冗余PLC在大中型污水处理厂滤池控制的应用

李艳

(广州东芝白云自动化系统有限公司，广东 广州 510000）

位于山西某城市的污水处理厂，一期已经在运行，二期进行扩建，扩建后的处理规模在原来的基础上有较大的增加，在生化池后用D型滤池进行处理。本项目的自动化控制系统采用了施耐德的大型PLC QUANTUM系列，并做了冗余处理，本文主要介绍了此类PLC的实际应用。

1 概况

原一期工程投入运行已超过10年，日处理10万吨污水的能力已不能满足城市发展的实际需求。为适应城市扩张和城镇化水平提高的需求，对主城区污水处理厂进行扩建，改扩建后规模为20万m3/d，其中对一期工程改造规模为10万m3/d，扩建二期工程规模为10万m3/d，排放标准为国家一级A。

自控系统包括相关部分控制箱（柜）供货、安装指导、调试、试运行；计算机控制网络工程的供货、安装指导、调试、试运行；系统电缆连接和接地，专用电缆（光缆、总线电缆、电视监控系统电缆）供货及敷设，应用软件的编制和调试；包括各级网络上连接的所有设备（网络、计算机、电气系统、控制设备的接口、现场控制站、仪表及附件）的连接。

监控计算机可以对其进行组态、编程、调试及试运行等。

2 系统构成

2.1 系统概况

计算机监控及数据采集系统具有集中监视、分散控制的功能。全厂设置一套中央控制系统和5个PLC控制主站及各下属分控子站。中央控制系统和PLC控制站之间采用1 000 M工业以太环网通讯，通讯介质为光缆，具备冗余能力。PLC控制站与控制设备之间采用DI/DO/AI/AO方式连接，与其他第三方自带控制系统采用总线、以太网方式通讯。

PLC采用施耐德Modicon Quantum系列PLC，实现双机热备的功能。冗余PLC采用主、从控制器，并配备各自独立的电源、通讯模块。PLC各本地I/O和远程I/O站采用M340系列，能够实现各模块热电插拔功能，具有较高的性价比。

现场控制主站和现场分控子站之间的通讯采用以太网通讯，稳定可靠。

整个系统的配置构成如图1所示。

图1 系统配置构成

2.2 控制模式要求

设备的控制方式共三种。

手动控制方式：通过就地控制箱或MCC上的按钮实现对设备的启停操作；远程手动控制方式：操作人员通过工作站的监控画面用鼠标或键盘来控制现场设备；自动控制方式：设备的运行完全由各PLC根据污水厂的工况及工艺参数来完成对设备的启停控制，而不需要人工干预。

三种方式的控制级别由高到低依次为：手动控制、远程手动控制、自动控制。

2.3 系统功能

（1）中央控制站功能。中央控制站的功能是对全厂的生产运行情况进行监控，通过中央控制室监控计算机，可对全厂的生产运行进行管理。操作人员可以在中央监控计算机上查看全厂实时工艺流程状况、实时监测数据；监控设备、调整工艺运行参数；生成各类报表、查询实时曲线和历史曲线、历史记录和报警等。

（2）现场控制站功能。现场各控制站的主要功能是采集现场各类设备的运行数据和仪表监测数据，传送至中央监控系统进行显示和处理，并由PLC进行设备自动控制和调节，或接收从中央控制站发出的命令，从而达到自动进行工艺运行的目的。

3 D型滤池控制方案

通过上位机可设定滤池的控制模式，分别为远程手动（上位机点动操作设备）、远程自动（PLC的程序根据设定好的参数和仪表、设备数据自动控制设备）、远程自动又划分为半自动（需操作人员在上位机点击所需要的功能按钮）、全自动（控制过程不需人工干预，完全由PLC控制）。

自控系统对每组滤池的滤格控制划分为过滤模式、反冲洗模式以及停止模式。

操作人员通过上位机控制滤格进入半自动过滤模式，PLC判断过滤条件满足（相关的阀门远程控制且无故障、滤格液位没有高报警（可设定）），相应的滤格进入到过滤阶段时，进水闸门打开，出水阀门打开。如果滤格处在全自动过滤模式，除了进水闸门、出水阀门被控制打开以外，同时自动过滤周期（T0，可设定）也开始计时。

滤格处于半自动过滤模式时，如果需要对滤格进行反冲洗，则操作人员可通过在上位机点击滤格的反冲洗启动按钮进入反冲洗模式，PLC判断反冲洗条件是否满足（无滤格正在反冲洗、相关的阀门远程控制且无故障、反冲洗水泵远程控制且无故障、反冲洗风机远程控制且无故障、反冲洗水泵出口压力无高报警（可设定）、反冲洗风机出口压力无高报警（可设定）），滤格进入到反冲洗阶段。

（1）反冲洗启动，速降排水阶段，关闭进水闸门，当滤格的液位下降到一定值（M0，可设定），关闭出水阀门，开启排水阀门，结束速降排水阶段。

（2）进入气冲洗阶段，打开气冲阀门，打开反冲洗风机阀门，在阀门开到位后，开启一台反冲洗风机；气冲洗阶段（T1，可设定）计时，T1时间过后，结束气冲洗阶段。

（3）进入气水联合冲洗阶段，打开水冲阀门，开启一台反冲洗泵，间隔10 s后打开反冲洗泵阀门；气水联合冲洗阶段（T2，可设定）计时，T2时间过后，结束气水联合冲洗阶段。

（4）进入水冲洗阶段，关闭反冲洗风机，隔20 s后关闭气冲阀门，关闭反冲洗风机阀门；水冲洗阶段（T3，可设定）计时，T3时间过后，结束水冲洗阶段。

（5）进入排气阶段，关闭水冲阀门，关闭反冲洗泵阀门，间隔10 s后停止反冲洗泵，打开排气阀；排气阶段（T4，可设定）计时，T4时间过后，关闭排气阀和排水阀。排气阶段结束，反冲洗过程结束。

滤格处于半自动控制模式，滤格反冲洗过程结束后，滤格处于停止状态，等待操作人员的下一步指令。滤池反冲洗间隔时间（T5，可设定）计时，在此时间内，不能进行同一组滤格的反冲洗操作。

当操作人员设置滤格为全自动控制模式时，滤池会首先进入到自动过滤周期（T0，可设定），T0时间结束后，滤格发出反冲洗申请，相关的条件满足时，滤池自动进入到反冲洗过程。滤池反冲洗过程结束后，自动进入到过滤周期。滤池反冲洗间隔时间（T5，可设定）计时，在此时间内，不能进行同一组滤格的反冲洗操作。

D型滤池共由两组，每组由12个滤格构成，同一时间之内只能允许同组滤池的一个滤格进行反冲洗。反冲洗过程中由对应的反冲洗风机和反冲洗水泵启动运行，2#反冲洗风机和2#反冲洗水泵作为备用，可选择投入到哪一组进行反冲洗。

4 总结

污水处理厂的滤池一个有24格，分成两组运行，流程较为复杂，滤池内的设备动作较多。冗余PLC的配置很好地保证了复杂工艺段的设备自动控制运行，在一个CPU出现故障的情况下，立即切换到另外一个备用CPU，因此即便在工况恶劣的环境下，也能够确保24格滤池的正常运转。同时，热插拔的模块设置也可以在出现故障的情况下迅速地用备件进行更换，降低对日常生产的影响。

[1]GBJ93-86工业自动化仪表工程施工及验收规范.

[2]GB18918-2002城镇污水处理厂污染物排放标准.

[3]施耐德PLC在污水处理控制系统中的应用. 自动化应用.