污水處理廠自動控制系統(tǒng)設(shè)計解決方案
發(fā)布日期：2015-08-15 12:07 瀏覽次數(shù)：
污水處理廠自動控制系統(tǒng)設(shè)計解決方案：南京康卓環(huán)境科技有限公司根據(jù)宜都市高壩洲污水處理廠自控文件的要求，參考相關(guān)的水、電等機(jī)電設(shè)備的相關(guān)資料，自控控制及儀表系統(tǒng)需監(jiān)控的內(nèi)容有：
1、系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)控：包括格柵機(jī)系統(tǒng)、進(jìn)水泵自控、啟閉機(jī)的監(jiān)控、推流器的監(jiān)控、提升泵房自動控制及運(yùn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，污泥脫水機(jī)房設(shè)備監(jiān)控。
2、重要設(shè)備的監(jiān)控：格柵機(jī)、進(jìn)水泵、提升泵、推流器、攪拌機(jī)。
3、水質(zhì)的監(jiān)測：PH值、水流量、液位、水溶解氧、污泥濁度、COD、NH4_N等。
4、系統(tǒng)集成：集中控制的顯示及系統(tǒng)管理軟件。
一、工程范圍
1、根據(jù)宜都市污水處理廠工程建設(shè)項目圖紙等文件的要求，完成自控系統(tǒng)的設(shè)計、制造、運(yùn)輸、安裝、安裝指導(dǎo)、調(diào)試、試運(yùn)行、驗收及售后服務(wù)工作，并向業(yè)主移交與上述工作有關(guān)的、必要的文件資料。
2、負(fù)責(zé)該系統(tǒng)的深化設(shè)計，并保證上述工作完全符合文件要求，同時也滿足設(shè)備正常、有效運(yùn)行的要求。
3、我們公司的工作還包括以下的內(nèi)容：
1）系統(tǒng)的深化設(shè)計
2）設(shè)備及部件的檢查、檢驗、測試
3）設(shè)計交底
4）設(shè)備及設(shè)備安裝部件的安裝指導(dǎo)
5）設(shè)備及系統(tǒng)調(diào)試
6）整改工作
7）與其它分包商的協(xié)調(diào)配合
8）竣工驗收
9）保修期及售后服務(wù)
二、系統(tǒng)設(shè)計
1、設(shè)計原則
全廠計算機(jī)自控系統(tǒng)采用集散型的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)加工業(yè)組態(tài)軟件以及可靠通用的PLC模塊，保證系統(tǒng)的可靠性、先進(jìn)性、靈活性及實時性。
2、系統(tǒng)實現(xiàn)
根據(jù)湖北省宜都市污水處理及配套管網(wǎng)工程的規(guī)模及工藝要求，結(jié)合多年來我司在污水處理行業(yè)及多個污水處理廠建設(shè)的成熟技術(shù)和豐富經(jīng)驗，我們設(shè)計使用HMI+PC系統(tǒng)為本次項目的自動化系統(tǒng)構(gòu)成，再通過和其他各種外設(shè)的連接，從而實現(xiàn)對整體污水處理工藝的全過程自動化控制系統(tǒng)，并按照預(yù)定的程序?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備實現(xiàn)全方位的控制以及信號的采集和傳輸。
圖示1.1 控制原理示意圖
如上圖所示，在現(xiàn)場控制層，現(xiàn)場各設(shè)備狀態(tài)信號輸入PLC的開關(guān)量輸入模塊（DI模塊），PLC的CPU通過邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為控制信號，由開關(guān)量輸出模塊（DO模塊）輸出信號，控制各泵動作，同時PLC將采集到的各設(shè)備的狀態(tài)信號傳輸上位機(jī)控制系統(tǒng)，由上位機(jī)組態(tài)軟件直觀形象的顯示出來。另外通過現(xiàn)場儀器儀表對系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行測量，并將所測的數(shù)據(jù)傳輸至PLC的輸入模塊中，PLC根據(jù)從控制上位機(jī)上設(shè)定的各項參數(shù)（各液位的高度等）實現(xiàn)對系統(tǒng)的全自動控制。由上圖可知，在現(xiàn)場控制層的所有信號的采集和傳輸全部通過PLC來實現(xiàn)；上位機(jī)起人機(jī)對話媒介，能夠?qū)λ性O(shè)備及數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視、控制、參數(shù)設(shè)定、事件存儲、報警查詢等操作。PLC與上位機(jī)采用工業(yè)以太網(wǎng)的通訊方式，保證通訊的實時性與可靠性，若中控室與PLC控制柜之間的距離較遠(yuǎn)，可采用光纖通訊。另外此系統(tǒng)還可以改進(jìn)成雙環(huán)網(wǎng)的控制系統(tǒng)，以增加監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。
三、系統(tǒng)控制邏輯功能
控制方式，本系統(tǒng)控制方式分為：就地控制、集中手動控制、集中自動控制。
就地控制：此控制模式下，各泵控制柜的模式開關(guān)在就地狀態(tài)，各泵的啟停互不關(guān)聯(lián)，啟停操作在各泵對應(yīng)的控制柜上點(diǎn)動按鈕操作。此模式下上位機(jī)僅顯示狀態(tài)，不參與控制，對應(yīng)的控制按鈕無效。
集中手動控制：此控制模式下，各泵控制柜的模式開關(guān)在遠(yuǎn)方狀態(tài)，各泵的啟?；ゲ魂P(guān)聯(lián)，啟停操作在上位機(jī)上點(diǎn)動相應(yīng)按鈕執(zhí)行。同時上位機(jī)上顯示各泵的工作狀態(tài)。
集中自動控制：此控制模式下，各泵控制柜的模式開關(guān)在遠(yuǎn)方狀態(tài)，各泵的啟停不受人為控制，泵的狀態(tài)由PLC內(nèi)設(shè)定的程序及參數(shù)自行控制。上位機(jī)上顯示各泵的工作狀態(tài)。
系統(tǒng)自動模式詳細(xì)分解（以水池液位控制為例）：首先確定系統(tǒng)處于集中自動控制模式下。確認(rèn)6個液位的設(shè)置參數(shù)符合實際要求。系統(tǒng)根據(jù)實際測量的液位自動運(yùn)行，運(yùn)行模式如下：
1）、液位一液位較低，為保護(hù)水泵（缺水保護(hù)），當(dāng)水位由高水位回落至此水位以下時，系統(tǒng)自動停泵。
2）、液位二高于液位一，為啟動一臺泵的信號。
3）、液位三高于液位二，液位由液位二升至液位三，系統(tǒng)自動啟動第二臺泵。
4）、液位四高于液位三，液位由液位三升至液位四，系統(tǒng)自動啟動第三臺泵。
5）、液位五高于液位四，液位由液位四升至液位五，系統(tǒng)自動啟動第四臺泵。
6）、液位六為較高液位，液位由液位五升至液位六，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警信號。提醒用戶液位超高（警戒水位報警）。
7）、先進(jìn)、二、三、四臺泵并非對應(yīng)1#、2#、3#、4#泵。系統(tǒng)根據(jù)啟動的次數(shù)自動輪換起泵，先進(jìn)次起泵先進(jìn)、二、三、四臺泵對應(yīng)泵為1#、2#、3#、4#泵。第二次起泵先進(jìn)、二、三、四臺泵對應(yīng)泵為2#、3#、4#、1#泵。第三次起泵先進(jìn)、二、三、四臺泵對應(yīng)泵為3#、4#、1#、2#泵。第四次起泵先進(jìn)、二、三、四臺泵對應(yīng)泵為4#、1#、2#、3#泵。當(dāng)其中的一臺泵發(fā)生故障時，立即切換下一臺泵自動投入運(yùn)行。
8）、液位是否到達(dá)的狀態(tài)由液位指示燈顯示，藍(lán)色表示未到達(dá)，紅色表示到達(dá)。液位的設(shè)定值由每液位指示燈右側(cè)的數(shù)值顯示器顯示。
9）、無論控制模式處于何種模式，各泵的運(yùn)行都進(jìn)行累計計時，計時時間顯示在如圖所示的控制柜右側(cè)。
5、電動閥門的控制，若閥前安裝電動閥門，每臺電動閥門與對應(yīng)的水泵連鎖，啟動每臺水泵前先開啟閥門，閥門完全打開后延時設(shè)定時間運(yùn)行水泵，水泵運(yùn)行設(shè)定時間后關(guān)閉閥門。
6、格柵的控制，若該系統(tǒng)安裝格柵，則根據(jù)時間控制格柵機(jī)的運(yùn)行，格柵系統(tǒng)每隔60min運(yùn)行一次，運(yùn)行時間20min。
7、啟閉機(jī)，由于啟閉機(jī)處于常開狀態(tài)，僅檢修時需要關(guān)閉，故啟閉機(jī)沒用自動控制，僅手動控制即可，監(jiān)控系統(tǒng)僅對其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控及手動開閉操作。
8、壓實機(jī)（輸送機(jī)），若系統(tǒng)安裝壓實機(jī)，壓實機(jī)與格柵聯(lián)動，格柵運(yùn)行時壓實機(jī)運(yùn)行，格柵停止運(yùn)行后延時設(shè)定時間，壓實機(jī)停止運(yùn)行。
9、厭氧池及氧化溝內(nèi)設(shè)備，根據(jù)時間控制污泥和水進(jìn)入?yún)捬醭兀ㄟ^潛水?dāng)嚢杵鞯牟煌嚢璨⑦M(jìn)行1-2小時的氧化。污泥和水在潛水推流器的作用下，在氧化溝內(nèi)不斷地移動并進(jìn)行氧化，在自動模式下系統(tǒng)根據(jù)污水處理廠的工況及工藝參數(shù)由PLC根據(jù)預(yù)先編制好的程序來完成對設(shè)備的操作。
四、系統(tǒng)選型
在整個監(jiān)控系統(tǒng)的“心臟”——工業(yè)可編程控制器PLC的選型方面，我們經(jīng)過反復(fù)、多次地比較發(fā)現(xiàn)，西門子公司的S7系列PLC正是我們所追求的高性價比的PLC產(chǎn)品：
性能可靠：性能上完全滿足和超越設(shè)計要求；
使用成熟：在供排水行業(yè)，電力、污水處理等行業(yè)應(yīng)用；
性價比高：與其他公司PLC相比；具有品牌和質(zhì)量優(yōu)勢；價格適中；
網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大：這也是品牌的特點(diǎn)和優(yōu)勢；
升級方便：從技術(shù)上可以隨時升級。
五、系統(tǒng)功能
本控制系統(tǒng)具有保護(hù)、控制、測量、信號采集及故障記錄等功能，這些保護(hù)按常規(guī)配置，控制有手動和自動控制功能，具有聯(lián)鎖裝置。測量包括電氣測量和非電氣測量。信號采集主要是保護(hù)裝置的動作信號、設(shè)備故障信號及其它接點(diǎn)信號。
控制系統(tǒng)采用可編程序控制器PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)控制?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)對整個系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)視、管理、自動順序控制，并可實現(xiàn)遠(yuǎn)方手動即軟手動操作。
控制方式使用一臺上位機(jī)操作站作為操作平臺。通過上位機(jī)顯示畫面對各個泵站進(jìn)行監(jiān)視和控制，淘汰了傳統(tǒng)的儀表盤臺和按鈕控制。所有運(yùn)行參數(shù)、報警信號均應(yīng)能打印記錄。
系統(tǒng)采用自動程序控制、就地操作相結(jié)合的控制方式。圖控軟件能顯示各個泵站的工藝流程及測量參數(shù)、控制方式、順序運(yùn)行狀態(tài)、控制對象狀態(tài)等，并能對參數(shù)進(jìn)行成組顯示、趨勢曲線顯示和棒圖顯示。當(dāng)參數(shù)越限報警、控制對象故障或狀態(tài)變化時，能以不同顏色進(jìn)行顯示。
系統(tǒng)中硬件方面的所有模件是插接式的，便于更換。系統(tǒng)中任一模件的故障，不影響其他模件的運(yùn)行。系統(tǒng)具有自診斷功能，診斷至I/O模件級。在程控系統(tǒng)故障時，能及時給出LED自診斷故障顯示和音響報警。
軟件方面，其操作界面簡單明了，仿真效果好，所有電機(jī)成顏色、動態(tài)顯示其狀態(tài)，管路有水流效果，液面有升降效果。操作人員能夠及時查詢一次設(shè)備狀態(tài)，并可以人工打印、存儲數(shù)據(jù)。能夠顯示事件信息，事件列表，并提供了各種查詢手段，還可以進(jìn)行人工置數(shù)操作，報警確認(rèn)操作，可以顯示在線曲線和歷史曲線，顯示歷史報表，并且能夠打印。
六、詳細(xì)技術(shù)規(guī)格
1系統(tǒng)要求
1.1系統(tǒng)要求
⑴高可靠性
從污水處理廠的工作狀況來看，現(xiàn)場控制設(shè)備的工作環(huán)境比較差，污水處理廠的自動控制方案設(shè)計應(yīng)使系統(tǒng)能長期穩(wěn)定可靠運(yùn)行，做到免維護(hù)或少維護(hù)。
⑵先進(jìn)性
因為科學(xué)技術(shù)在發(fā)展，污水處理廠自動控制系統(tǒng)，不僅要代表當(dāng)今的科技水平，還要力爭在五至十年內(nèi)不落后。
⑶開放性
自動控制系統(tǒng)，對用戶徹底開放。所有硬件接口，軟件協(xié)議全部按開放性的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計、編制，為用戶今后系統(tǒng)的擴(kuò)展，提供硬件和軟件保證。
⑷實用性
操作方便、簡單易學(xué)、界面清楚、功能實用。在大方、美觀的前提下，讓用戶感受到真實情況，全功能的漢字處理和顯示。
⑸規(guī)范化
方案設(shè)計、設(shè)備選型、圖紙設(shè)計、軟件設(shè)計、設(shè)備安裝、系統(tǒng)調(diào)試等過程中，都嚴(yán)格按照國家相關(guān)質(zhì)量體系執(zhí)行。
1.2控制方式
控制方式，本系統(tǒng)控制方式分為：就地控制、集中手動控制、集中自動控制（不作贅述，詳見“系統(tǒng)邏輯功能”）。
2系統(tǒng)組成
2.1現(xiàn)場控制單元
現(xiàn)場控制單元采用可編程邏輯控制器，主要完成下述4項主要功能：
過程信號采集
過程信號輸出
過程自動控制
傳送采集數(shù)據(jù)到觸摸屏
擴(kuò)展功能及通訊接口
2.2進(jìn)入優(yōu)先級
系統(tǒng)操作員和用戶進(jìn)入系統(tǒng)要使用密碼。
系統(tǒng)提供分級的用戶進(jìn)入密碼系統(tǒng)，所以低級操作員只能進(jìn)入基本操作功能，同時較高級別的操作人員，按照不同的密碼，可進(jìn)入不同的系統(tǒng)組態(tài)功能。一旦系統(tǒng)操作員提供了正確的密碼，他可以修改他的密碼，而他的權(quán)限不會發(fā)生變化。
2.3過程顯示
過程畫面應(yīng)按照泵站的構(gòu)筑物的走向進(jìn)行組態(tài)，以方便操作員的操作。
系統(tǒng)提供多幅現(xiàn)場區(qū)域畫面。命令行用于發(fā)出命令。過程畫面可顯示的動態(tài)值。每個過程畫面上可顯示多個動態(tài)值。
模擬數(shù)值以數(shù)字方式顯示。例如：液位應(yīng)在畫面中按照實際的情況進(jìn)行變化。開關(guān)量，例如：泵的運(yùn)行情況，利用泵圖形的變化來表示。
系統(tǒng)較慢每1秒鐘更新過程信息。畫面的刷新時間不小于1秒鐘。
2.4報警信號
（1）污水處理廠的報警信號可由PLC柜或上位機(jī)及馬賽克屏發(fā)出。
（2）報警信號分聲、光二種報警。
1.聲報警：由安裝于PLC柜中的蜂鳴器發(fā)聲并由人工消音。
2.光報警：在操作界面上以醒目的顏色閃爍顯示。
（3）報警信號是由PLC的開關(guān)量輸出通過繼電器動作來驅(qū)動的。
2.5故障/錯誤信息和確認(rèn)
運(yùn)行過程中一旦產(chǎn)生故障，各自的區(qū)域顯示就會閃爍，并顯示一組報警。操作員通過指南信息，被引導(dǎo)至故障產(chǎn)生處的畫面，操作員可確認(rèn)故障。
確認(rèn)的故障/錯誤不可取消，而采用靜態(tài)顯示。只有故障/錯誤被取消/復(fù)位之后，畫面將返回正常運(yùn)行狀態(tài)。
3主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)
3.1現(xiàn)場控制單元（PLC）
現(xiàn)今世界，能源問題已成為制約經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的核心因素，康卓科技一直致力于改善客戶在電力領(lǐng)域的績效和日常生活水平。作為能源優(yōu)化領(lǐng)域的世界領(lǐng)先企業(yè)，康卓電氣集團(tuán)業(yè)務(wù)包括5大市場：能源和基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)、數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)、樓宇以及住宅等領(lǐng)域提供產(chǎn)品和服務(wù)。
德國西門子（SIEMENS）公司生產(chǎn)的可編程序控制器在我國的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，在冶金、化工、印刷生產(chǎn)線等領(lǐng)域都有應(yīng)用。西門子（SIEMENS）公司的PLC產(chǎn)品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，HMI人機(jī)界面，工業(yè)軟件等。
西門子S7系列PLC體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強(qiáng)，可靠性更高。S7系列PLC產(chǎn)品可分為微型PLC（如S7-200），小規(guī)模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。
S7-300是SIMATIC控制器中銷售量較多的產(chǎn)品，它已成功地用于范圍廣泛的自動化領(lǐng)域。S7-300 的重點(diǎn)在于為生產(chǎn)制造工程中的系統(tǒng)解決方案提供一個通用的自動化平臺。這就是說，S7-300 是用于集中式或分布式結(jié)構(gòu)的優(yōu)化解決方案。堅持不懈的創(chuàng)新和改革使S7-300這個廣泛應(yīng)用的自動化平臺能持續(xù)不斷的升值概述。
SIMATIC S7-300 的大量功能支持和幫助用戶進(jìn)行編程啟動和維護(hù)
高速的指令處理：0.6~0.1μS的指令處理時間在中等到較低的性能要求范圍內(nèi)開辟了全新的應(yīng)用領(lǐng)域。
浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算：用此功能可以有效地實現(xiàn)更為復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算。
方便用戶的參數(shù)賦值：一個帶標(biāo)準(zhǔn)用戶接口的軟件工具給所有模塊進(jìn)行參數(shù)賦值，這樣就節(jié)省了入門和培訓(xùn)的費(fèi)用。
人機(jī)界面 (HMI)：方便的人機(jī)界面服務(wù)已經(jīng)集成在S7-300 操作系統(tǒng)內(nèi)。因此人機(jī)對話的編程要求大大減少。SIMATIC人機(jī)界面(HMI)從S7-300中要求數(shù)據(jù)，S7-300按用戶指定的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)。S7-300操作系統(tǒng)自動地處理數(shù)據(jù)的傳送。
診斷功能： CPU的智能化的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常、記錄錯誤和特殊系統(tǒng)事件
(例如：超時，模塊更換，等等)。
口令保護(hù)：多級口令保護(hù)可以使用戶高度、有效地保護(hù)其技術(shù)機(jī)密，防止未經(jīng)允許的復(fù)制和修改。
操作方式選擇開關(guān) ：操作方式選擇開關(guān)像鑰匙一樣可以拔出，當(dāng)鑰匙拔出時，就不能改變操作方式。
SIMATIC S7-300具有多種不同的通訊接口：
多種通訊處理器用來連接AS-i接口、PROFIBUS和工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)
通訊處理器用來連接點(diǎn)到點(diǎn)的通訊系統(tǒng)
多點(diǎn)接口(MPI)集成在CPU中，用于同時連接編程器、PC機(jī)、人機(jī)界面系統(tǒng)及其他SIMATICS7/M7/C7等自動化控制系統(tǒng)。這是一個經(jīng)濟(jì)而有效的解決方案；方便用戶的step7的用戶界面提供了通訊組態(tài)功能，這使得組態(tài)非常容易、簡單。
4、柜體
4.1概述
所有的機(jī)柜都統(tǒng)一的外形，每個機(jī)柜有20％的預(yù)留空間，以便遠(yuǎn)期擴(kuò)容和增加元件，機(jī)柜的結(jié)構(gòu)和所有內(nèi)部連線符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的具體要求。所有機(jī)柜裝配完整，所有電氣工作，符合電氣規(guī)范的應(yīng)用要求。各機(jī)柜及操作臺均放置在室內(nèi)。
4.2 溫度控制
為了保持柜內(nèi)溫度低于各元件允許的較高溫度，提供強(qiáng)制的通風(fēng)。留有通風(fēng)孔和安裝強(qiáng)制通風(fēng)的風(fēng)扇。
4.3柜體的結(jié)構(gòu)
用2MM厚鋼板制成，前面開門，內(nèi)部電氣安裝至安裝板上，制作安裝底座便于安裝。
4.4柜體表面處理
外表面涂電腦色，桔皺烘漆，內(nèi)部安裝板、支架等均鍍鋅處理。
4.5銘牌
柜體有明顯的標(biāo)記，柜內(nèi)每一個元器件都標(biāo)記明確。
4.6柜體內(nèi)電氣內(nèi)部線路：
1. 電源線和控制線為銅線，線面積不小于1.0mm2。
2. 線槽填充度不超過60％。
3. 提供帶有接地線的220V AC電源插座，每個需要220VAC電源的設(shè)備，提供帶有地線的接頭，用于連線，盤內(nèi)無暴露在外的端子相接觸。
4. 端子板：
提供充足的端子，滿足目前和20％的余量，將盤內(nèi)備件和端子板連好線。
提供螺栓壓緊：耐壓要求不小于500V。
在端子板底部有一個標(biāo)記并且還有一個貫穿整個端子板標(biāo)記條，上面用不同號碼標(biāo)記每個端子，號碼為打印的。
按照所需的尺寸和型號的線選擇端子板，端子板標(biāo)志清晰，用打印的標(biāo)志號標(biāo)出可使用的系統(tǒng)。
現(xiàn)場連接的端子板將作為現(xiàn)場柜的一部分。
5.為了安全起見，每個回路有斷路器或熔斷器保護(hù)；220VAC的回路裝斷路器，能承受250V，2500A的短路容量，且?guī)в心薀糁甘荆?4VDC回路為快速響應(yīng)的玻璃管式熔斷器，對于4～20m ADC回路為1A，用于單獨(dú)儀表供電為3A。
蘇公網(wǎng)安備 32011602010312號
