污水厂自控方案含详细设备及PLC配置.docx

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污水厂自控方案含详细设备及PLC配置

自动化控制系统目录

1概述

根据XXX城市总体规划，通过对污水量的预测，并结合城市发展前景，确定污水处理厂建设规模为：

设计规模2万m3/d。

根据污水量和投资状况，我方在进行系统组态时，将全厂作为一个整体来考虑，并可方便地扩展或升级。

系统选用符合国际标准的产品，其技术先进、结构开放，能够长期提供技术支持、备品备件有保障。

同时，还充分考虑经济适用性、节省投资和与远期工程的衔接，与远期公用的控制子站，控制点数一次考虑，远期独立的部分另设控制子站或远程控制单元。

本污水厂自控系统采用“集中管理、分散控制、数据共享”的分层、分布式的拓扑结构，符合当前工业自动化监测系统发展趋势，能够实现全厂工艺参数及设备集中监测和生产过程的自动控制。

系统包括：

满足要求的控制系统硬件设备、监控和编程软件、辅助装置以及操作台、控制箱柜等。

1.1设计原则

集中管理、分散控制、数据共享；

具有高度的开放性、可靠性、稳定性和安全性；

具有较强的兼容性、扩充性、可扩展性；

易于操作使用、可修改；

所有标志性、提示性、警告性、显示性的部分采用中文简体。

自控仪表系统必须在充分考虑本工程污水处理工艺特性的基础上，按照具有先进技术水平的现代化污水处理厂进行设计。

设计方案中，既要考虑操作、管理水平的先进性，同时也考虑到高新技术应用的合理性、经济性，在保证生产管理要求的前提下，尽可能节约投资，获得良好的技术经济指标，并能保证系统长期稳定高效地运行。

1.2自动化系统功能综述

根据XX污水厂2×104m3/d的设计规模和BAF工艺的特点，本着技术先进，性价比高，实用可靠的原则进行设计。

依据集中监测为主，分散控制为辅的基本原则，本工程采用PLC（可编程控制器）为基础的监测控制和数据采集系统，在中央控制室利用PC（工业级PC）机对厂内各工况进行实时监控，并有信号报警和联锁等设施以保证生产正常运行。

生产的过程自动控制采用独立控制，即设备控制层PLC各个子站与上位监控计算机相互独立，可以不依靠上位机独立运行，保证了生产过程的独立性和安全性。

本方案采用的集散型计算机控制系统设计方案满足如下要求：

（1）根据工艺流程及设备运行要求配置仪表、检测装置，建立监控系统；

（2）采用分散控制，集中管理的方式，建立污水处理厂中央控制系统，管理整个污水处理厂的运行；

（3）中控系统采用具有开放的符合TCP/IP协议的计算机网络，并可以与管理系统以及与上级系统和周边系统链接；

（4）主要机械设备的控制采用就地控制、现场控制、中央控制的三层控制模式，现场控制站设置PLC及控制操作人机界面；

（5）其它设备采用现场控制、中央控制的两层控制模式；

（6）在每个工艺节点处设置基于PLC的智能控制装置，各PLC之间及PLC与中央控制系统之间以高速数据通讯网络---光纤EtherNet（以太网）连接。

污水处理厂工程自动化系统实现的以下基本功能：

（1）具有实时监测全厂的生产过程参数（如流量、液位等）、水质参数（如PH值、SS、DO等）、电量参数（如电流、电压、功率因数、有功电度、无功电度等），并对其进行采集、处理、储存、显示和打印；实时监测全厂主要设备的运行状态（如格栅机、提升泵、鼓风机、阀门等），并对其信号进行采集显示。

对污水厂重要设备（如提升泵、鼓风机、阀门等）的开/关次数和运行时间进行累计并生成设备管理报表，使用户能够科学合理的安排生产设备检修时间。

（2）全自动控制现场设备（如格栅机、提升泵、鼓风机、阀门等）。

（3）在中控室可以实现对全厂设备和仪器仪表的监测和控制。

（4）上位机采用全中文操作界面。

界面友好美观，操作简便易学，响应迅速，可以实现实时动态显示过程参数、水质参数、电气参数的趋势图；可以动态显示全厂生产工艺流程图和各工艺单元流程图，并且可以在流程图上选择弹出多级细部详图。

具有自动生成各种生产统计报表。

（5）具有自动进行越限报警和设备故障报警，并可根据相应的报警数据进行分析。

具有故障追忆功能，能够自动记录系统或某台设备故障前和故障过程中的状态信息。

（6）本自控系统具有以下三种控制方式

手动模式：

通过就地控制箱或MCC上的按钮实现对设备的启停操作，这种操作模式主要在单机调试、单机检修或非正常情况下常用。

遥控模式：

操作人员通过操作面板或中控系统操作站的监控画面用鼠标器或键盘来控制现场设备，也称为“半自动控制”，主要是指操作人员通过对受控对象（系统或过程）的某一环节或设备进行简单的参数设定或发出控制指令，这一环节或设备即按照控制要求执行控制，操作人员只需查看其状态以及有无报警显示等。

如鼓风机远程风量调整、提升泵房的一步化控制等。

根据操作人员是否在受控系统或过程的现场来看，半自动控制有远程（通过中央控制室操作员站上实现）和就地（通过PLC控制柜上的人机界面触摸屏上实现）两种操作方式。

自动方式：

也称为“全自动控制”，主要是指操作人员通过对受控对象（系统或过程）的关键运行参数进行简单的设定或发出控制指令，系统或过程即按照要求进行闭环自动控制，操作人员只需观察系统或过程的状态以及有无报警显示等。

例如全自动粗格栅机控制、提升泵房的机组优化控制、BAF生化处理池自动控制等。

根据操作人员是否在受控系统或过程的现场来看，全自动控制有远程（通过中央控制室操作员站上实现）和就地（通过PLC控制柜上的人机界面触摸屏上实现）两种操作方式。

三种方式的控制级别由高到低为：

手动控制、遥控控制、自动控制。

1.3系统配置

1．3．1网络结构

在综合楼设立中央控制室，下设1#PLC预处理控制子站、2#PLCBAF生物滤池处理子站、3#PLC污泥脱水系统处理子站和4#PLC污中央控制处理子站。

PLC处理子站通过开放式的与商用以太网兼容的光纤EtherNet环网与1#、2#工作站相连接并通过工作站与上位管理系统相连。

在中央控制室可对主要设备实施开、停控制。

同时，设备运转状态也通过EtherNet送入上位计算机，在计算机上对全厂设备运转情况进行显示监控。

中央控制室还设置了以太网交换机，与厂级管理自动化层以太信息网络相连接。

自控系统配置两套互为热备的监控操作站、一台故障打印机、一台图表打印机。

中央控制系统下设两套现场控制站。

按照控制对象的功能、设备量，根据本厂工艺流程和平面布置图，设置现场控制站和中央控制室。

1．3．2具体配置（详细配置见附图一）

中央监控系统由两台配置了实时监控软件的工业计算机（互为热备）。

可编程序逻辑控制器（PLC）：

采用世界知名公司的最新产品。

选择货源充足中文资料丰富、备品备件方便，技术服务方便、国内有维修处的生产商的产品。

PLC的选型充分考虑其可靠性、先进性、可扩充性，应能满足中高控制性能的要求，能承受工业环境的严格要求。

平均故障间隔时间（MTBF）为15年。

根据标书技术指标和技术条件的要求以及设计者的总体考虑，优先选择Siemens公司的S7300系列PLC。

S7300系统提供的通讯接口有EtherNet、ProfiBus、RS485和RS-232等。

其工业总线-EtherNet可达100Mbit/s。

此外Siemens是世界上著名的自动化设备生产供应商，其PLC产品处于世界领先地位，可靠性极高。

在中国、在成都，用户可以得到完善地技术支持与服务。

本工程选用具有两个DP口的S7315-2DP作为主控制器，其主要功能模块为EtherNet通讯模块CP343-1、32点数字量输入模块SM321、16点数字量输出模块SM322、8点模拟量输入模块SM331、4点模拟量输出模块SM332等。

详细配置见附图一及设备一览表。

2控制流程图及各部分功能详述

2.1生产过程监测系统（中控室）

在办公楼设立中央控制室。

中央控制室内设有两台21”纯平高分辨率计算机工作站等，且两台计算机工作站互为备用（分为主操作站和备用操作站），其中主操作站安装有PLC编程软件，具有远程编程功能，程序可方便地通过网络分别下载到指定现场控制站，以便在调试过程中在中央控制室远程随时修改程序。

中央控制室可对整个分布式控制系统进行系统组态管理、系统监测、数据实时监测、显示、处理、控制各PLC子站的状态、通信、数据和信息等完成报警和报表打印，在厂级管理层可以通过Internet将结果、效益分析等发往有关部门。

中控子系统主要由以下几个部分组成：

1）二台配置了实时监控软件的工业计算机（互为备用）,工业控制计算机作为中控室人机接口，并通过网络适配器与工业控制系统及全厂管理网系统无缝链接；

2）用于与现场PLC子站相连的网络通讯接口适配器---以太网卡；

3）用于数据库的Data服务器；

4）报表打印机和事故报警打印机，互为备用；

5）以太网交换机；

6）办公打印机；

7）生产管理网使用的若干台电脑；

8）不间断UPS电源。

其主要功能：

远控各PLC现场子站，实时接收PLC采集的各种数据，建立全厂检测参数数据库，处理并显示各种数据；

监测全厂工艺流程和各细部的动态图形；

从检测项目中，按需要显示历史记录和趋势分析曲线；

重要设备主要参数的工况及事故报警、打印制表；

编制和打印生产日、月、年统计报表；

对各种数据实时存储；

实现通过服务器对工艺流程、历史记录、各种设备工作状态、报表等的浏览。

应用工程软件包括：

整个污水厂的监测控制、在线测试、离线测试、硬件测试软件、显示功能。

其主要完成以下功能：

完善的Internet功能；

采用标准的WindowsNT平台；

包含支持世界主要硬件厂商的各种网络驱动程序，支持Ethernet、现场总线监控；

有系统员和操作员安全保密功能；

支持1600×1280高分辨率彩色图形显示器；

支持各种Windows标准打印机及外围设备；

为了便于用户功能的定制，监控软件内嵌完全的VBA，而不只是VBA的一个子集；

能够支持友善的中文化界面；

支持开放的、符合ODBC特征的数据库，并能与编程软件及其他的专业数据库软件共享数据库；

为用户提供丰富方便的图形组态、系统组态功能，易于构成各种服务器、图形工作站；

丰富的报警功能、分析报表功能，在线编辑功能、打印功能。

实时数据、历史数据分析、综合功能，数据记录保存功能；

易于实现多用户、多任务、多终端；

在线、离线切换功能，自动手动切换功能。

中央控制室能随时监视整个污水厂的运行状态、显示各种检测值及参数，从图形、表格形式显示现行及历史值给因各种临界提示及错误、越限报警、显示及打印分板报表并通过Internet将结果、效益分析等发往有关部门。

中央控制室与厂级管理层之间采用100Mbps的以太网通讯，该网有E-mail功能，能向mailserver发送用户自定义信息，故障信息，状态信息等，通过网关（以太网交换器）或PLC可与其他控制网络、现场总线相连。

网络具备如下特性：

传输率：

100Mbps；

传输协议：

TCP/IP、UDP/IP、FTP；

传输距离：

双较线10Base-T--100米、光纤100Base-F—40Km；

传送媒体方式：

光纤；

通过PLC可与其它控制网络、现场总线相连；

不间断电源（UPS）：

为保证在供电发生意外时，系统能有足够的反应时间进行应急处理，设计上中央控制室和各子站均设有在线不间断电源（UPS），UPS为在线式运行，自动切换旁路工作，无切换时间。

2.2生产过程的监测（现场）与自动控制系统

2．2．11#PLC预处理控制站

1#PLC站位于预处理控制室内，其监控范围为：

粗格栅、细格栅、旋留沉砂池、反应沉淀池，实现方式为现场操作终端（触摸屏）+可编程序控制器（PLC）+仪器、仪表及变送器。

I、1#PLC站主要设备构成：

a）一台现场显示操作屏；

b）用于本站自动控制、工艺参数采集和网络连接的PLC系统，包括CPU模块、DI、DO、AI、AO模块和各种网络通讯接口适配器等；

c）过电压保护器以及各种隔离器。

PLC作为控制器，现场显示控制屏作为现场人机接口，完成对工艺参数，设备的运行状态、故障状态进行监测和控制。

通过网络把信号送中央控制室计算机操作站完成指示、记录、报表和报警打印等监控管理功能。

II、主要监控设备

序号

构筑物

测控设备

数量

单位

1

格栅间

粗格栅机

2

套

2

细格栅

2

套

3

螺旋输送机

2

套

4

液位差计

2

套

5

PH计

1

套

6

SS计

1

套

7

厂区污水池

潜水泵

2

台

8

液位计

2

套

9

沉砂池

电磁阀

6

只

10

砂泵

2

套

11

吸砂机

2

套

12

搅拌机

2

套

13

真空泵

2

套

14

砂水分离器

1

套

15

絮凝沉淀池

排泥电磁阀

6

只

16

刮吸泥机

2

台

17

排泥泵

2

台

18

超细格栅

2

台

19

压力表

2

套

20

超声波液位计

1

台

21

超声波液位差计

2

台

III、实现的主要功能

本单元应实现以下一些主要功能：

1）根据粗格栅运行时间周期控制格栅机的启停；

粗格栅属于拦污设备，安装在泵站污水池的进口出，其主要作用是去除污水中较大的悬浮或漂浮物，以减轻后续污水处理负荷，并起到保护水泵、管道、仪表等作用。

粗格栅的运行是通过定时控制，比如每隔30分钟（可以设定）粗格栅运行5分钟，间隔时间和运行时间均可调；并检测格栅前的液位，设置上限报警。

经粗格栅拦截下来得悬浮物或漂浮物由除污耙把它们清除至螺旋输送机将其运走。

在控制上螺旋输送机与粗格栅联动，即粗格栅先动作然后螺旋输送机延时启动，粗格栅先停止然后螺旋输送机延时停机。

控制流程图如下：

2）根据细格栅前后液位差和时间周期控制细格栅机的启停；

由污水提升泵房输送过来的污水在细格栅间进行进一步的处理，通过细格栅去除可能堵塞水泵机组以及管道阀门的较粗大的悬浮物，为后续级提供较为理想的污水水质。

细格栅的运行是通过两种方式的结合来控制完成的。

第一种是定时控制，比如每隔30分钟（可以设定）细格栅运行5分钟，间隔时间和运行时间均可调；第二种是液位差（也叫水头损失）控制，通过液位差计对细格栅前后液位的测量，一般当液位差达到0.2m时启动细格栅，而当液位差小于0.1m时停止运行细格栅，并设置上限报警。

液位差控制的优先级大于时间控制的优先级。

经细格栅拦截下来得悬浮物或漂浮物由除污耙把它们清除至螺旋输送机将其运走。

在控制上螺旋输送机与细格栅联动，即细格栅先动作然后螺旋输送机延时启动，细格栅先停止然后螺旋输送机延时停机。

控制流程图如下：

3）实现对旋流沉砂池的控制；

比式沉砂池，污水经过细格栅作处理后按池体（圆筒型）正切方向进入池内，沿池内壁流动后砂粒沿池体下部斜面滑向积砂斗，因污水中砂粒数量、有机物、无机物数量是变量，所以池中设置了搅拌装置，使砂水分离，粗而重的矿物砂粒下沉至积砂斗，细而轻的颗粒随出水悬浮带出，出水至反应沉淀池。

为排出积砂斗中的沉砂，池中设置了空气提升泵（由空气压缩机提供气源）。

为防止积砂压实，使已沉降的部分细而轻的颗粒重新悬浮起来，回到污水中去，在排砂前采用压缩空气通过空气冲洗装置定时气冲积砂斗。

由积砂斗排出的砂经砂水分离器将颗粒分选出来，余水和有机物回流至污水集水池。

冲洗排砂自控运行（通过对PLC编程实现）要求：

①按时间顺序自动冲砂1次，排砂1次，时间可设定；②砂水分离器与沉砂池排砂连动工作，砂水分离器延时停机（延时时间可设定）；

比式沉砂池排砂周期约30分钟（可设定），电动三通切换阀先切换到松砂管路开2分钟（可设定），再转换到排砂管路开3分钟（可设定），然后关掉三通阀，开启螺旋砂水分离器10分钟（可设定）后关闭螺旋砂水分离器。

过15分钟（可设定），进入下一个排砂周期。

控制流程图如下：

4）实现对回收水泵的控制；

全厂生活污水及沉砂池及生物池回流污水流至回收水池，根据液位信号控制回收水泵的启停，回收水泵把这些污水送至粗格栅前。

5）反应沉淀池

预处理后的污水经配水井流至超细格栅作进一步的处理，通过超细格栅去除较细的悬浮物，为絮凝沉淀提供较为理想的污水水质。

超细格栅的运行是通过两种方式的结合来控制完成的。

第一种是定时控制，比如每隔30分钟（可以设定）细格栅运行5分钟，间隔时间和运行时间均可调；第二种是液位差（也叫水头损失）控制，通过液位差计对细格栅前后液位的测量，一般当液位差达到0.2m时启动细格栅，而当液位差小于0.1m时停止运行细格栅，并设置上限报警。

液位差控制的优先级大于时间控制的优先级。

絮凝沉淀反应池主要作用是使污水的胶体悬浮物絮凝，经过沉淀形成污泥排至污泥处理系统。

在絮凝沉淀反应池入水口设有搅拌机，它使污水与絮凝充分混合达到良好的絮凝效果，搅拌机控制方式为长时间运行。

刮吸泥机的运行通过定时控制完成，在上位机设置定时调节画面，可通过其设置启/停时间间隔

IV、本站控制的I/O点

DI：

80；DO：

48；AI：

16；AO：

0。

（包括预留量）

2．2．22#PLCBAF生物滤池处理子站

2#PLC站位于BAF配电控制室内，其监控范围为：

BAF生物滤池、反冲洗水池、接触消毒池、加氯间，实现方式为现场操作终端（触摸屏）+可编程序控制器（PLC）+仪器、仪表及变送器。

I、控制单元主要设备构成：

a）用于本站自动控制、工艺参数采集和网络连接的PLC系统，包括CPU模块、DI、DO、AI、AO模块和各种网络通讯接口适配器等；

b）过电压保护器以及各种隔离器；

PLC作为控制器，现场显示控制屏作为现场人机接口，完成对工艺参数，设备的运行状态、故障状态进行监测和控制。

通过网络把信号送中央控制室计算机操作站完成指示、记录、报表和报警打印等监控管理功能。

II、主要监控对象

序号

构筑物

测控设备

数量

单位

1

配水井

电容式液位计

4

台

2

BAF生物滤池

曝气调节阀

4

台

3

曝气鼓风机

4

台

4

曝气冷却水阀

4

台

5

出水渠闸门

4

台

6

进水阀

8

台

7

DO仪

4

套

8

压力变送器

8

套

9

廊道集水井

潜水泵

2

台

10

液位开关

2

只

11

反冲洗水池

反冲洗鼓风机

3

台

12

反冲水泵

7

套

13

反冲洗水阀

4

台

14

反冲洗气阀

4

台

15

反冲出水阀

3

台

16

液位计

2

台

17

压力变送器

9

套

18

电磁流量计

1

台

19

接触池

潜水泵

2

台

21

液位计

1

台

22

COD计

1

台

23

SS浓度计

1

台

III、实现的主要功能

●检测配水井液位、排泥管到压力并显示。

●根据进水流量控制进水调节阀；

●实现对曝气鼓风机的控制，并根据工艺要求启/闭曝气阀；

●按工艺要求实现对气水反冲过程的自动控制；

●根据液位及需要控制接触池潜水泵的启停。

控制方案

BAF生物滤池是本污水处理厂的关键，此处控制方案的优劣直接影响到出水水质。

工艺要求对各滤池的进水调节阀、出水闸门、气冲阀、水冲阀、排水阀、泄气阀及鼓风机、反冲水泵进行监控，来控制滤池的正常过滤和反冲洗这两个过程。

实现过程控制可通过手动和自动两种方式。

●手动过程控制

手动控制通过控制柜面板上的按钮和旋钮完成。

●过滤阶段

正常过滤阶段，每格滤池PLC模拟量输出控制进水阀调节阀的开度控制进水，使滤池滤床上的水位保持恒定，从而保证出水水质。

在此阶段通过控制曝气鼓风机及曝气进气阀达到控制曝气量的目的，使滤料保证很好的生物作用，起到净化水质效果。

●反冲洗阶段

滤池反冲洗过程，当某滤池运行到一定时间后，手动将出水阀开到最大开度，等到水位降到过滤水位时，关闭出水阀。

打开排水阀，打开气冲阀，起动鼓风机，进行气冲3分钟。

打开反冲水阀，起动反冲水泵，进行混和冲洗3分钟。

关闭气冲阀，停鼓风机，进行水冲3分钟。

关闭反冲水阀，停反冲水泵，冲洗过程结束。

将泄气阀打开排气3分钟，同时将滤砂沉下。

开进水阀3分钟，进行漂洗。

漂洗后关进水阀，等待一分钟，关排水阀。

开进水阀等待水位上升到过滤水位时，慢慢打开出水调节阀，进入正常过滤阶段。

滤池有水头损失上限值、水位上限值、浊度上限值、冲洗周期、人工强制等五种申请冲洗方式向调度PLC申请冲洗。

当某一格滤池被允许冲洗时，此格滤池即进入冲洗状态。

此时，将出水阀开到最大开度，等到水位降到过滤水位时，关闭出水阀。

打开排水阀，打开气冲阀，起动鼓风机，进行气冲3分钟。

打开反冲水阀，起动反冲水泵，进行混和冲洗3分钟。

关闭气冲阀，停鼓风机，进行水冲3分钟。

关闭反冲水阀，停反冲水泵，冲洗过程结束。

将泄气阀打开排气3分钟，同时将滤砂沉下。

开进水阀3分钟，进行漂洗。

漂洗后关进水阀，等待一分钟，关排水阀。

开进水阀等待水位上升到过滤水位时，慢慢打开出水调节阀，进入正常过滤阶段。

1）模拟量参数采集：

实时采集进气管、进水管压力，鼓风机、水泵运行电流，进水流量、进水阀的开度等信号

2）数字量输入信号采集

滤池的阀门运行信号，包括进水阀、出水阀、水冲阀排水阀、进气阀、出气阀的开关信号、相关的故障信号。

3）数字量输出信号采集

滤池进水阀、气冲阀、水冲阀、排水阀、排气阀的开关输出；进水阀开度调节。

●设备管理

在自动控制方式下，对有备用的设备，可编程逻辑控制系统（PLC）应对其进行轮换控制，轮换控制应按照先启动“运行时间”较短的设备，先停止“运行时间”较长的设备。

控制流程图如下：

IV、本站控制的I/O点

DI：

224；DO：

96；AI：

32；AO：

0。

2．2．33#PLC污泥脱水系统处理子站

3#PLC站位于污泥脱水间配电控制室，其监控范围为：

脱水机间、贮泥池、厂区污水池，实现方式为现场操作终端（触摸屏）+可编程序控制器（PLC）+仪器、仪表及变送器。

I、系统构成

3#PLC站由以下主要设备构成：

a）一台现场显示操作屏；

b）用于本站自动控制、工艺参数采集和网络连接的PLC系统，包括DI、DO、AI、AO模块等。

c）用于与设备级工业控制网相通讯的网络通讯适配器；

d）过电压保护器以及各种隔离器。

PLC作为控制器，完成对工艺参数，设备的运行状态、故障状态进行监测和控制。

通过以太网送至中控室完成指示、记录、报表和报警打印等监控管理功能。

II、主要监控对象

序号

构筑物

测控设备

数量

单位

1

储泥池

刮泥机

1

台

2

污泥泵

1

套

3

超声波液位计

1

台

4

浓缩脱水间

离心脱水机

2

台

5

加药装置

1

台

6

加药泵

2

台

7

镙杆泵

2

台

8

输送机

1

台

9

冲洗电动阀

2

台

10

厂区污水池

潜水泵

2

台

11

液位计

2

套

III、实现的主要功能

1）根据生产工艺要求，完成对污泥贮泥池的控制；

本污水处理厂的污泥贮泥池具有两个作用。

第一是汇集管道输送过来的稀污泥；第二是起到污泥调质池的作用，调质池的作用是调匀污泥，使进入污泥浓缩机的污泥浓度比较均衡。

根据液位控制仪测定的信号，PLC在实际运行中泥位太高时自动停止污泥泵工作，泥位太低时自动停止污泥浓缩机的进料泵的工作，以调控本池的泥位保持在工艺设计的合理范围之内。

3）根据生产工艺要求，完成对污泥压滤间设备的控制；

在脱水机房主要完成对污泥投加絮凝剂、混合、浓缩