LK冗余系统在AICS污水处理工艺中的应用
1.引言
柳河县污水处理厂位于柳河镇城区下游东北角，占地1.5公顷。该项目总投资4100万元，污水处理能力为1万吨/日。采用北京环境科学研究院专利AICS处理工艺。出水水质近期为一级B标准，远期为一级A标准，该项目年可减排COD919吨。污水处理厂的主控系统是污水处理工艺实现全自动化控制的关键性设备，除了要求主控系统具有很高的性能及丰富的网络接口外，还要求主控系统必须是安全、可靠的系统，故选用了和利时公司自主研发的LK冗余PLC系统。自污水厂正式投产以来全厂自控系统运行状态良好。
2.自控系统设计
2.1. 概述
整个系统设1个中央控制室、4个现场PLC控制站组成。现场PLC控制站，由和利时公司LK冗余PLC系统及检测仪表组成，对各工艺过程进行分散控制；再由中央控制室（CCR），对全厂实行集中管理。中央控制室、PLC控制站之间的数据通讯采用高速的、实时的工业以太网，网络结构为环形，通讯速率为100Mbps，传输介质为光纤。
系统结构图如下：
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2.2. 系统结构
柳河县污水处理厂自控系统分为三级管理，包括生产管理级（中央控制室）、现场控制级（PLC控制站）及就地控制级。
Ø生产管理级（中央控制室）
中央控制室设两套互为热备的监控操作站、一台便携式编程计算机、一套投影仪、一台网络打印机、一套UPS电源、一台光纤以太网交换机。
监控操作站为冗余配备，可以分别侧重监测或组态功能，故障时互为备用，具有灵活的运行方式。并且只要需要，分布在厂内其它位置的计算机（如厂长办公室、总工室、化验室等）也可以方便地通过局域网与之相连，实时监控现场各工艺过程的生产运行状况；
主要完成对生产过程的管理、调度、集中操作、监视、系统功能组态、控制参数在线修改和设置、记录、报表生成及打印、故障报警及打印，对实时采集的数据进行处理，控制操作以及分析统计等功能。通过高分辨率液晶显示器及投影仪可直观地动态显示全厂各工艺流程段的实时工况、各工艺参数的趋势画面，使操作人员及时掌握全厂运行情况。
Ø现场控制级（PLC控制站）
现场控制站配置一套控制柜。柜内包括和利时公司LK系列可编程序控制器、24VDC电源装置、光纤以太网交换机、过电压保护装置、小型断路器、接线端子、小型继电器、安装连接线缆及附件等。
厂区共设有四个分控站，每个分控站可以独立完成本地的系统控制。
第一分控制站-------进水泵房（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、鼓风机房（DI:160，DO:64，AI:16）
第四分控制站-------总配电室（DI:16，DO:16，AI:48）
Ø就地控制
将现场控制箱上的“就地/远程”旋钮切换至“就地”位置，通过箱上的“启动/停止”按钮实现就地手动控制。
3.AICS工艺特点及控制策略
3.1. AICS工艺特点
目前我国城市污水处理普遍采用的工艺有活性污泥法、氧化沟工艺和SBR 工艺等。从技术的角度而言,与欧美发达国家水平相当,但是由于我国的实际国情,完全照搬国外工艺会造成一定程度上的浪费,因此寻求一种投资和运行费用低的污水处理工艺成为关键。
传统活性污泥工艺是最早的城市污水处理技术,稳定性高、操作简便的特点使之成为应用最为广泛的一种好氧生化处理技术。氧化沟工艺(Oxidation Ditch) 是一种低负荷、延时曝气改进的活性污泥工艺系统,但延时曝气方式增大了运行能耗。丹麦Kruge 公司开发的三沟氧化沟工艺,省去二沉池可节省投资,但其存在污泥分布不均匀,容积及设备利用率低的缺点。SBR 工艺以其操作灵活多变、占地面积小、省略沉淀池等特点,在我国成为发展迅速的污水处理工艺之一。
从经典SBR、ICEAS、CASS 到DAT—IAT 再到交替运行的UNITANK 工艺和三沟氧化沟等,SBR 工艺不断改进。但无论如何变化,其各种变形工艺均存在着一定问题。因为SBR、ICEAS和CASS 为间歇式、变水位处理工艺, 这样就会给污水的连续运行带来一定困难;UNITAN K 和三沟氧化沟工艺解决了间歇式运行和变水位的问题,但却带来了污泥分布不均匀的问题。所有的这些问题都会带来池容利用率低的问题。
交替式内循环活性污泥工艺(AlternatedInternal Cyclic System ,简称AICS 工艺) 是由北京市环科院总结国内城市污水处理经验后,自行研制开发的污水处理工艺。该工艺在SBR 改进工艺基础上集氧化沟循环式推流的特点和活性污泥完全混合的特点于一体,又继承了SBR 变种工艺连续进水、连续出水、恒水位和交替式运行的特点,并且从根本上克服了UNITANK 工艺和三沟式氧化沟中污泥浓度分配不均匀的现象,提高了池容利用率和处理效率。
3.2. AICS周期控制策略
AICS系统的一个周期由两部分组成：长时工序和短时工序，二者交替运行。博士论文，LKPLC。系统的运行周期一般为4-8小时，长时工序各池的运行状态为：系统两个兼做沉淀的曝气池中，一个做为曝气池进水，另一个则做为沉淀池出水。中间两个曝气池在长时和短时工序中始终处于曝气状态。短工序时，要进入沉淀阶段的池子进行短暂的曝气和0.5小时的静态沉淀，以满足最终的出水要求而不会出现进入长工序时初始出水不达标的现象。
具体操作时间表及工艺简图如下：
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污水经水解池自流入AICS系统，首先经过厌氧池、缺氧池后进入曝气池。
1）第一周期：8点—12点
长时工序：8—10点
8点，操作顺序：
关闭1号边沟出水阀门。
开启1号边沟送风阀门，1号池开始曝气。
开启1号边沟进水阀门。关闭2号中沟进水阀门。博士论文，LKPLC。
关闭2号中沟内回流泵1，同时开启2号中沟内回流泵1。
开启4号边沟旁漂洗水池阀门。
待4号边沟出水堰槽里的活性污泥排到漂洗水池后，关闭漂洗水池阀门，开启4号边沟出水阀，开始排水。
短时工序：10点—12点
10点
关闭1号边沟进水阀门。开启2号中沟进水阀门。
11点
关闭1号边沟送风阀门，1号边沟停止曝气，开始沉淀。
2）第二周期12点—16点
长时工序：12点—14点
12点，操作顺序：
关闭4号边沟出水阀门。
开启4号边沟送风阀门，4号池开始曝气。
开启4号边沟进水阀门。关闭2号中沟进水阀门。
关闭2号中沟内回流泵1，同时开启2号中沟内回流泵1。
开启1号边沟漂洗水池阀门。
待1号边沟出水堰槽里的活性污泥排到漂洗水池后，关闭漂洗水池阀门，开启1号边沟出水阀，开始排水。
短时工序：14点—16点
14点
关闭4号边沟进水阀门。开启2号中沟进水阀门。
15点
关闭4号边沟送风阀门。4号边沟停止曝气，开始沉淀。博士论文，LKPLC。
16—20点，00—04点，按照第一周期操作步骤执行。
20—00点，04—08点，按照第二周期操作步骤执行。
3.3. 鼓风机控制策略
基于节能降耗的考虑，我们提出了根据溶解氧动态调节鼓风机转速的控制方案。每一组反应池对应两台鼓风机，鼓风机在已设定的曝气过程中启动，根据反应池中测得的DO值开启一台或两台鼓风机，调整一台鼓风机的转速及工作时间。当某一鼓风机出现故障，自动报警通知管理人员，人工启动备用鼓风机。
PLC接收所有故障信号，报警后做出相应处理。博士论文，LKPLC。
鼓风机将压缩空气通过管道送入反应池，让空气中的氧溶解在污水中供给活性污泥中的微生物。鼓风机在工频状态下起动时，电流冲击较大，容易引起电网电压波动，而鼓风机（罗茨）风压一定，风量只能靠工作台数及出气阀来调节，实际生产运行中往往是通过调节出气阀门来控制，即增加管道阻力。博士论文，LKPLC。因而许多能量多浪费在阀门上。
本方案在鼓风机上应用了变频器，由于变频器的软启动大大的减小了电机起动时对电网的冲击，而且在正常运行的时候，将出气阀门开到最大，根据工艺和参数的要求，适当的调节电机的转速来调节管道的风量，从而来调节污水中的溶解氧（DO）。而且可以根据溶解氧传感器反馈的信号（4~20MA）很方便的实现闭环自动控制。具体实现方法如下：
当当前溶解氧值小于设定值时，开启一台鼓风机，并进行变频调节；
当变频器频率达到最大，且溶解值仍小于设定值，则再开启一台鼓风机，此时两台鼓风机一台工频运行，一台变频调节；
当变频器频率达到最大，且溶解值仍小于设定值，则再开启一台鼓风机，此时三台鼓风机两台工频运行，一台变频调节；
相反，当当前溶解氧值大于设定值时，变频器频率减小，当频率减小至0时，且溶解值仍大于设定值，则停止一台鼓风机，继续变频调节；此过程中若当前溶解氧值大于设定值，则再停止一台鼓风机，继续变频调节，如此类推，直至当前溶解氧满足设定范围。
另外，系统将统计各台鼓风机的累计运行时间，每次启动或停止鼓风机时，需比较各鼓风机的累计运行时间，累计运行时间后启动，先停止，尽量各鼓风机的运行时间均衡，以延长鼓风机的使用寿命。
鼓风机控制框图如下：
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4.系统特点
系统整体性能具有如下特点：
Ø系统软件内核集成了先进的过程控制算法
本方案设计中溶解氧的调节采用了LK冗余系统自带的PID算法功能块，该PID功能块算法先进，稳定性好，PID功能块主要提供了以下内置功能：
提供微分滤波处理功能，即：在PID的微分部分串联一个一阶惯性环节，对微分运算结果实现低通滤波和平滑处理；
具有偏差死区功能；
具有积分饱和处理功能，即如果输出达到上限，则不再进行正向积分，只进行负向积分；如果输出达到下限，则不再进行负向积分，只进行正向积分；
具有输出限幅功能；
提供“手动/自动”无扰切换功能；
支持前馈，可用于周期性的控制任务，允许多次调用。
Ø高性能
LK冗余系统的CPU主频达到了533MHZ，单条指令执行时间只有13ns，具有16M的程序存储空间和64M的数据存储空间，能够充分适应复杂污水处理工艺对PLC系统性能的要求。
PID算法占用PLC的资源是比较大的，一般小型的控制器产品，只能同时支持几路PID调节。LK冗余系统在设计过程中，专门针对其高性能做了多种实验，模拟了多种复杂工艺控制需求，即使同时使用2000个PID调节算法块进行运算，LK的运行负荷也不会达到额定值的50%。这就充分证明了LK冗余系统能够适应各种复杂的污水处理工艺对控制器产品的高性能要求。
Ø支持6种标准的编程语言
LK冗余系统支持LD、ST、FBD、SFC、IL和CFC六种标准的编程语言。针对不同的控制工艺要求，采用与之相适应的编程语言，往往可以达到事半功倍的效果。例如AICS的周期控制策略时序性比较强，是典型的顺序控制，使用SFC编程语言可以更清晰的构建程序逻辑。针对溶解氧调节等过程控制，使用CFC编程语言可以把所有的变量全部放在同一窗口下，为程序调试提供了更好的便利性。ST编程语言比较适合熟悉高级语言编程的开发人员；IL编程语言与汇编语言比较相近，能够使单片机开发人员快速对PLC编程进行上手。LD和FBD编程语言更加符合一般电气工程师的编程习惯。
Ø故障诊断
LK系统具有一套完整的自诊断功能，可以在运行中自动地诊断出系统的任何一个部件是否出现故障，并且在监控软件中及时、准确地反映出故障状态、故障时间、故障地点、及相关信息。在系统发生故障后，系统的I/O点可以根据预先设置的状态进行输出，最大限度的减少由于系统故障造成的损失。
Ø扩展性和兼容性
本系统上层采用TCP/IP协议进行通讯，TCP/IP协议是目前开放性最好的协议，可以轻松进行系统扩展。
本监控系统的数据库结构应为面向对象的，实时式，关系型数据库。系统对数据变化响应可达到1毫秒。操作系统和监控软件具有冗余和容错及灾难性恢复等功能。
本系统的组态软件支持DDE、OPC、ODBC、SQL，且提供丰富的API编程接口，同时也为世界各大PLC厂商，如Modicon、Siemens、AB、GE、Omron等的设备提供了完善的驱动程序库，从而可以将其它系统轻松接入本系统。
5.结束语
本文论述了LK冗余PLC系统在AICS污水处理工艺中的应用，充分发挥了LK可编程控制器配置灵活、控制可靠、开放性强和在线维护方便等优点，为整个系统的安全稳定运行提供了可靠保障。LK冗余PLC系统已在多种不同的污水处理工艺中得到实际应用，为企业带来了可观的经济效益和良好的社会效益。
参考文献
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[5]和利时公司.HOLLiAS LK大型可编程控制器硬件手册.2008.
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