★王云伟，白彩凤（北京碧水源科技股份有限公司，北京102206）

摘要：本文通过采用贝加莱X20PCC系统架构完成了对无锡硕放污水处理厂自动化系统的改造，解决了本水厂控制设备多、控制条件复杂、采集数据量大的问题，最终达到了水厂扩容的目的；同时提高了此污水处理厂的自动化程度、自控系统稳定性、自控系统兼容性，并且对人力运营成本有一定的降低。

关键词：污水处理；X20

1 项目概况

无锡硕放污水处理厂位于无锡硕放镇，该污水处理厂原有处理站一座，但由于是早期建造，因而自动化程度不高、水质差，并且不能满足现日益增加的日处理量。为了提高出水质量，并考虑到节省人力和以后进一步扩容的需要，亟需一套完整的先进的综合程度较高的污水处理方案。该项目采用“A2O+MBR”工艺改造原传统工艺，新工艺主要由预处理单元、生化单元、MBR单元、鼓风机曝气单元、出水消毒单元及污泥处理单元六部分组成，其中预处理单元包含粗格栅、细格栅、提升泵、膜格栅等；生化单元包含厌氧区、缺氧区、好氧区和低氧区等；MBR单元包含膜池及设备间；鼓风机曝气单元主要实现对生化单元和MBR单元的曝气吹扫功能；污泥处理单元主要用于污泥脱水处理。具体工艺流程如图1所示。该工艺与传统处理工艺比较，电气设备多，控制复杂，采集数据较多。因而需要一套稳定的、较为先进的自控系统配合。

图1 工艺流程图

2 网路结构

根据整个工程的建筑物及水处理的工艺设备布置情况，主要分为三级控制系统：现场监控级、车间监控级、厂级管理级。其层级关系如图2所示。

现场控制级主要是对现场工艺设备进行运行状态的采集和设备启停的控制，其控制逻辑取决于下位机系统的逻辑程序。车间监控级主要是对膜池设备间系统的监控，其存在值班室，用于就近系统的集中监视和控制。厂级管理级用于整个水厂工艺系统的整体监控，从而了解整个水厂的运行情况。工业以太网用于厂级管理，车间级控制系统的操作员站和主控制站之间的连接；贝加莱X2X总线和西门子PROFIBU-DP现场总线用于主控制站站内与主控制站和子控制站之间的连接。

图2 网络层级关系图

本项目的自控系统分为中央控制系统、次级控制系统、现场控制系统三部分。

中央控制系统简称为中控室系统，其主要作用是对全厂设备间运行情况的监视和控制，其主通过上位机实现全厂整个工艺流程的运行情况，同时也包含了报警系统、报表系统、历史数据系统等，为了更好地用户体验，中控室引入了宽屏电视、打印机、UPS供电等设备。本系统主要是用于对全厂的统筹管理与值班使用，方便运营者的集中管理、集中监控。次级控制系统称之为分控室系统，其位于现场设备间附近，与中控室系统距离较远，用于对此设备间附件的设备进行集中监控和值班。分控室系统的值班人员由于距离现场比较近，因此在出现事故时可以及时去现场进行处理，降低事故所造成的损失。中控室系统和分控室系统示意图如图3所示。

图3 中控室系统和分控室系统示意图

现场控制系统主要是数据采集和设备联动控制，其主要依赖于下位机的逻辑程序。现场控制系统示意图如图4所示。其主要分为开关量的数据采集与控制、模拟量的数据采集与控制和通讯仪表的采集三部分。此外通过各现场控制站之间的通讯工作可以实现各站之间的设备联动，最终使整个水厂设备浑然一体。

图4 现场控制系统示意图

3 硬件配置

贝加莱PCC系统具有强大的功能，优良的性能，良好的耐恶劣环境的能力。新一代的X20系统能够胜任中大型的集散控制和复杂的过程控制。其良好的兼容性、强大的通讯能力、优良的实时性、丰富的功能函数、品种繁多的硬件模块、多种编程语言的使用等，使贝加莱PCC能够广泛适应各种工业控制的需要。贝加莱PCC系统在国内自控行业应用较少，在污水处理行业应用更少，近期贝加莱推出X20 PCC系统，它与以前的同级PCC系统相比其灵活的编程方法是其他PCC无法比拟的，并且其体积小重量轻，支持热插拔。在通讯方面除支持CAN、Profibus、Ethernet、Ethernet Powerlink等外，还可以通过插入第三方模块扩展。贝加莱PLC系统不仅支持常见编程语言，如梯形图、指令表、文本ST、Automation Basic等更为值得一提的是其可以通过C语言编辑自己的通讯协议来满足特殊需要，而在污水处理应用中由于是集成各个厂商的设备进行集散式控制，要求设备之间有良好的兼容性，不同通讯协议间的数据转换及传输问题变得突出，而贝加莱PCC支持C语言编程能够很好地解决这个问题。

设备的选型和配置：自控系统PCC采用贝加莱X20系列的X20CP1484 PCC和西门子S7-200。本系统主要包含鼓风机房站、设备间站、臭氧设备间、污泥脱水机等系统的配置。限于篇幅原因，本文只列举了两类站点的配置。

（1）鼓风机房站、设备间站系统作为主站，通过以太网的方式全厂主网络链接，其配置如表1所示。

表1 主站配置

由于鼓风机房站、设备间站配置相似，只是点数不同而已，因此这些站点的配置仅是数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块及这些模块的辅助配件不同而已，因此这里并没有标明数量。

电源模块主要是对本底板进行供电，同时对于此

底板上的模块、CPU进行一定功率的供电，来保证此次底板上的模块、CPU之间的用电。

CPU模块用于存储和运行工程师所编写的逻辑程序，并且其自带的以太网口承担了与全厂主网络通讯的功能。

接口模块用于扩展底板或远程站点使用，即当本地底板插口用完或者需要进行远程扩展时底板时使用此模块可以进行通讯，来完各底板之间的通讯链接，从而保证各个底板模块与CPU之间的链接。

数字量输入模块用于采集现场的开关量信号，即获取现场设备的开关量状态。

数字量输出模块用于控制现场的开关量信号，即控制现场设备的启停、开关等。

模拟量输入模块用于主要用于采集现场的仪表信号，大部分采用4~20ma的形式，通过工程量的转换来获取仪表的工程值。

模拟量输出模块用于输出4~20mA的电流，从而控制频率、开度等信号。

（2）细格栅站、除臭间等系统为了节约成本，采用西门子S7-200系列PLC，其通讯方式采用DP总线，以DP从站的形式链接到PCC系统，从而间接接入到全厂主网络中。其配置如表2所示。其模块功能相似，仅型号和性能不同，因此不再赘述。

表2 各模块配置

4 主要控制方案及实现方法

4.1 控制模式的要求

4.1.1 就地/远程控制模式

（1）就地手动控制

就地控制级别为最高级。当控制柜上方式选择开关被切换到就地控制时，PCC将不对该设备进行控制，只进行状态监视，现场操作人员通过控制柜上手动按钮启动停止设备，控制柜提供基本控制联锁。

（2）就地远程切换

当控制柜上方式选择开关被切换到远程（自动）控制时，现场手动就不起作用了，其现场控制权，交由上位机控制。

4.1.2 上位机控制模式

（1）远程手动控制

控制室操作人员可根据现场情况向下发出调度控制指令，调整设备运行状态达到工艺要求。控制室操作人员也可以选择远程手动方式，直接手动控制单个现场设备。

（2）远程自动控制

按PCC程序联动、联锁等各种逻辑关系控制设备的启动停止。

4.2 主要设备控制方案

4.2.1 格栅

（1）手动控制：单台粗格栅进行启动、停止操作。

（2）自动控制：有两种运行方式。

·本地方式：由本地控制柜内设定一个时间周期

（运行时间和待机时间需设备安装后现场调试时确定），粗格栅定时开启进行清渣。

·远程方式：由PCC根据程序的时间设定和前后液位差来决定粗格栅的开启和停止。

4.2.2 提升泵（三用一备，软启）

（1）现场控制：按钮选择现场控制则为手动控制，不接受PCC控制，按控制柜上开车按钮，提升泵启动工作。选择停止按钮时设备停止运行。

（2）远程方式：由提升泵依据集水池和膜池液位自动起停开启台数。

4.2.3 MBR池产水

系统由膜池和辅助设备间两个单体组成，整个系统控制由以下4个子控制系统组成：

（1）产水系统：由产水流量计给出信号，PCC采集流量值，通过PID方式控制产水。该系统又分为4个相对独立的产水系统，并联运行。共用抽真空泵及在线清洗系统。

（2）反洗系统控制：由PCC控制全自动的在线反洗程序，该系统4个出水廊道共用一套反洗系统。

（3）在线清洗系统控制：按膜污染情况在线完成。

（4）在线加药系统控制：按水质自动在线加药。

4.2.4 设备间

渗透抽吸泵受膜池液位和提升泵房集水池液位控制，当膜开始产水，产水阀门打开，渗透抽吸泵启动工作；当膜池低液位时，膜停止产水，渗透抽吸泵停止工作产水阀关闭。

产水流量受频率控制，进行产水。

膜组在产水过程中，气动产水调节阀开启，水反洗阀、真空阀、化学反洗阀关闭。

产水泵的控制

·产水泵远程控制：按钮选择远程控制按钮，接受中央PCC控制。

·产水泵现场控制：按钮选择现场控制则为手动控制，不接受PCC控制，按操作柱上开车按钮，产水泵启动工作。

4.2.5 鼓风机

每台鼓风机配备软启，5用2备。

控制方式：现场手动（中控室显示其运行状态）。

控制室监控：鼓风机运行状况。

鼓风机有过流保护或软起动器故障报警。

4.2.6 加药间

·卸料泵现场采用手动控制（中控室显示其运行状态）。

·加药间有高低液位自动控制或人工现场控制。

·低位停止PAC计量泵；每个PAC溶液罐设高低2个液位，高低位报警；止溶解罐搅拌桨；

·每个PAC溶解罐设1个低液位，低位报警，并停

·助凝剂溶液罐设高低2个液位，高低位报警；低位停止助凝剂投加计量泵；

·助凝剂溶解罐设1个低液位，低位报警，并停止溶解罐搅拌桨；甲醇溶液罐设高低2个液位，高低位报警；低位停止甲醇计量泵。

4.3 上位机系统

4.3.1 控制功能

在中控室设置了两台工控计算机、一台激光打印机、不间断电源（UPS）等，并配套了相应的操作系统系统软件、组态软件、编程软件和应用软件。

工控计算机主要通过数据通讯网络连续采集各PLC控制站送来的数据，并对其进行处理、存储和显示，同时也具备对下位设备施控的功能。工控计算机带有21"的彩色液晶监视器用来显示工艺流程、设备状态、过程参数和报警信息，同时可驱动打印机生成各类图表和事件报警。工控计算机可适合连续的工作条件。

不间断电源UPS用于停电情况下为监控计算机及打印机提供电源、记录事故参数。连续供电时间30分钟。

本工程中的工控计算机将与各PLC控制站通过以太网实现数据连接，数据传输速率为10/100Mbps。

4.3.2 显示功能

监控系统以图形或图像的方式形象显示工艺流程、各设备状态以及厂区概貌、工艺布置图。通过I/O输入输出域、棒图、曲线、数据表格等方式监视液位、流量等监控点。

4.3.3 报警功能

系统自动进行报警和事件处理。当报警发生时，如液位超高或过低，系统可快速检测并通过画面状态变化提示，并显示报警文本，同时发出声音报警提醒监控人员注意。报警到达时间、确认时间及排除时间、报警值、限位值、当前操作员等相应信息自动进入存档。报警到达以及报警确认但未排除，采用两种声音提示。报警可手动消音。报警信息存储半年以上，以便进行故障分析和查询。操作事件等状态变化也自动进行存储归档。

4.3.4 数据归档

流量、污水处理量等数值按定义周期自动进行存储。存储的数据可按曲线或数据列表的方式进行显示。并提供历史数据查询、ZOOM显示、观察线、在线关闭打开曲线、在线调整时间范围、在线修整显示模式等功能。存储数据可保存13个月。

4.3.5 报表功能

报表系统将把重要过程数据定时记录下来，写入数据库，形成数据库文档，运行人员可依据相应的要求打印或预览数据报表。

设定以下报表：

·生产报表

·日报表

报表既可以屏幕查看，也可以按要求打印输出。

4.3.6 用户管理

操作人员操作设备必须进行登录。根据不同操作人员的级别，系统自动判断封锁操作人员所能进行的操

作。当报警发生时，当前操作员被记录存档。系统根据用户名和密码显示和控制屏幕上的画面及操作。无权限的用户只能浏览画面，不能修改参数机设备控制。

5 总结

通过合理地使用贝加莱PCC系统，实现了大量数据的实时采集与设备控制，同时借助于贝加莱PCC的强加编程功能，完成复杂逻辑程序的编写及调试工作；分控室的设立，提高系统的稳定性同时降低事故损失。通过长期的使用，较好地实现了贝加莱PCC系统与西门子之间的总线通讯，保持兼容性的同时降低系统成本。

作者简介：

王云伟 （1974-），男，山西人，本科，现就职于北京碧水源科技股份有限公司，主要从事水处理电控系统工作。

参考文献：

[1] 安建峰. PLC自动化控制系统在污水处理厂中的应用[J]. 科学与信息化, 2017.

[2] 蔡晓萍. PLC控制系统在污水处理厂的应用[J]. 杭氧科技, 2019.

[3] 贝加莱. X20 System User´s Manual[Z]. 2016.

[4] 林兵. 贝加莱X20PLC作为控制系统通信网关的应用[J]. 自动化信息, 2010.

摘自《自动化博览》2022年10月刊