【关键词】自动化控制系统PLC人机界面

基于罗克韦尔自动化控制技术的杭州七格污水处理厂控制系统上海远动科技【提要】以杭州市七格污水处理厂二期工程的控制为例，阐述在工业控制系统开发过程中，针对污水理过程，采用Rockwell公司旗下A-B品牌的ControlLogixPLC、软件RSView32、RSSQL及KepServer以及NetLinx网络技术，以满足污水处理的工艺要求并提供全自动过程控制的完整解决方案。【关键词】自动化控制系统PLC人机界面1111引言引言引言引言杭州市七格污水处理厂位于浙江省杭州市东北角江干区下沙乡七格村，紧邻钱塘江。二期污水处理厂日处理污水20万吨规模，采用具有脱氮除磷功能的A/A/O活性污泥法工艺法，经处理后的达标水直接排放到钱塘江，污泥经浓缩脱水后外送进行最终处理。七格污水处理厂二期工程工艺流程如图所示。图1工艺流程图2222系统网络构成及功能系统网络构成及功能系统网络构成及功能系统网络构成及功能控制系统的主要功能是完成上述工艺区域的生产过程自动化，包括实时采集生产数据和设备实时运行工况，控制相关的生产环节，及时处理生产过程中的故障，对相关设备进行保护。系统网络图如图2所示。图2系统网络图自控系统程序在层次结构上分三层：设备层、控制层、信息层。项目在设备层、控制层、信息层等不同层面上，多专业协同推进，其中包括：(1)现场数据采集和控制技术、(2)实时监控和流程管理、(3)网络与通信技术、(4)数据库和信息处理。（（（（1111））））设备设备设备设备层层层层设备层按不同的控制区域分为：1#PLC站、2#PLC站、3#PLC站三个独立的子系统。每一独立子系统由PLC控制单元和PanelView操作界面构成，形成功能完整的工作环节。其中，1#PLC站控制污水提升泵房、沉砂池、细格栅渠、初沉池和生化反应池，并勾通鼓风机房OEM控制程序，2#PLC站控制终沉池、出水泵房、出水井、污泥回流泵房和加药间，3#PLC站控制污泥池并勾通脱水机房及污泥料仓的OEM控制程序。PLC层的各个分站之间、PLC层与中央监控之间采用光纤环网的形式并以ControlNet工业控制网协议联接。控制层主要功能是完成上述工艺区域的生产过程自动化，包括实时采集生产数据和设备实时运行工况，控制相关的生产环节，及时处理生产过程中的故障，对相关设备进行保护。设备层还包括与第三方产品的数据通讯，例如通过Profibus协议进行鼓风机系统的西门子PLC系统的数据采集。（（（（2222））））控制控制控制控制层层层层设备层的上层是厂中控室的控制层，是基于Windows操作系统和RSView32工控平台的人机操作界面程序，通过光纤ControlNet环网与控制层直接连接，形成当前流行的“一网到底”的控制网络模式。监控层包括1台数据服务器、2台监控工作站以及相应的网络设备。数据服务器提供RSView32实时工况趋势图数据，2台监控工作站则通过网络，以数据服务器作为数据源，生成实时工况趋势图，其优点是：(1)2台监控工作站曲线一致；(2)监控工作站退出RSViewRunTime进行维护、运行调整运行时，趋势曲线并不因此中断。控制层采用RemoteOPC方式，提供RemoteOPC的方式包含整个系统每个控制操作环节,对污水提升泵房、沉沙池、初沉池、生化池、终沉池、回流泵房、加药间、鼓风机房、脱水机房、污泥料仓等进行集中监测控制，负责反映实时工况，进行事件及曲线记录，故障报警，下达生产指令，设定工艺参数等等,覆盖整个系统的每个控制操作环节，是整个控制系统的神经中枢。数据服务器还使用ROCKWELL的Kepserver软件通过ModbusTCP/IP协议进行全厂电力监视系统数据采集，将七格污水处理厂一期、二期的电力监视有机地结合起来。（（（（3333））））信息层信息层信息层信息层系统最上层是MIS信息管理层，通过RSSQL以数据服务器作为数据源从数据服务器采集数据，包含基于SQLServer的Web服务器，以及基于.NetFramework的Web服务功能，建有完整的历史数据库，主要承担生产数据的高级处理功能，提供网上数据查询分析平台，并提供日常生产报表生成模块，该部分是自控系统功能的延伸。3333．．．．系统主要过程控制系统主要过程控制系统主要过程控制系统主要过程控制污水厂自动控制系统中，现场PLC控制站过程控制类型主要有两种：第一种是顺序逻辑控制。污水净化过程中要用到大量的泵机，阀门及污水净化专用机械设备，它们通常根据规定的时间周期、工艺参数条件及相互之间的状态逻辑关系等进行开/停或开/闭控制。第二种是反馈控制。污水净化厂工艺与其它工艺过程相似，也需要在一定的温度、压力、流量、液位等工艺条件下进行，例如生化池的氧含量DO值要控制在一定范围内，鼓风机的出口压力需要控制在一个恒定值上等。以下就系统主要的过程控制加以说明。（（（（1111））））污水提升泵房污水提升泵房污水提升泵房污水提升泵房程控系统程控系统程控系统程控系统污水提升泵房有8台潜污提升泵，分两个池，每池有4台潜污提升泵。8台潜污提升泵均可“就地”控制，也可以通过PLC“远程单动”控制或“远程联动”控制。8台潜污提升泵分为两组联动系统，每组4台潜污提升泵，每台潜污提升泵可分别独立“远程联动”控制，根据水量的大小控制投入联动运行的提升泵的数量。提升泵联动状况下，根据相应的超声波液位计控制提升泵的运行，当液位低于最低液位时，关闭所有水泵，液位超过启泵液位时，启动第一台水泵，2分钟后液位继续上涨或液位超过正常液位时，启动第二台水泵，依次类推，直到启动第三台水泵；当液位超过最高液位时，启动第四台水泵，当液位从最高液位回落到正常液位时，停止第四台水泵；当液位回落到停泵液位时，停止第三台或第二台（只启动两台水泵的情况），2分钟后液位继续下降，再次停止一台水泵，依次类推，直到保留一台水泵运行；启泵、停泵的顺序为：启动时，根据前一次水泵停止的时间及水泵的允许启动条件的限制，允许启动的泵谁先停先启动，停止时，根据谁先启动先停。同时，进行水泵启动条件的设置，每台泵10分钟内不能再次启动，1小时内不能启动6次，但在液位高液位时,启动条件解除，直到液位下降到停泵液位时投入。（（（（2222））））生化生化生化生化池空气量调节系统池空气量调节系统池空气量调节系统池空气量调节系统曝气空气量调节系统的任务是，维持曝气池溶解氧值在允许的范围内，以保证曝气池中的好氧微生物顺利进行有机物氧化分解。曝气空气量的调整，采用控制鼓风机导叶片的方式，即通过改变鼓凤机导叶片的角度来控制鼓风机出口总管上的压力恒定，再根据污水量和DO值来调整生化池空气调节阀控制曝气空气量的大小，从而保证溶解氧的需求量。生化池曝气空气量调节系统控制方式如图3所示。图3好氧生物池DO浓度控制示意图图4PID控制结构图A/A/O活性污泥法污水处理是一个复杂的大滞后的生化反应过程，如果通过机理的方法，建立精确的数学模型是很困难复杂的。采用一般的控制方法，大滞后问题又很难被解决，为了解决系统滞后问题，本系统生化池空气调节阀控制采用PID控制的方法。PID控制器结构如图4所示：PID控制环节中，调节器的动作规律由以下公式决定：CEKEKEKUnDniiInPn++=∑=0其中，En为系统误差，ECn为系统误差变化率，KP、KI、KD分别为PID控制的比例增益、积分增益和微分增益。由PID控制原理可知，比例增益（KP）可以加快响应速度，提高调节精度，但是如果过大，可能会导致系统激烈振荡甚至不稳定；积分增益可以消除静差，提高系统控制的精度，但是如果过大，可能会引起积分饱和，导致系统振荡频率较低，调节缓慢，且超调量过大；PID参数整定原则根据A/A/O活性污泥法污水处理的特点，结合PID的三个系数（KP、KI、KD）对系统控制的作用，可以确定如下三条整定原则：(1)E很大时,说明实际值与参考值相差很大，此时应采取最强的控制，使误差绝对值以最大速度减小，这样在PID控制参数方面，要求KP取较大值，同时为避免积分和微分饱和，KD可取较小值，KI取0。(2)若E·EC0,说明误差在向绝对值增大的方向变化，即实际值与参考值的差距在变大。此时，当误差绝对值较大时，应采取较强的控制以改变误差的变化趋势，迅速减小误差绝对值，在PID控制参数方面，KP可取较大值，同时可取较小的KI和中等的KD，以提高动态性能和稳态性能；当误差绝对值较小时，可采取普通控制，取中等的KP，同时取较大的KI和较小的KD，以提高系统的稳态性能，避免产生振荡。(3)若E·EC0，说明误差在向绝对值减小的方向变化，即实际值与参考值的差距在变小。此时，当误差绝对值较大时，应采取普通的控制，迅速减小误差绝对值，在PID控制参数方面，可取中等的KP，同时可取较小的KI和中等的KD，以提高动态性能和稳态性能；当误差绝对值较小时，误差变化率绝对值也较小时，可采取强度较低的控制，取较小的KP，同时取较大的KI和较小的KD，以提高系统的稳态性能，避免产生振荡。同时，因为系统存在较大的滞后，当误差绝对值较小，误差变化率绝对值较大时，可以认为系统实际值与参考值的差距在变大，因为在接下来的时间里，实际值将越过参考值，背向参考值快速变化，所以此时应采取普通的控制，迅速降低误差变化率的绝对值，在PID控制参数方面，可取中等的KP，同时可取较小的KI和中等的KD，以提高动态性能和稳态性能。经过现场长时间的调试，对DO的控制取得良好的效果，调节曲线如图5所示：图5调节曲线4444．．．．HMIHMIHMIHMI制作制作制作制作为了人机界面的的使用方便，制作中注重于以下一些考虑：全局总览全局总览全局总览全局总览一个较大的项目往往会使操作员疲于翻页，且不能同时监视不同工段的数据。本项目将生产流程中的所有重要数据都集中在一以总平面图为背景的总览画面上，如图6所示：图6以总平面图为背景的总览画面点击图6中各区域就能进入相应的工段子画面，点击图中各设备就能弹出改准备详况图。使得操作员在通常情况下能长期停留在此画面上而不必频繁翻页。直观易懂直观易懂直观易懂直观易懂设备的图形制作尽可能与现场实际设备一致，使得操作员能容易地将电脑上的操作与现场操作对应起来。现试举二例如下：（（（（1））））二号变配站二号变配站二号变配站二号变配站380伏配电柜伏配电柜伏配电柜伏配电柜现场情况如下图7所示：图7380伏配电柜现场画面人机界面（取局部）则如下图所示：图8380伏配电柜人机界面画面当鼠标移到某操作柜上，该柜就被激活，同时鼠标下方会出现该柜名称提示，点击该柜则会弹出该柜的详况图，以显示其状态，参数，接线图等。（（（（2））））二号出水潜水轴流泵二号出水潜水轴流泵二号出水潜水轴流泵二号出水潜水轴流泵现场操作柜情况如图9所示：图9现场操作柜实景图人机界面则如图10所示：图10现场操作柜人机界面画面其中反映现场操作柜的信号则用于现场一致的图形模拟出来。方便操作方便操作方便操作方便操作利用RSView的功能，可进一步改进一些通常的操作，使其更为方便，现试举而例：（（（（1））））曲线查询曲线查询曲线查询曲线查询：：：：在RSView的图库中，有一趋势图的模板，其中曲线的时间选择是通过前、后位移按钮和一秒级的滑块来实现，但用操作员很难用此功能迅速找到要查询的那段曲线，尤其是很久以前的曲线。在本项目中，该模板被改进为图11所示：图11趋势图模板画面红圈划出的部分是：列出了常用的8个层次的时间跨度，可解决滑块拉不准的问题，尤其是按钮“特殊时段”，点击后弹出对话框“从中选择曲线显示的开始日期、开始时间和结束日期、结束时间，按“确认”键，就能快速让操作员希望看到的曲线段显示出来。这样就能解决多次前翻的问题。这里，使用了日历控件来接受用户输入的开始日期、开始时间和结束日期、结束时间，并用VBA将它们与标签变量Trend\StartTimeDate、Trend\StartTime、Trend\TimeRange对应，从而实现了这一功能。（（（（2））））数值输入数值输入数值输入数值输入在RSView中，最基本