系統應用實例

自動控制系統是具有一定功能，可以完成某種控制任務的系統。自動控制系統的組成和工作原理與人體的構成和工作機理有很多相似之處：自動控制系統中有相當于人的感覺器官的傳感器，有相當于人的大腦和神經系統的控制裝置，也有相當于人的手、腿及其肌肉的執行機構。傳感器用于檢測指令信息、外界變 化信息以及被控對象的狀態信息，并將其變換成電信號傳給控制裝置。控制裝置則計算出被控對象的當前狀態（稱為被控量，或系統的輸出量）與所希望的狀態（稱為輸入信號）之差，并根據這一偏差（稱為誤差信號）按一定規律產生出控制信號，然后經過放大，送給操作執行機構。操作執行機構用于驅動被控對象運動，直到它的狀態達到所希望的狀態為止。這種把系統的輸出或系統的另外一些受控變量和系統的輸入作比較后，形成的控制稱為閉環控制或反饋控制。

根據廠區總體布局和工藝流程的特點，自控系統采用集中管理，分散控制（SCADA）系統，整個自動控制系統由計算機（又稱上位機）系統、可編程控制器（PLC）系統、檢測儀表、控制網絡系統組成。該SCADA系統污水處理全過程進行實時監控和調度管理。SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統，即數據采集與監視控制系統。SCADA系統的應用領域很廣，它可以應用于、給水系統、石油、化工等領域的數據采集與監視控制以及過程控制等諸多領域。在電力系統以及電氣化鐵道上又稱遠動系統。SCADA系統是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統。它可以對現場的運行設備進行監視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等各項功能。

由于各個應用領域對SCADA的要求不同，所以不同應用領域的SCADA系統發展也不完全相同。

一、計算機（上位機）系統功能及構成

1.1上位機系統的放置：上位機系統放置在污水凈化中心綜合辦公樓控制室內。

1.2上位機系統的組成：由計算機，UPS電源，報表打印機，報警打印機等組成。

1.3上位機系統的功能：負責全廠生產過程監視控制與數據采集。

1.4上位機系統的控制軟件

1.4.1系統簡介

IGSS（交互圖形管理系統）是一種開放式的，建立在PC基礎上的交互配置系統，主要用于在 WINTEL微機上的工業運行。Wintel即Wintel架構。字面上是指由Microsoft Windows操作系統與Intel CPU所組成的個人計算機。實際上是指Microsoft（微軟）與Intel（英特爾）的商業聯盟，該聯盟意圖并成功地取代了IBM公司在個人計算機市場上的主導地位，所以也稱為Wintel聯盟。Wintel聯盟壟斷桌面端長達20多年。依靠英特爾的摩爾定律和微軟Windows系統的升級換代，雙方通過共同轄制下游PC生產商而不斷攫取巨額暴利。但因為平板電腦和移動設備的興起，微軟宣布下一代Windows操作系統將支持ARM處理器 。ARM處理器是英特爾的競爭對手，使得Wintel聯盟已經出現裂痕。

IGSS設計的一個主要目標是創造一個簡單而有效的系統，在建立新的管理系統和使用現存系統現代化上節省公司的時間和經費。用戶友好性，公認的標準確以及開放的系統結構是IGSS發展的隅石。

用戶使用IGSS只需點擊敏感區域就能造出模擬圖和圖形，通過模擬圖和圖形可以監視不斷變化的工藝運行參數。對于誤差和故障來說，報警顯示，報警窗口和報警存入是其重要功能。

它的累積記錄系統能夠從IGSS自動產生的內存文件中抽取數據為工藝運行提供參數。標準檢索功能可向其他報表系統輸出數據。此外，操作員可以通過定義清晰的開放式接口由C程序語言或專為IGSS研制開發的邏輯程序語言IGAL進入IGSS數據庫。

1.4.2 應用范圍

IGSS應用范圍廣泛。一種是為工藝工程師提供的用于繪圖的圖形功能；另一種是為操作員提供的接口，用于管理和控制工廠的運行；第三種是邏輯程序編制；還有一系列報表系統，其中一種是方法處理和報表，另一種是處理人工采集的報表數據的數據端腳本；可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發展，在世界各地得到了廣泛應用。同時，PLC的功能也不斷完善。隨著計算機技術、信號處理技術、控制技術網絡技術的不斷發展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關量處理的基礎上增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領域也發揮著十分重要的作用。

所有應用功能都可作為一個整體運行，在這個整體中操作保持不變；同時，各種應用功能結合起來使用使IGSS適用于任何形式的工廠，而完整性則體現在所有應用功能都在同一個數據庫中工作。

1.4.3 系統功能

——數據采集；

——監視，控制和報警處理；

——（日，周，月，季，年）報表；

——人工報表和數據編輯；

——參數報表；

——報警報表；

——報警分析和統計；

——報警呼叫并通過電話機兼打印機通知；

——能量報警；

——數據分析和數據提取程序；

——方法處理；

——調整功能；

——輸入和輸出配置說明。

——另外在中心控制室設置有一面0.55m＊3.0m的模擬屏。模擬屏有以下功能。

A、設備控制，可以在中控進行人工干預設備的運行狀態；

B、設備狀態，顯示設備的運行，停止，故障狀態；

C、流量記錄，流時計數器可顯示當前進水流量，累計進水量，日累計時水量，累計出水量，當前出水流量以及兩臺帶式壓濾機進泥的當前流量和累計進泥量；

D、液位及溶解氧顯示，可以觀察當前氧化溝液位及溶解氧的值；

E、 記錄儀，記錄了進出水流量，進泥流量及溶解氧曲線。

二、可編程控制器（PLC）系統功能及構成

該PLC系統設有三套PLC控制站。它們分別放置在格柵間（CP06），中心控制室（CCP），污泥脫水間（CP27）。三套PLC均采用德國西門子（SIEMENS）公司的S%-115U PLC。放置在格柵間的PLC控制站（CP06）負責控制格柵間，曝氣沉砂池，鼓風機，計量槽等構筑物內的設備，并對進廠水流量進行計量；放置在中心控制室的PLC控制站（CCP）負責控制厭氧池，氧化溝，終沉池，回流污泥泵房等構筑物內的設備，并對氧化溝內溶解氧及出水調節堰水位，回流污泥泵房液位開關進行檢測計量；放置在污泥脫水車間的PLC控制站（CP27）負責控制污泥濃縮池，污泥均質池，污泥脫水機房等構筑物內的設備，并對均質池內液位，污泥投配量進行檢測計量。PLC是由摸仿原繼電器控制原理發展起來的，二十世紀七十年代的PLC只有開關量邏輯控制，首先應用的是汽車制造行業。

2.1 PLC系統的組成

每套PLC都由下列基本模塊組成：安裝機架，電源模塊，處理器模塊，離散量輸入模塊，離散量輸出模塊，模擬量輸入模塊，模擬量輸出模塊，通訊模塊，接口模塊，前連接器，操作員面板，光纖收發器等構成。CP06，CP27，CCP配置圖。光纖收發器，是一種將短距離的雙絞線電信號和長距離的光信號進行互換的以太網傳輸媒體轉換單元，在很多地方也被稱之為光電轉換器（Fiber Converter）。產品一般應用在以太網電纜無法覆蓋、必須使用光纖來延長傳輸距離的實際網絡環境中，且通常定位于寬帶城域網的接入層應用；同時在幫助把光纖最后一公里線路連接到城域網和更外層的網絡上也發揮了巨大的作用。

2.2 各主要模塊功能

2.2.1電源模板（PS）把外部電源轉換成內部工作電壓，24V鋰電池用于斷電情況下保存程序存儲器和內部標志。可設置下列開關及工作指示。

a、電壓選擇開關（VOLTAGE SELECTOR）

設置AC模板電源電壓在115VAC或230VAC，PS951還可用24VDC電源工作。

b、接通/關斷開關（INT DC POWER）

接通或關斷工作電壓。

c、復位開關（RESET）

應答電池故障出現。

d、外部3.4……9VDC插口（EXT BATT34V）

電源關斷時更換電池的后備電源。

e、電池故障指示器（BATT LOW）

指示無電池，電池安裝不正確或電池電壓低于2.8V。

f、工作電壓顯示

2.2.2中央處理單元（CPU CPU943B）讀入信號狀態，處理控制程序及控制輸出，提供內部寄存器，計時器和計數器。運行方式選擇及工作指示如下。

a、方式選擇器（RN/ST）

CPU運行方式選擇

RN——運行

ST——停止

b、復位設置開關（NR/RE/OR）

NR——無保持預置

RE——有保持預置

OR——總復位

c、工作方式LED

2.2.3 通訊處理模塊（CP）用以實現人機以及機機之間的通訊，對機器功能或過程順序的監視和控制。

2.2.4 輸入/輸出模塊（I/O）

數字量輸入模板適配數字信號。

數字量輸出模板轉換S5-115U內部信號電平成為數字信號電平。

模擬量輸入模板轉換模擬過程信號。如把傳感器或熱敏電阻來的信號，變為S5-115U數字化信號。

模擬量輸出模板把S5-115U的數字值轉換為模擬過程信號，如用于速度控制器。

2.2.5 接口模板（IM305）用于擴展模板的安裝，S5-115U安裝在一個或多個具有一定數量的安裝支架上，安裝電源模板，CPU和輸入/輸出模板的支架稱為中央基板。

三、網絡系統功能及構成

本控制系統網絡為工業以太網。在CP06 PLC控制站，CP27 PLC控制站分別配有以太網通訊處理器模塊和光纖收發器，在CCP控制站配有一個光纖交換機，在上位機內配有一個以太網網卡。通訊介質為光纖。以太網（Ethernet）指的是由Xerox公司創建并由Xerox、Intel和DEC公司聯合開發的基帶局域網規范，是當今現有局域網采用的最通用的通信協議標準。以太網絡使用CSMA/CD（載波監聽多路訪問及沖突檢測）技術，并以10M/S的速率運行在多種類型的電纜上。以太網與IEEE802·3系列標準相類似。

四、設備控制方式

設備控制方式有現場控制，電機控制中心控制，中控模擬屏控制，主控計算機控制及PLC控制，它們的控制級別由高向低排列順序為主：現場操作，PLC控制，主控計算機控制。對于一個設備的操作，只有上級所有操作狀態位于“自動”（AUTO）時此操作才能對設備進行控制。

五、設備維護

5.1 PLC日常維護

5.1.1更換鋰電池。在電源程序故障指示器顯示時，應及時更換電池，若在無電或PLC系統電源關斷時更換應接入后備電源。

5.1.2斷電處理。若預先知道停電的情況下，應先將所有設軒控制電源及溶解氧儀工作電源關閉，然后將PLC系統電源關閉；來電后應先將PLC系統電源打開，然后逐步開啟設備控制電源及溶解氧儀工作電源。溶解氧儀是測量溶解在水溶液內的氧氣的含量。氧氣通過周圍的空氣、空氣流動和光合作用溶解于水中。可用來測量用來對氧含量會影響反應速度、流程效率或環境的流程進行監控：溶解氧儀是測量溶解在水溶液內的氧氣的含量。氧氣通過周圍的空氣、空氣流動和光合作用溶解于水中。通過呼吸和分解作用，溶解氧會在水中消耗，主要依靠空氣和光合作用進行補充。水中氧的含量主要取決于溫度。溫水的氧濃度要低于冷水。但溶氧含量過高對動植物會有害。溶氧電極可以用來測量現場或實驗室內被測樣品水溶液內的溶氧含量。由于溶解氧是水的質量的主要指標之一，

5.1.3系統復位。系統斷電后來電，執行冷啟動。

若系統出現故障時應熱啟動，將復位設置開關置為（RE），將方式選取擇器先設置為停止（ST）狀態，然后再將方式選擇器設置為運行（RN）狀態。熱啟動之前，CPU將先執行冷啟動。

5.1.4更換濾網。對于PLC的CPU降溫風扇防塵濾網，應每月及時更換。

5.2.1遙控現場設備

進水是流量計數器復位。每日應定時抄表后將進水日流量計數器復位清零。

5.2.2特殊情況處理。若遇特殊情況，需進行人工干預時，應嚴格控以下步驟進行操作；

設備由一個狀態切換至另一個狀態時，應先切換至關閉（“0”）狀態，等待5S再切換至目標狀態。

注意：在手工打開出水堰板時，應開啟5S，停止5S，徐徐間斷開啟，切忌一次完全打開，以減輕終沉池負荷。

六、參數調整

SET-05進水采樣及移動橋參數

每1000M2給采樣器發送一個信號

采一個樣的延續時間/S 10

每天移動橋啟動次數 10

移動橋停止后砂水分離器延遲時間/S 600

（砂水分離器）螺旋輸送器工作時間/S 180

SET-14氧化溝參數

溶解氧最大值/（mg O2/L） 3

溶解氧最小值/（mg O2/L） 0.5

溶解氧最長檢測間隔時間/S 300

溶解氧最短檢測間隔時間/S 180

一組氧化溝的運行周期/min 240

階段一的時間長度/min 80

從D階段到DN階段轉換進開啟轉刷數 4

轉刷淹沒深度/cm 88

液位檢測周期/S 30

出水堰門工作時間/S 3

一組溝之間階段延遲時間/S 1210

SET-17污泥泵房參數

污泥回流比/% 60

（按回流比20%——100%）

每天最小回流量/（m3/h） 1000

每天最大回流量/（m3/h） 6300

（按100%回流比算出）

回流泵額定流量/（m3/h） 1500

每30min運行時間/S 1200

剩余泵每天運行時間/min 440

交替時間/min 20

SET-20出水流量計參數

每1000m3給采樣器發送一個信號

采一個樣的延續時間/S 10

七、數據分析

7.1氧化溝設備

攪拌器工作時間（min）=24＊60/運行周期（min）＊階段1的時間（min）

例如：運行周期為240min，階段1的時間長度為80min，則攪拌器工作時間=24＊60/240＊80=180（min）=8（h）

攪拌器因為在D階段也可能工作，故運行時間可能大于8H，但不會超出太多。

轉刷最大工作時間=24H-攪拌器運行時間

例如：攪拌器運行時間為8H，則轉刷最大工作時間性=24H-8H=16H

根據轉刷的工作特點，每天工作時間小于等于最大工作時間。

7.2 污泥泵房設備

7.2.1回流污泥泵

日回流量（m3）=進水量（m3）＊回流比

如果日回流量大于設定的最大日回流量，則日回流量取最大日回流量。

單臺回流泵運行時間（h）=回流量（m3）/[回流泵揚程（m3/h）＊臺數]

例如：日進水量為150000m3，回流比為60%，回流泵揚程為1500m3/h，6臺回流泵，最大日回流量為63000m3/h＊24.

日回流量（m3）=150000＊60%=90000（m3）

單臺回流泵日運行時間（H）=90000/（1500＊6）=10（H）

每30min運行時間=600/（24/0.5）=12.5（min）=750（s）

7.2.2剩余污泥泵

單臺剩余污泥泵日運行時間（H）=440（min）/60（min/h）=7.3（H）

440min是設定的參數。