LK冗余系統在AICS污水處理工藝中的應用
導讀：柳河縣污水廠位于吉林省通化市境內，全廠采用目前先進的AICS(交替式內循環活性污泥工藝)微生物處理污水工藝技術，大大提高了反應池的池容利用率，整個污水處理廠采用LK冗余PLC系統進行控制，實現了設計院制定的各項工藝控制要求，創造了良好的社會效益和經濟效益。
關鍵詞：LKPLC，AICS(交替式內循環活性污泥工藝)
1.引言
柳河縣污水處理廠位于柳河鎮城區下游東北角，占地1.5公頃。該項目總投資4100萬元，污水處理能力為1萬噸/日。采用北京環境科學研究院專利AICS處理工藝。出水水質近期為一級B標準，遠期為一級A標準，該項目年可減排COD919噸。污水處理廠的主控系統是污水處理工藝實現全自動化控制的關鍵性設備，除了要求主控系統具有很高的性能及豐富的網絡接口外，還要求主控系統必須是安全、可靠的系統，故選用了和利時公司自主研發的LK冗余PLC系統。自污水廠正式投產以來全廠自控系統運行狀態良好。博士，LKPLC。
2.自控系統設計
2.1. 概述
整個系統設1個中央控制室、4個現場PLC控制站組成。現場PLC控制站，由和利時公司LK冗余PLC系統及檢測儀表組成，對各工藝過程進行分散控制;再由中央控制室(CCR)，對全廠實行集中管理。中央控制室、PLC控制站之間的數據通訊采用高速的、實時的工業以太網，網絡結構為環形，通訊速率為100Mbps，傳輸介質為光纖。
系統結構圖如下：
2.2. 系統結構
柳河縣污水處理廠自控系統分為三級管理，包括生產管理級(中央控制室)、現場控制級(PLC控制站)及就地控制級。
Ø生產管理級(中央控制室)
中央控制室設兩套互為熱備的監控操作站、一臺便攜式編程計算機、一套投影儀、一臺網絡打印機、一套UPS電源、一臺光纖以太網交換機。
監控操作站為冗余配備，可以分別側重監測或組態功能，故障時互為備用，具有靈活的運行方式。并且只要需要，分布在廠內其它位置的計算機(如廠長辦公室、總工室、化驗室等)也可以方便地通過局域網與之相連，實時監控現場各工藝過程的生產運行狀況;
主要完成對生產過程的管理、調度、集中操作、監視、系統功能組態、控制參數在線修改和設置、記錄、報表生成及打印、故障報警及打印，對實時采集的數據進行處理，控制操作以及分析統計等功能。通過高分辨率液晶顯示器及投影儀可直觀地動態顯示全廠各工藝流程段的實時工況、各工藝參數的趨勢畫面，使操作人員及時掌握全廠運行情況。
Ø現場控制級(PLC控制站)
現場控制站配置一套控制柜。柜內包括和利時公司LK系列可編程序控制器、24VDC電源裝置、光纖以太網交換機、過電壓保護裝置、小型斷路器、接線端子、小型繼電器、安裝連接線纜及附件等。
廠區共設有四個分控站，每個分控站可以獨立完成本地的系統控制。
第一分控制站-------進水泵房(DI:32，DO:16，AI:8，AO:4)
第二分控制站-------沉沙池(DI:32，DO:16，AI:8)
第三分控制站-------生物池、鼓風機房(DI:160，DO:64，AI:16)
第四分控制站-------總配電室(DI:16，DO:16，AI:48)
Ø就地控制
將現場控制箱上的“就地/遠程”旋鈕切換至“就地”位置，通過箱上的“啟動/停止”按鈕實現就地手動控制。
3.AICS工藝特點及控制策略
3.1. AICS工藝特點
目前我國城市污水處理普遍采用的工藝有活性污泥法、氧化溝工藝和SBR 工藝等。從技術的角度而言,與歐美發達國家水平相當,但是由于我國的實際國情,完全照搬國外工藝會造成一定程度上的浪費,因此尋求一種投資和運行費用低的污水處理工藝成為關鍵。
傳統活性污泥工藝是最早的城市污水處理技術,穩定性高、操作簡便的特點使之成為應用最為廣泛的一種好氧生化處理技術。氧化溝工藝(Oxidation Ditch) 是一種低負荷、延時曝氣改進的活性污泥工藝系統,但延時曝氣方式增大了運行能耗。丹麥Kruge 公司開發的三溝氧化溝工藝,省去二沉池可節省投資,但其存在污泥分布不均勻,容積及設備利用率低的缺點。SBR 工藝以其操作靈活多變、占地面積小、省略沉淀池等特點,在我國成為發展迅速的污水處理工藝之一。
從經典SBR、ICEAS、CASS 到DAT—IAT 再到交替運行的UNITANK 工藝和三溝氧化溝等,SBR 工藝不斷改進。但無論如何變化,其各種變形工藝均存在著一定問題。因為SBR、ICEAS和CASS 為間歇式、變水位處理工藝, 這樣就會給污水的連續運行帶來一定困難;UNITAN K 和三溝氧化溝工藝解決了間歇式運行和變水位的問題,但卻帶來了污泥分布不均勻的問題。所有的這些問題都會帶來池容利用率低的問題。
交替式內循環活性污泥工藝(AlternatedInternal Cyclic System ,簡稱AICS 工藝) 是由北京市環科院總結國內城市污水處理經驗后,自行研制開發的污水處理工藝。該工藝在SBR 改進工藝基礎上集氧化溝循環式推流的特點和活性污泥完全混合的特點于一體,又繼承了SBR 變種工藝連續進水、連續出水、恒水位和交替式運行的特點,并且從根本上克服了UNITANK 工藝和三溝式氧化溝中污泥濃度分配不均勻的現象,提高了池容利用率和處理效率。
3.2. AICS周期控制策略
AICS系統的一個周期由兩部分組成：長時工序和短時工序，二者交替運行。博士，LKPLC。系統的運行周期一般為4-8小時，長時工序各池的運行狀態為：系統兩個兼做沉淀的曝氣池中，一個做為曝氣池進水，另一個則做為沉淀池出水。中間兩個曝氣池在長時和短時工序中始終處于曝氣狀態。短工序時，要進入沉淀階段的池子進行短暫的曝氣和0.5小時的靜態沉淀，以滿足最終的出水要求而不會出現進入長工序時初始出水不達標的現象。
具體操作時間表及工藝簡圖如下：
污水經水解池自流入AICS系統，首先經過厭氧池、缺氧池后進入曝氣池。
1)第一周期：8點—12點
長時工序：8—10點
8點，操作順序：
關閉1號邊溝出水閥門。
開啟1號邊溝送風閥門，1號池開始曝氣。
開啟1號邊溝進水閥門。關閉2號中溝進水閥門。博士，LKPLC。
關閉2號中溝內回流泵1，同時開啟2號中溝內回流泵1。
開啟4號邊溝旁漂洗水池閥門。
待4號邊溝出水堰槽里的活性污泥排到漂洗水池后，關閉漂洗水池閥門，開啟4號邊溝出水閥，開始排水。
短時工序：10點—12點
10點
關閉1號邊溝進水閥門。開啟2號中溝進水閥門。
11點
關閉1號邊溝送風閥門，1號邊溝停止曝氣，開始沉淀。
2)第二周期12點—16點
長時工序：12點—14點
12點，操作順序：
關閉4號邊溝出水閥門。
開啟4號邊溝送風閥門，4號池開始曝氣。
開啟4號邊溝進水閥門。關閉2號中溝進水閥門。
關閉2號中溝內回流泵1，同時開啟2號中溝內回流泵1。
開啟1號邊溝漂洗水池閥門。
待1號邊溝出水堰槽里的活性污泥排到漂洗水池后，關閉漂洗水池閥門，開啟1號邊溝出水閥，開始排水。
短時工序：14點—16點
14點
關閉4號邊溝進水閥門。開啟2號中溝進水閥門。
15點
關閉4號邊溝送風閥門。4號邊溝停止曝氣，開始沉淀。博士，LKPLC。
16—20點，00—04點，按照第一周期操作步驟執行。
20—00點，04—08點，按照第二周期操作步驟執行。
3.3. 鼓風機控制策略
基于節能降耗的考慮，我們提出了根據溶解氧動態調節鼓風機轉速的控制方案。每一組反應池對應兩臺鼓風機，鼓風機在已設定的曝氣過程中啟動，根據反應池中測得的DO值開啟一臺或兩臺鼓風機，調整一臺鼓風機的轉速及工作時間。當某一鼓風機出現故障，自動報警通知管理人員，人工啟動備用鼓風機。
PLC接收所有故障信號，報警后做出相應處理。博士，LKPLC。
鼓風機將壓縮空氣通過管道送入反應池，讓空氣中的氧溶解在污水中供給活性污泥中的微生物。鼓風機在工頻狀態下起動時，電流沖擊較大，容易引起電網電壓波動，而鼓風機(羅茨)風壓一定，風量只能靠工作臺數及出氣閥來調節，實際生產運行中往往是通過調節出氣閥門來控制，即增加管道阻力。博士，LKPLC。因而許多能量多浪費在閥門上。
本方案在鼓風機上應用了變頻器，由于變頻器的軟啟動大大的減小了電機起動時對電網的沖擊，而且在正常運行的時候，將出氣閥門開到最大，根據工藝和參數的要求，適當的調節電機的轉速來調節管道的風量，從而來調節污水中的溶解氧(DO)。而且可以根據溶解氧傳感器反饋的信號(4~20MA)很方便的實現閉環自動控制。具體實現方法如下：
當當前溶解氧值小于設定值時，開啟一臺鼓風機，并進行變頻調節;
當變頻器頻率達到最大，且溶解值仍小于設定值，則再開啟一臺鼓風機，此時兩臺鼓風機一臺工頻運行，一臺變頻調節;
當變頻器頻率達到最大，且溶解值仍小于設定值，則再開啟一臺鼓風機，此時三臺鼓風機兩臺工頻運行，一臺變頻調節;
相反，當當前溶解氧值大于設定值時，變頻器頻率減小，當頻率減小至0時，且溶解值仍大于設定值，則停止一臺鼓風機，繼續變頻調節;此過程中若當前溶解氧值大于設定值，則再停止一臺鼓風機，繼續變頻調節，如此類推，直至當前溶解氧滿足設定范圍。
另外，系統將統計各臺鼓風機的累計運行時間，每次啟動或停止鼓風機時，需比較各鼓風機的累計運行時間，累計運行時間后啟動，先停止，盡量各鼓風機的運行時間均衡，以延長鼓風機的使用壽命。
鼓風機控制框圖如下：
4.系統特點
系統整體性能具有如下特點：
Ø系統軟件內核集成了先進的過程控制算法
本方案設計中溶解氧的調節采用了LK冗余系統自帶的PID算法功能塊，該PID功能塊算法先進，穩定性好，PID功能塊主要提供了以下內置功能：
提供微分濾波處理功能，即：在PID的微分部分串聯一個一階慣性環節，對微分運算結果實現低通濾波和平滑處理;
具有偏差死區功能;
具有積分飽和處理功能，即如果輸出達到上限，則不再進行正向積分，只進行負向積分;如果輸出達到下限，則不再進行負向積分，只進行正向積分;
具有輸出限幅功能;
提供“手動/自動”無擾切換功能;
支持前饋，可用于周期性的控制任務，允許多次調用。
Ø高性能
LK冗余系統的CPU主頻達到了533MHZ，單條指令執行時間只有13ns，具有16M的程序存儲空間和64M的數據存儲空間，能夠充分適應復雜污水處理工藝對PLC系統性能的要求。
PID算法占用PLC的資源是比較大的，一般小型的控制器產品，只能同時支持幾路PID調節。LK冗余系統在設計過程中，專門針對其高性能做了多種實驗，模擬了多種復雜工藝控制需求，即使同時使用2000個PID調節算法塊進行運算，LK的運行負荷也不會達到額定值的50%。這就充分證明了LK冗余系統能夠適應各種復雜的污水處理工藝對控制器產品的高性能要求。
Ø支持6種標準的編程語言
LK冗余系統支持LD、ST、FBD、SFC、IL和CFC六種標準的編程語言。針對不同的控制工藝要求，采用與之相適應的編程語言，往往可以達到事半功倍的效果。例如AICS的周期控制策略時序性比較強，是典型的順序控制，使用SFC編程語言可以更清晰的構建程序邏輯。針對溶解氧調節等過程控制，使用CFC編程語言可以把所有的變量全部放在同一窗口下，為程序調試提供了更好的便利性。ST編程語言比較適合熟悉高級語言編程的開發人員;IL編程語言與匯編語言比較相近，能夠使單片機開發人員快速對PLC編程進行上手。LD和FBD編程語言更加符合一般電氣工程師的編程習慣。
Ø故障診斷
LK系統具有一套完整的自診斷功能，可以在運行中自動地診斷出系統的任何一個部件是否出現故障，并且在監控軟件中及時、準確地反映出故障狀態、故障時間、故障地點、及相關信息。在系統發生故障后，系統的I/O點可以根據預先設置的狀態進行輸出，最大限度的減少由于系統故障造成的損失。
Ø擴展性和兼容性
本系統上層采用TCP/IP協議進行通訊，TCP/IP協議是目前開放性最好的協議，可以輕松進行系統擴展。
本監控系統的數據庫結構應為面向對象的，實時式，關系型數據庫。系統對數據變化響應可達到1毫秒。操作系統和監控軟件具有冗余和容錯及災難性恢復等功能。
本系統的組態軟件支持DDE、OPC、ODBC、SQL，且提供豐富的API編程接口，同時也為世界各大PLC廠商，如Modicon、Siemens、AB、GE、Omron等的設備提供了完善的驅動程序庫，從而可以將其它系統輕松接入本系統。
5.結束語
本文論述了LK冗余PLC系統在AICS污水處理工藝中的應用，充分發揮了LK可編程控制器配置靈活、控制可靠、開放性強和在線維護方便等優點，為整個系統的安全穩定運行提供了可靠保障。LK冗余PLC系統已在多種不同的污水處理工藝中得到實際應用，為企業帶來了可觀的經濟效益和良好的社會效益。
參考文獻
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