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2 0 1 2年第4期 工业仪表与自动化装置 8 9 S 73 0 0 P LC 在 CAS S法 污水 处 理 控 制 系统 的应 用 李茜 西安航 空职业技术学院 电子工程 系， 西安 7 1 0 0 8 9 摘要 针对某县城污水处理厂实际需要 ， 利 用冗余技术和 P R O F I B U S现场总线通讯方式 ， 设计 了以 S 7 3 0 0 P L C为核心的 C A S S污水处理控制 系统 ， 阐述 了 C A S S工艺控制策略的设计 ， 控制 系 统的硬件集成 。运用 S t e p V 5 ． 4为开发环境 ， 开发 了工艺流程控 制的应用程序 。系统运行结果表 明 ， 控 制 效果 达到 预期 目标 。 关键词 s 7 3 0 0 P L C； C A S S ； 污水处理 ； 现场总线 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 2 0 4 0 0 8 9 0 4 App l i c a t i o n o f S 73 0 0 PLC i n t h e s e wa g e t r e a t me n t c o n t r o l s y s t e m ba s e d o n t h e CAS S me t ho d L I Q i a n D e p a r t m e n t o fE l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g， X i ’ a n A e r o n a u t i c a l P o l y t e c h n i c I n s t i t u t e ， X i ’ a n 7 1 0 0 8 9 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o a c t u a l n e e d i n a c o u n t y s e wa g e t r e a t me n t p l a nt ，t h i s p a p e r u s i n g t h e r e d u n d an t t e c h n o l o g y an d PROF I BUS fi e l d b u s c o mmu n i c a t i o n，h a s d e s i g n e d C AS S s e wa g e t r e a t me n t c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n the S 73 0 0 PL C． a n d d e s c r i b e s s o me d e s i gn o f t h e C ASS p r o c e s s c o n t r o l s t r a t e g y s y s t e m h a r d wa r e i n t e g r a t i o n．W i t h S t e p V5 ． 4 s o f t ware b e i n g t h e d e v e l o p me n t e n v i r o n me n t ，i t h a s d e v e l o p e d u s e r ’ S c o n t r o l p r o - g r a ms ．Th e r u n ni n g r e s u l t s s h o w t h a t t h e c o n t r o l e ffe c t h as a c h i e v e d t h e d e s i r e d g o als ． Ke y wo r d s S 73 0 0 PLC；CASS；s e wa g e t r e a t me n t ；Fi e l d b us 0 引言 1 C AS S- r E简介 卜 我 国是水资源短缺的国家 。伴随社会经济的发 展 ， 污水量和污水 中的污染物种类在不断增加 ， 缺水 问题愈来愈突出， 两者之间的问题 也对社会经济 的 可持续发展构成 了严重威胁。污水处理是有效缓解 缺水问题 的重要措施 ， 也是改善生 态环境 的有效手 段。C A S S C y c l i c A c t i v a t e d S l u d g e S y s t e m 工艺是一 种先进的污水处理工艺 ， 是循环活性污泥技术的一 种形式。为了保证污水处理过程的安全可靠和生产 的连续性 ， 同时为了满足污水处理工艺的需要 ， 通常 采用 自动控制系统 。论文主要以陕西省某县城 的污 水处理厂项 目为背景 ， 阐述 了以 P L C为控制核心的 污水处理控制系统。 收稿 日期 2 0 1 2 0 32 7 作者简介 李茜 1 9 8 2 ， 女， 陕西潼关人， 学士， 西安航空职业技 术学 院电子工程系助教 ， 主要从事智能楼宇 、 P L C的教学与研究 。 循环活性污泥系统 C y c l i c A c t i v a t e d S l u d g e S y s t e m， 即 C A S S 工艺是一种具有脱氮除磷功能的以序 批曝气 一 非 曝气方式运行 的充 一 放式间隙活性污泥 处理工艺 ， 在 C A S S生化反应池 中完成污水 中 B O D、 C O D、 N H 3一N和 s s的去除 ， 反应池按进水 、 曝气、 沉淀、 排水、 闲置 5个阶段的时间顺序运行。在系统 中一共有 2个生化池 ， 大大增加了处理生活污水 的 能力。工艺流程如图 1 所示 。 图 1 C A S S工艺流程 图 达标 排放 9 0 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 2年第4期 2 C AS S工艺控制策略设计 某污水处理厂 C A S S工艺主要 由粗格栅 间、 污 水提升泵房、 C A S S反应池、 风机、 加氯间、 污泥脱水 间等构成 。 2 ． 1 粗格栅间 粗格栅 间的主要设备是粗格栅机 ， 粗格栅机的 操作是根据时间间隔及持续时间的定 时法来控 制， 时间间隔及持续时间由 P L C设定 ， 操作人员调整所 有格栅具有相同的时间间隔及持续时间。时间间隔 是 2小时 ， 每次持续时间运行 1 0 mi n 。 2 ． 2 污水提升泵房 污水提升泵房主要设备是 1 、 2 两台污水提升 泵。2台泵均采用手动／自动 2种控制模式， 手动状 态下 ， 主要是就地启停控制 ； 自动控制状态下 根据 调节水池液位 自动控制水泵的启／ 停。调节池水位 上升至上浮球水泵启动 ， 水位下降到下浮球水泵停 止。水泵只能向正在曝气的 C A S S池进水。水泵累 计 4小时互倒一次。在泵 的运行过程 中， 控制系统 始终监视泵的运行状态 ， 如 1台出现故障另 1台 自 动启动。P L C接收所有故障信号， 报警后做出相应 处 理 。 2 ． 3 C A S S反 应池 该污水 处理 厂 C A S S反 应池 包 括 南、 北 2个 C A S S池 。 北 C A S S反应池 开机后北池曝气 2小时， 曝气 时才允许进水 ， 沉淀 1小时 ， 放水半小 时， 再次沉淀 半小时。 南 C A S S反应池 开机后南池沉淀 1小时 ， 放水 半小时 ， 然后再沉淀半小时， 曝气时方可进水 ， 两池 如此往复循环 。 2 ． 4 风 机 系统有 1 、 2 两台风机 ， 交替 8小时运行 ， 1台 出现故 障， 另 1台 自动启动， 它的运行主要 由 2 电 动阀开到位信号控制， 如不能开到位， 风机 自动停 车。任何 1台风机启动前 ， 必须先开 2 撑 电动阀， 风 机平稳启动后 ， 2 电动阀关闭。 2 ． 5 污泥脱水间 系统配置 4台排泥泵 ， 设计了 自动和手动 2种 控制模式。 自动模 式下 ， C A S S生 化反应池根据 运 行状况 ， 主要是在曝气 、 沉淀、 空闲阶段开启排泥泵 ， 将一部分沉淀后的污泥排放至污泥脱水 间， 经浓缩 脱水后得到的污泥饼 含水率 7 5 ％ ～8 2 ％ 送至界 外 。手动控制模式下 ， 排泥泵在整个循 环过程均可 运行。2种模式下 ， 产生的过滤清液返回至调节池 。 2 ． 6 加氯 间 加氯间有消毒装置 1台， 主要原料为工业氯酸 钠 ， 纯度为 9 9 ％ ， 工业盐酸 ， 纯度为 3 l ％。控制策略 如下 1 打开 自来水进水阀。 2 配备好氯酸纳溶液 ， 溶液浓度为 3 3 ％ 。 3 打开吸盐酸真空阀， 把盐酸吸入盐酸箱 内。 4 调节好盐酸计量泵和氯酸钠计量泵， 同时启 动盐酸计量泵和氯酸钠计量泵。 5 打开出二氧化氯阀门， 切记一定要打开。 6 操作结束后 ， 应先关掉盐酸计量泵和氯酸钠 计量泵， 等待数分钟后， 再关掉出二氧化氯阀， 最后 关掉 自来水阀 ， 这样避免在反应箱 内积存更多 的反 应溶液。 2 ． 7 滗水器 系统中南北 2个 C A S S反应池 中各有 2个滗水 器 ， 其 中 1个反应池中滗水器按照关闭电动进气 阀、 电动进水阀几分钟、 开始滗水一段时间、 滗水器正常 循环一段时间、 滗水器停止最低水位若干时间、 滗水 器反 向移动， 打开近期电动阀、 水 阀若干时间。2个 反应池中滗水器运行 的时间与工艺实际情况有关。 3 控制 系统设计 3 ． 1 系统结构 该污水处理控制系统采用 “ 集 中管理 、 分 散控 制” 的设 计思想 。由于 污水处 理厂处理 能力 的要 求 ， 结合系统可靠性的需要 ， 整个污水处理控制系统 利用了冗余技术 ， 保证 了液位等数据采集 、 设备控制 功能均可通过 P L C和远程 E T 2 0 0模块实现。整个 系统 由2台上位机 管理机 进行管理显示 。 工 W 程 i n 师 C 站 CW i n CC l l工 程W 师inC站C 2 圃 I I I l l 一丁一 In d u 。 。 t C ∞ P U P 数据同步 P 电S I ．c P u l 季eel 源l 3 1 5 - 2 D P l 8 l l 子站 蚕 兰 I 昌苫l 呈 C AS Sl 池子站l 现 场 设 各 图2 C A S S污水处理控制系统结构图 控制系统结构如图2所示。上位机可对各现场 o， H N I ￡ 西 善 。 rd 队 将 厶 H 理 站 苫0 0 乙 L 田 处 子 2 0 1 2年第 4期 工业 仪表与 自动化装置 9 1 的有关设备和主要设备实现实时监测和远程控制 ， 担负管理层角色 ， 具体承担 1 显示工艺流程 图， 动态显示液位及各设备状 态 、 系统状态 ； 2 提供手动操作界面 ； 3 实现画面及语音报警 ； 4 实现操作及系统状态 记录 、 数据 实时 、 历史 查询； 5 实现系统的安全管理 。 冗余 P L C控制 是 系统 的核心 ， 主 要完成 根 据 C A S S工艺参数组 态形成控 制策略 ， 设计 开发现 场 设备 的专用控制算法 ， 并据此完成污水处理全过程 的自动控制和现场设备的联锁 、 保护控制 。此时如 果系统中某个子站发生故障 ， 可通过就地控制箱对 设备进行控制 。P L C的冗余 ， 使得一 台 P L C发生故 障 ， 另一台 P L C立 即投入使用 ， 大大提高 了系统 的 可靠性。 电动阀、 风机、 污水提升泵 、 滗水器 、 排泥泵 、 传 感器等现场执行及传感设备位于污水处理系统 中的 现场 ， 主 要是 实现 P L C与控 制设 备 的隔离 ， 且 是 P L C的执行者。 3 ． 2系统硬件集成 1 上位机管理层 。上位机管 理层设 2台研华 工控机监控计算机 互 为热备 、 打印机等。2台监 控计 算 机 配 置 Wi n d o w s X P操 作 系 统 ，西 门 子 S T E P 7 V 5 ． 4编程 软件 和西 门子 Wi n C C监控 组态 软件。 2 冗余 P L C控制层及分布式控制子站 冗余 P L C控制层 中， P L C采用模块化结构设计 的西 门子 C P U 3 1 5 2 D P 。 1 处理子站 E T 2 0 0 ， 主要负责调节池液位 、 2 个粗格栅、 2台提升泵 、 2台风机等设备 的数据采集 和现场控制柜的操作 ， 并对进 厂水质进行数据采集 和监控。 2 C A S S池子站 E T 2 0 0 ， 主要负责 2个 生化 池 、 3个 电动进气 阀、 4个 电动进水 阀、 4个 回流污泥 泵和剩余污泥泵、 4 个滗水器、 4 个搅拌机、 紫外线消 毒渠。 分布式控制子 站 E T 2 0 0与 P L C及子 站之间选 用现场总线方式 。 系统使用 P R O F I B U SD P现场总线 ， 冗余 了 2个从 站 的 分 布式 I ／ O， 每个 冗 余 的从 站 有 2个 P R O F I B U S接 口， 一个是 主接 口， 一个是备用 接 口。 工作中， 当主要从站出现故障时， 后备从站接管它的 功能。该 系统从站在 2条冗余的 P R O F I B U S总线上 运 行 。 根据现场不同测控信号 的分析 ， 下位机 P L C及 I ／ O模块配置如表 1 所示。 表 1 P L C模块配置清单 型号 注释 数量 个 备注 4 控制 系统软件开发 C A S S污水处理控制系统控制策 略除了具备一 定的硬件之外 ， 还需要必须的 P L C用户程序进行软 件配合 。因此 P L C编程组态直接关系 C A S S运行。 该控制系统 的应用程序主要 以西 门子 S t e p V 5 ． 4为 软件开发环境 ， 运用模块化程序设计思想 ， 按照南北 2个 C A S S反应池时序进行程序设计 。用户程序 的 设计流程如图 3所示 。 根据需要用户程序还设计 了冗余程序 、 模拟量 采集、 处理程序 、 故障处理程序 和网络诊断程序 。 网络诊断主要调用 S F C 1 3获取 网络状态数据 ， 并在 操作员站上直观表现出来 。 9 2 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 2年第4期 5 结束 语 C AS S启动主程序 ≥ Y 调节池水位测量 l 广 龟 l N l 4 群 电动阀关闭l 广 焉 l 、4 电动阀开到位 开污水提升泵 选择北曝气池 ＼／ l Y 北 C AS S池曝气 二二[ 2 电动阀开到位 厂 瓦 2 风 机运 行 I 笙 l I 笙 I ’ 关闭2 电动阀 l l 关闭2 电动阀 延时 8 h 1 I 延时 8h l 风机停止 l I 2 风机停止 图3 C A S S污水处理主程序流程图 基于集中管理、 分散控制思想设计的污水处理 控制系统 ， 实现了对某县污水处理厂整个过程 的全 自动化运行 ， 大大提高 了污水处理 的自动化控制水 平和管理水平。系统易于维护 ， 减轻了劳动强度 ， 尤 其是系统的冗余、 现场总线技术的应用保证了污水 生产运行的安全可靠和数据的有效传输， 从而提高 了生产效率。该系统的成功投产不仅使该县的生活 污水处理水质达到 了排放标准 ， 改善 了人们 的生活 环境 ， 而且为类似的污水处理项 目积累了经验 ， 有一 调用污泥泵控制子程序 二二二[二 调用沉淀工作子程序 _____________________________●_●__--。。。。。。。。_。。_。___-___ ， 1 启动消毒设备 I 调用滗水器工作子程序 定的借鉴价值。 参考文献 [ 1 ] G o r o n s z y M C ， 朱明权 ， Wu t s c h r e K ． 循环式活性污泥法 C A S S 的应用及发展[ J ] ． 中国给水排水， 1 9 9 6 ， 1 2 6 4 9 ． [ 2 ] 欧阳云生， 杨立中． 污水处理 C A S S工艺中自控系统的 设计[ J ] ． 西南给排水 ， 2 0 0 6 ， 3 2 8 3 9 4 1 ． [ 3 ] 高利军． P R O F I B U S总线在 C A S S污水处理工艺中的应 用[ J ] ． 机电技术， 2 0 1 1 6 3 6 3 8 ． [ 4 ] 廖常初． s 7 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C应用技术 [ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 5 3 3 4 3 5 0 ． 上接 第7 3页 4 结束语 与模拟仪表组成的控制系统相 比， I T C C的防喘 振控制系统用组态的方法构成控制 回路和设定各种 参数 ， 具有系统组建灵活 ， 修改变更方便的特点 。模 拟仪表控制方案的修改要通过增减 自 控设备、 变更 接线和调整机电机构才能实现。 I T C C的防喘振控制系统在某乙烯裂解气压缩机 组应用 4年多， 运行正常 ， 没有发生过非计划停车。 参 考文献 [ 1 ] 王书敏． 离心式压缩机技术问答[ M] ． 北京 中国石化 出版社 ， 1 9 9 5 ． [ 2 ] 俞金寿． 工业过程先进控制[ M] ． 北京 中国石化出版 社 。 2 0 0 2 1 2 91 4 1 ． [ 3 ] 何衍庆． 工业生产过程控制[ M] ． 北京 化学工业出版 社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] T J Mc a v o y ．C o n t e m p l a t i v e S t a n c e f o r C h e mi c a l P r o c e s s C o n t r o l [ J ] ．A u t o m a t i e a ， 1 9 9 2 ， 2 8 2 4 4 1 442 ．
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