HMI与变频器在中水处理站控制系统中应用
日期：2008-11-18 0:04:49 来源：中国自动化网
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1 引言
随着人口与经济的增长，世界水资源的需求量不断增加，水资源不断恶化，水资源紧缺已成为世人所关注的全球性问题。我国水资源状况不容乐观。我国城市缺水现象更为严重，据统计，全国660个城市，有400多个城市供水不足，其中有50多个城市严重缺水，平均每年因缺水影响工业产值2000多亿元。水资源的匮乏已经成为我国21世纪面临的重大环境问题之一，在很大程度上制约了生产力了发展，降低了人民的生活质量。中水工程就是污水资源化的一种重要方法，采用中水回用系统后，使污水处理后回用，有着双重意义，既可以减少对环境的污染，又可增加可利用的水资源的数量，具有明显的经济效益、社会效益和环境效益。石家庄铁道学院在02年利用国家财政部的专项资金进行了校园污水管网改造工程，该工程采用SBR工艺处理洗浴废水并回用于冲洗厕所，日处理量为306吨。在二期改造中，针对原来继电器控制系统暴露出的问题，电气系统采用模块化计算机控制技术，实时监控系统设备、工艺的自动运行状态；同时，利用变频器组成中水自动恒压给水系统，保证系统的全自动经济运行，节约了能耗和人力，提高了整个系统的技术管理水平。
2 中水处理工艺流程简介
民用小区中，中水回用的对象一般限于两方面：小区公共用水，即小区绿地的浇洒、绿化和小区景观用水、消防用水等；杂用水，即公共建筑和居民住宅的冲洗厕所用水、洗车、建筑施工等。在中水处理工艺中，生物处理具有效果稳定、剩余污泥产量低、抗冲击负荷等优点，但必须解决暴气噪音问题。另外活性污泥法及其它的变形工艺流程，包括氧化沟、SBR、AB法、A/O法、A/A/O法等技术都在小区中水回用处理中广泛应用，处理效果良好但需对污泥进行处理。近年来，膜生物反映器(MBR)暴气生物滤池(BAF)和循环活性污泥工艺(CASS)等新技术也开始在住宅小区中水处理工程中得到应用，处理效果良好。序批式活性污泥法(Sequencing Bath Reactor)（简称SBR法），是近年来发展起来的一种污水处理新技术。针对城市污水的脱氮、除磷，具有运行效果好、成本低的优势。SBR与传统的水处理工艺的最大区别在于它以时间顺序来分割流程各单元，整个过程对于单个操作单元而言是间歇进行的，但是通过多个单元组合调度后又是连续的，因而也可以用于工业化大规模生产。系统中，反应池在一定时间间隔内充满污水，以间歇处理方式运行，处理后混合液沉淀一段时间后，从池中排除上清液，沉淀的生物污泥则留于池内，用于再次处理污水，这样反复运行，构成了序批式处理工艺。
本污水处理站采用一级预处理和二级生化处理方式。从澡堂排出来的污水,经格栅后到集水池，通过提升泵再到SBR池。生化处理共有两套SBR装置， 1#SBR池和2#SBR池并列运行。进行生化处理完后的水再进行消毒、过滤之后，进入中水池，由变频调速恒压供水系统向用户提供冲厕水直接送往学生公寓用于冲厕。该工艺一个反应周期由进水段、反应段、沉淀段、排水段、静置段五个工作段构成。进水段是全部过程的开始，程序启动则启动进水泵，向反应器注水，当反应器的水位上升至水位上限时液位传感器发出信号，进水泵停止，进水段结束。而后，曝气风机启动，通过曝气头向反应器中的污水进行充氧，当曝气时间到后则曝气风机停止工作，计时开始进入沉淀阶段，沉淀段结束时，启动滗水器开始滗水。当反应器的水位下降至水位下限时，液位传感器发出信号，同时滗水器停止动作，进入下一个运行周期。处理后的中水经过消毒、除味经过滤器进入中水储存池，中水恒压供水系统按照用户用水量的大小自动调节水泵运行状态，保证中水管网的压力。
3 控制系统的功能
中水处理站共有12台电机分别用于提升 、曝气、滗水和恒压给水。包括四台4.0kW提升泵，四台2.2kW曝气机、两台2.2kW滗水器以及两台4.0kW供水泵。四台提升泵分两组采用一用一备的方式分别从调节池向两个SBR反应池供水，在1#和2#SBR池中各有两台曝气机和一台滗水器工作。整个控制系统的主要功能如下：
3.1 调节池的控制：液位控制调节池进水提升泵，当调节池液位超过保证水位时，启动提升泵向SBR池供水；当水位超低时自动停泵。当SBR池处于反应、沉淀、滗水、静置阶段时，进水泵处于关闭状态，直到下一个循环开始。
3.2 SBR反映池的控制：当SBR池检测液位及运行条件均满足要求时需启动曝气机，运行3-4小时（可调）后停止，进行沉淀1-1.5小时后，启动滗水器经过滤器向中水池滗水，直到SBR池液位到达预定位置后停机静置0.5小时后，开始下一循环。1#和2#反应池既可以同时并列运行也可以独立运行。
3.3中水管网的变频恒压给水控制：为保证中水管网的压力自动恒定，满足用户的需求，设计了全自动变频调速给水系统。在用户设定中水管网压力后，系统根据设定值和压力传感器的管网实际压力信号，采用“一定一变”配合的运行模式，自动调整加压泵中定量泵的启停和变频泵的转速，在较高的精度范围内保证管网的压力恒定。无论用水高、低峰均可在保证供水压力的前提下最大限度的节省电能。同时，减少了由于无谓磨损、频繁启停等原因对水泵造成的损害；以及用水低峰时，由于管网压力过高造成跑、冒事故。为了防止在用水高峰情况下中水量不足，系统自动检测中水池液位，当低于一定程度时则自动打开市网清水阀门补入一些清水，弥补中水的不足。
3.4 上位机的管理功能:上位机以直观的动画图形及中文方式显示水池液位、管网压力、水泵及阀门运行状态、耗电量、产水量、设备状况等信息；特别是上位机对现场PLC的控制过程进行运行参数数据的在线修改，大大方便了用户。
当发生电气、液位、机械等故障时系统进行声、光报警，并采取相应措施。上位机故障时，PLC及变频器可以组成独立控制系统进行工作；若整个上、下位自动系统均发生故障，现场控制柜具有手动功能，以保证系统运行的不间断。
4 控制系统硬件结构
系统的总体结构如图1所示，由工业控制计算机构成监控管理级，PLC、变频器和传感器、执行机构构成现场控制系统，整个系统按照递阶式DCS系统模式设计，操作管理方便、运行稳定可靠、效率高。
4.1上位机系统：采用研华工控机IPC610，软件平台采用MCGS (Monitor and Control Generated System)组态软件。通过对现场数据采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式，向用户提供解决实际工程问题的方案，可充分利用Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性。
4.2 PLC主控单元：现场控制器采用的是日本三菱公司的FX-1S-30MR系列小型可编程序控制器作为主控单元，它具有16路开关量的输入、14路开关量的输出，同时扩展一个四路模拟信号模块。它具有RS-485标准串口，由它按照工艺要求的液位、时间、压力等不同要求完成提升、曝气、滗水和恒压给水各个系统的逻辑控制功能以及现场液位、压力等信号的采集和传输。控制程序是根据对SBR反应池的五个运行阶段所需要的时间进行自动控制，对于曝气时间、沉淀时间及静置时间均可由上位机在线设定，而进水与排水则靠液位的上下限来控制水泵的启动/停止。SBR反应池的各段工艺过程及其执行时间均严格按时序进行，在自动状态下，操作人员在中心控制室可以通过人机界面实现远程遥控操作。现场设备的工作状态均送往上位机显示。
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随着人口与经济的增长，世界水资源的需求量不断增加，水资源不断恶化，水资源紧缺已成为世人所关注的全球性问题。我国水资源状况不容乐观。我国城市缺水现象更为严重，据统计，全国660个城市，有400多个城市供水不足，其中有50多个城市严重缺水，平均每年因缺水影响工业产值2000多亿元。水资源的匮乏已经成为我国21世纪面临的重大环境问题之一，在很大程度上制约了生产力了发展，降低了人民的生活质量。中水工程就是污水资源化的一种重要方法，采用中水回用系统后，使污水处理后回用，有着双重意义，既可以减少对环境的污染，又可增加可利用的水资源的数量，具有明显的经济效益、社会效益和环境效益。石家庄铁道学院在02年利用国家财政部的专项资金进行了校园污水管网改造工程，该工程采用SBR工艺处理洗浴废水并回用于冲洗厕所，日处理量为306吨。在二期改造中，针对原来继电器控制系统暴露出的问题，电气系统采用模块化计算机控制技术，实时监控系统设备、工艺的自动运行状态；同时，利用变频器组成中水自动恒压给水系统，保证系统的全自动经济运行，节约了能耗和人力，提高了整个系统的技术管理水平。
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2 中水处理工艺流程简介
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民用小区中，中水回用的对象一般限于两方面：小区公共用水，即小区绿地的浇洒、绿化和小区景观用水、消防用水等；杂用水，即公共建筑和居民住宅的冲洗厕所用水、洗车、建筑施工等。在中水处理工艺中，生物处理具有效果稳定、剩余污泥产量低、抗冲击负荷等优点，但必须解决暴气噪音问题。另外活性污泥法及其它的变形工艺流程，包括氧化沟、SBR、AB法、A/O法、A/A/O法等技术都在小区中水回用处理中广泛应用，处理效果良好但需对污泥进行处理。近年来，膜生物反映器(MBR)暴气生物滤池(BAF)和循环活性污泥工艺(CASS)等新技术也开始在住宅小区中水处理工程中得到应用，处理效果良好。序批式活性污泥法(Sequencing Bath Reactor)（简称SBR法），是近年来发展起来的一种污水处理新技术。针对城市污水的脱氮、除磷，具有运行效果好、成本低的优势。SBR与传统的水处理工艺的最大区别在于它以时间顺序来分割流程各单元，整个过程对于单个操作单元而言是间歇进行的，但是通过多个单元组合调度后又是连续的，因而也可以用于工业化大规模生产。系统中，反应池在一定时间间隔内充满污水，以间歇处理方式运行，处理后混合液沉淀一段时间后，从池中排除上清液，沉淀的生物污泥则留于池内，用于再次处理污水，这样反复运行，构成了序批式处理工艺。
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本污水处理站采用一级预处理和二级生化处理方式。从澡堂排出来的污水,经格栅后到集水池，通过提升泵再到SBR池。生化处理共有两套SBR装置， 1#SBR池和2#SBR池并列运行。进行生化处理完后的水再进行消毒、过滤之后，进入中水池，由变频调速恒压供水系统向用户提供冲厕水直接送往学生公寓用于冲厕。该工艺一个反应周期由进水段、反应段、沉淀段、排水段、静置段五个工作段构成。进水段是全部过程的开始，程序启动则启动进水泵，向反应器注水，当反应器的水位上升至水位上限时液位传感器发出信号，进水泵停止，进水段结束。而后，曝气风机启动，通过曝气头向反应器中的污水进行充氧，当曝气时间到后则曝气风机停止工作，计时开始进入沉淀阶段，沉淀段结束时，启动滗水器开始滗水。当反应器的水位下降至水位下限时，液位传感器发出信号，同时滗水器停止动作，进入下一个运行周期。处理后的中水经过消毒、除味经过滤器进入中水储存池，中水恒压供水系统按照用户用水量的大小自动调节水泵运行状态，保证中水管网的压力。
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3 控制系统的功能
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中水处理站共有12台电机分别用于提升 、曝气、滗水和恒压给水。包括四台4.0kW提升泵，四台2.2kW曝气机、两台2.2kW滗水器以及两台4.0kW供水泵。四台提升泵分两组采用一用一备的方式分别从调节池向两个SBR反应池供水，在1#和2#SBR池中各有两台曝气机和一台滗水器工作。整个控制系统的主要功能如下：
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3.1 调节池的控制：液位控制调节池进水提升泵，当调节池液位超过保证水位时，启动提升泵向SBR池供水；当水位超低时自动停泵。当SBR池处于反应、沉淀、滗水、静置阶段时，进水泵处于关闭状态，直到下一个循环开始。
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3.3中水管网的变频恒压给水控制：为保证中水管网的压力自动恒定，满足用户的需求，设计了全自动变频调速给水系统。在用户设定中水管网压力后，系统根据设定值和压力传感器的管网实际压力信号，采用“一定一变”配合的运行模式，自动调整加压泵中定量泵的启停和变频泵的转速，在较高的精度范围内保证管网的压力恒定。无论用水高、低峰均可在保证供水压力的前提下最大限度的节省电能。同时，减少了由于无谓磨损、频繁启停等原因对水泵造成的损害；以及用水低峰时，由于管网压力过高造成跑、冒事故。为了防止在用水高峰情况下中水量不足，系统自动检测中水池液位，当低于一定程度时则自动打开市网清水阀门补入一些清水，弥补中水的不足。
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当发生电气、液位、机械等故障时系统进行声、光报警，并采取相应措施。上位机故障时，PLC及变频器可以组成独立控制系统进行工作；若整个上、下位自动系统均发生故障，现场控制柜具有手动功能，以保证系统运行的不间断。
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系统的总体结构如图1所示，由工业控制计算机构成监控管理级，PLC、变频器和传感器、执行机构构成现场控制系统，整个系统按照递阶式DCS系统模式设计，操作管理方便、运行稳定可靠、效率高。
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4.2 PLC主控单元：现场控制器采用的是日本三菱公司的FX-1S-30MR系列小型可编程序控制器作为主控单元，它具有16路开关量的输入、14路开关量的输出，同时扩展一个四路模拟信号模块。它具有RS-485标准串口，由它按照工艺要求的液位、时间、压力等不同要求完成提升、曝气、滗水和恒压给水各个系统的逻辑控制功能以及现场液位、压力等信号的采集和传输。控制程序是根据对SBR反应池的五个运行阶段所需要的时间进行自动控制，对于曝气时间、沉淀时间及静置时间均可由上位机在线设定，而进水与排水则靠液位的上下限来控制水泵的启动/停止。SBR反应池的各段工艺过程及其执行时间均严格按时序进行，在自动状态下，操作人员在中心控制室可以通过人机界面实现远程遥控操作。现场设备的工作状态均送往上位机显示。
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