遠，用于對此設備間附件的設備進行集中監(jiān)控和值班。分控室系統(tǒng)的值班人員由于距離現(xiàn)場比較近，因此在出現(xiàn)事故時可以及時去現(xiàn)場進行處理，降低事故所造成的損失。中控室系統(tǒng)和分控室系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 中控室系統(tǒng)和分控室系統(tǒng)示意圖

現(xiàn)場控制系統(tǒng)主要是數(shù)據(jù)采集和設備聯(lián)動控制，其主要依賴于下位機的邏輯程序。現(xiàn)場控制系統(tǒng)示意圖如圖4所示。其主要分為開關量的數(shù)據(jù)采集與控制、模擬量的數(shù)據(jù)采集與控制和通訊儀表的采集三部分。此外通過各現(xiàn)場控制站之間的通訊工作可以實現(xiàn)各站之間的設備聯(lián)動，最終使整個水廠設備渾然一體。

圖4 現(xiàn)場控制系統(tǒng)示意圖

3 硬件配置

貝加萊PCC系統(tǒng)具有強大的功能，優(yōu)良的性能，良好的耐惡劣環(huán)境的能力。新一代的X20系統(tǒng)能夠勝任中大型的集散控制和復雜的過程控制。其良好的兼容性、強大的通訊能力、優(yōu)良的實時性、豐富的功能函數(shù)、品種繁多的硬件模塊、多種編程語言的使用等，使貝加萊PCC能夠廣泛適應各種工業(yè)控制的需要。貝加萊PCC系統(tǒng)在國內自控行業(yè)應用較少，在污水處理行業(yè)應用更少，近期貝加萊推出X20 PCC系統(tǒng)，它與以前的同級PCC系統(tǒng)相比其靈活的編程方法是其他PCC無法比擬的，并且其體積小重量輕，支持熱插拔。在通訊方面除支持CAN、Profibus、Ethernet、Ethernet Powerlink等外，還可以通過插入第三方模塊擴展。貝加萊PLC系統(tǒng)不僅支持常見編程語言，如梯形圖、指令表、文本ST、Automation Basic等更為值得一提的是其可以通過C語言編輯自己的通訊協(xié)議來滿足特殊需要，而在污水處理應用中由于是集成各個廠商的設備進行集散式控制，要求設備之間有良好的兼容性，不同通訊協(xié)議間的數(shù)據(jù)轉換及傳輸問題變得突出，而貝加萊PCC支持C語言編程能夠很好地解決這個問題。

設備的選型和配置：自控系統(tǒng)PCC采用貝加萊X20系列的X20CP1484 PCC和西門子S7-200。本系統(tǒng)主要包含鼓風機房站、設備間站、臭氧設備間、污泥脫水機等系統(tǒng)的配置。限于篇幅原因，本文只列舉了兩類站點的配置。

（1）鼓風機房站、設備間站系統(tǒng)作為主站，通過以太網(wǎng)的方式全廠主網(wǎng)絡鏈接，其配置如表1所示。

表1 主站配置

由于鼓風機房站、設備間站配置相似，只是點數(shù)不同而已，因此這些站點的配置僅是數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊及這些模塊的輔助配件不同而已，因此這里并沒有標明數(shù)量。

電源模塊主要是對本底板進行供電，同時對于此

底板上的模塊、CPU進行一定功率的供電，來保證此次底板上的模塊、CPU之間的用電。

CPU模塊用于存儲和運行工程師所編寫的邏輯程序，并且其自帶的以太網(wǎng)口承擔了與全廠主網(wǎng)絡通訊的功能。

接口模塊用于擴展底板或遠程站點使用，即當本地底板插口用完或者需要進行遠程擴展時底板時使用此模塊可以進行通訊，來完各底板之間的通訊鏈接，從而保證各個底板模塊與CPU之間的鏈接。

數(shù)字量輸入模塊用于采集現(xiàn)場的開關量信號，即獲取現(xiàn)場設備的開關量狀態(tài)。

數(shù)字量輸出模塊用于控制現(xiàn)場的開關量信號，即控制現(xiàn)場設備的啟停、開關等。

模擬量輸入模塊用于主要用于采集現(xiàn)場的儀表信號，大部分采用4~20ma的形式，通過工程量的轉換來獲取儀表的工程值。

模擬量輸出模塊用于輸出4~20mA的電流，從而控制頻率、開度等信號。

（2）細格柵站、除臭間等系統(tǒng)為了節(jié)約成本，采用西門子S7-200系列PLC，其通訊方式采用DP總線，以DP從站的形式鏈接到PCC系統(tǒng)，從而間接接入到全廠主網(wǎng)絡中。其配置如表2所示。其模塊功能相似，僅型號和性能不同，因此不再贅述。

表2 各模塊配置

4 主要控制方案及實現(xiàn)方法

4.1 控制模式的要求

4.1.1 就地/遠程控制模式

（1）就地手動控制

就地控制級別為最高級。當控制柜上方式選擇開關被切換到就地控制時，PCC將不對該設備進行控制，只進行狀態(tài)監(jiān)視，現(xiàn)場操作人員通過控制柜上手動按鈕啟動停止設備，控制柜提供基本控制聯(lián)鎖。

（2）就地遠程切換

當控制柜上方式選擇開關被切換到遠程（自動）控制時，現(xiàn)場手動就不起作用了，其現(xiàn)場控制權，交由上位機控制。

4.1.2 上位機控制模式

（1）遠程手動控制

控制室操作人員可根據(jù)現(xiàn)場情況向下發(fā)出調度控制指令，調整設備運行狀態(tài)達到工藝要求?？刂剖也僮魅藛T也可以選擇遠程手動方式，直接手動控制單個現(xiàn)場設備。

（2）遠程自動控制

按PCC程序聯(lián)動、聯(lián)鎖等各種邏輯關系控制設備的啟動停止。

4.2 主要設備控制方案

4.2.1 格柵

（1）手動控制：單臺粗格柵進行啟動、停止操作。

（2）自動控制：有兩種運行方式。

·本地方式：由本地控制柜內設定一個時間周期

（運行時間和待機時間需設備安裝后現(xiàn)場調試時確定），粗格柵定時開啟進行清渣。

·遠程方式：由PCC根據(jù)程序的時間設定和前后液位差來決定粗格柵的開啟和停止。

4.2.2 提升泵（三用一備，軟啟）

（1）現(xiàn)場控制：按鈕選擇現(xiàn)場控制則為手動控制，不接受PCC控制，按控制柜上開車按鈕，提升泵啟動工作。選擇停止按鈕時設備停止運行。

（2）遠程方式：由提升泵依據(jù)集水池和膜池液位自動起停開啟臺數(shù)。

4.2.3 MBR池產(chǎn)水

系統(tǒng)由膜池和輔助設備間兩個單體組成，整個系統(tǒng)控制由以下4個子控制系統(tǒng)組成：

（1）產(chǎn)水系統(tǒng)：由產(chǎn)水流量計給出信號，PCC采集流量值，通過PID方式控制產(chǎn)水。該系統(tǒng)又分為4個相對獨立的產(chǎn)水系統(tǒng)，并聯(lián)運行。共用抽真空泵及在線清洗系統(tǒng)。

（2）反洗系統(tǒng)控制：由PCC控制全自動的在線反洗程序，該系統(tǒng)4個出水廊道共用一套反洗系統(tǒng)。

（3）在線清洗系統(tǒng)控制：按膜污染情況在線完成。

（4）在線加藥系統(tǒng)控制：按水質自動在線加藥。

4.2.4 設備間

滲透抽吸泵受膜池液位和提升泵房集水池液位控制，當膜開始產(chǎn)水，產(chǎn)水閥門打開，滲透抽吸泵啟動工作；當膜池低液位時，膜停止產(chǎn)水，滲透抽吸泵停止工作產(chǎn)水閥關閉。

產(chǎn)水流量受頻率控制，進行產(chǎn)水。

膜組在產(chǎn)水過程中，氣動產(chǎn)水調節(jié)閥開啟，水反洗閥、真空閥、化學反洗閥關閉。

產(chǎn)水泵的控制

·產(chǎn)水泵遠程控制：按鈕選擇遠程控制按鈕，接受中央PCC控制。

·產(chǎn)水泵現(xiàn)場控制：按鈕選擇現(xiàn)場控制則為手動控制，不接受PCC控制，按操作柱上開車按鈕，產(chǎn)水泵啟動工作。

4.2.5 鼓風機

每臺鼓風機配備軟啟，5用2備。

控制方式：現(xiàn)場手動（中控室顯示其運行狀態(tài)）。

控制室監(jiān)控：鼓風機運行狀況。

鼓風機有過流保護或軟起動器故障報警。

4.2.6 加藥間

·卸料泵現(xiàn)場采用手動控制（中控室顯示其運行狀態(tài)）。

·加藥間有高低液位自動控制或人工現(xiàn)場控制。

·低位停止PAC計量泵；每個PAC溶液罐設高低2個液位，高低位報警；止溶解罐攪拌槳；

·每個PAC溶解罐設1個低液位，低位報警，并停

·助凝劑溶液罐設高低2個液位，高低位報警；低位停止助凝劑投加計量泵；

·助凝劑溶解罐設1個低液位，低位報警，并停止溶解罐攪拌槳；甲醇溶液罐設高低2個液位，高低位報警；低位停止甲醇計量泵。

4.3 上位機系統(tǒng)

4.3.1 控制功能

在中控室設置了兩臺工控計算機、一臺激光打印機、不間斷電源（UPS）等，并配套了相應的操作系統(tǒng)系統(tǒng)軟件、組態(tài)軟件、編程軟件和應用軟件。

工控計算機主要通過數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡連續(xù)采集各PLC控制站送來的數(shù)據(jù)，并對其進行處理、存儲和顯示，同時也具備對下位設備施控的功能。工控計算機帶有21"的彩色液晶監(jiān)視器用來顯示工藝流程、設備狀態(tài)、過程參數(shù)和報警信息，同時可驅動打印機生成各類圖表和事件報警。工控計算機可適合連續(xù)的工作條件。

不間斷電源UPS用于停電情況下為監(jiān)控計算機及打印機提供電源、記錄事故參數(shù)。連續(xù)供電時間30分鐘。

本工程中的工控計算機將與各PLC控制站通過以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)連接，數(shù)據(jù)傳輸速率為10/100Mbps。

4.3.2 顯示功能

監(jiān)控系統(tǒng)以圖形或圖像的方式形象顯示工藝流程、各設備狀態(tài)以及廠區(qū)概貌、工藝布置圖。通過I/O輸入輸出域、棒圖、曲線、數(shù)據(jù)表格等方式監(jiān)視液位、流量等監(jiān)控點。

4.3.3 報警功能

系統(tǒng)自動進行報警和事件處理。當報警發(fā)生時，如液位超高或過低，系統(tǒng)可快速檢測并通過畫面狀態(tài)變化提示，并顯示報警文本，同時發(fā)出聲音報警提醒監(jiān)控人員注意。報警到達時間、確認時間及排除時間、報警值、限位值、當前操作員等相應信息自動進入存檔。報警到達以及報警確認但未排除，采用兩種聲音提示。報警可手動消音。報警信息存儲半年以上，以便進行故障分析和查詢。操作事件等狀態(tài)變化也自動進行存儲歸檔。

4.3.4 數(shù)據(jù)歸檔

流量、污水處理量等數(shù)值按定義周期自動進行存儲。存儲的數(shù)據(jù)可按曲線或數(shù)據(jù)列表的方式進行顯示。并提供歷史數(shù)據(jù)查詢、ZOOM顯示、觀察線、在線關閉打開曲線、在線調整時間范圍、在線修整顯示模式等功能。存儲數(shù)據(jù)可保存13個月。

4.3.5 報表功能

報表系統(tǒng)將把重要過程數(shù)據(jù)定時記錄下來，寫入數(shù)據(jù)庫，形成數(shù)據(jù)庫文檔，運行人員可依據(jù)相應的要求打印或預覽數(shù)據(jù)報表。

設定以下報表：

·生產(chǎn)報表

·日報表

報表既可以屏幕查看，也可以按要求打印輸出。

4.3.6 用戶管理

操作人員操作設備必須進行登錄。根據(jù)不同操作人員的級別，系統(tǒng)自動判斷封鎖操作人員所能進行的操

作。當報警發(fā)生時，當前操作員被記錄存檔。系統(tǒng)根據(jù)用戶名和密碼顯示和控制屏幕上的畫面及操作。無權限的用戶只能瀏覽畫面，不能修改參數(shù)機設備控制。

5 總結

通過合理地使用貝加萊PCC系統(tǒng)，實現(xiàn)了大量數(shù)據(jù)的實時采集與設備控制，同時借助于貝加萊PCC的強加編程功能，完成復雜邏輯程序的編寫及調試工作；分控室的設立，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性同時降低事故損失。通過長期的使用，較好地實現(xiàn)了貝加萊PCC系統(tǒng)與西門子之間的總線通訊，保持兼容性的同時降低系統(tǒng)成本。

作者簡介：

王云偉 （1974-），男，山西人，本科，現(xiàn)就職于北京碧水源科技股份有限公司，主要從事水處理電控系統(tǒng)工作。

參考文獻：

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摘自《自動化博覽》2022年10月刊