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1 引言

进入21世纪以来，我国人口数量快速增长，用水需求量明显加大，是我国城市可持续发展的主要矛盾之一，因此解决城市水资源缺乏和水环境恶化问题刻不容缓。而随着自动化技术在各行业的不断发展，污水处理行业的自动化水平也在快速提高。目前，在污水处理行业中多采用PLC控制器进行自动控制，上位计算机进行工艺参数监视和设置的系统控制模式[1]。本文以海兴县污水处理厂为例进行系统组成、功能等介绍。

海兴县污水处理厂设计规模为日处理污水二万吨，出水标准为一级A。水厂工程采用CASS+深度处理工艺CONTROL ENGINEERING China版权所有，厂区主要由格栅及沉砂系统、提升泵房、CASS池生物反应系统、曝气生物滤池系统、V型滤池系统及污泥浓缩系统构成。

2 污水处理控制系统的硬件设计

2.1 控制系统整体结构

污水处理厂自动化控制系统分为三级管理，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。现场各种数据通过PLC系统进行采集，并通过主干通讯网络——工业以太网传送到中央控制室监控计算机集中监控和管理。同样，中央控制室监控计算机的控制命令也通过上述通道传送到PLC的测控终端，实施各单元的分散控制。

(1)生产管理级(中央控制室)

中控室管理层是系统的核心，完成对污水处理过程各部分的管理和控制，并实现厂级的办公自动化。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，操作人员可及时掌握全厂运行情况。

(2)现场控制级(PLC站)

控制层是实现系统自动控制的关键。按照自动控制工艺要求，控制层的PLC通过程序控制整个污水处理厂的设备，实现对现场设备运行状态以及参数(如压力、流量、温度、PH值等)的采集，以及执行管理层的命令。

(3)就地控制级(设备层)

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”按钮实现设备的就地启停控制。

2.2 下位PLC系统配置

海兴县污水厂自动控制系统采用北京和利时公司的LK系列PLC作为主控制器对生产过程进行监视和控制。模块式PLC控制系统的硬件部分主要包括CPU模块、I/O模块、通讯模块、电源模块、接口模块等，根据控制功能的复杂程度和控制对象的点号统计进行相应的配置。据统计，整个污水厂需要PLC控制的I/O点共829，共分四个PLC控制站：1#PLC站仅有一个主站;2#PLC站仅有一个主站;3#PLC站包括主站和一个远程从站;4#PLC站包括主站和两个远程从站。各个控制站的功能和分别如下：

(1)污泥脱水机房工作站——1#PLC控制站

负责采集水厂进水水质数据，以及格栅系统、旋流沉砂系统、污泥浓缩系统设备的状态采集和设备的控制。

(2)鼓风机房工作站——2#PLC控制站

负责采集CASS池水质数据，以及搅拌系统、滗水系统、曝气系统设备状态的采集和设备的控制。

(3)曝气生物滤池工作站——3#PLC控制站

负责采集曝气生物滤池水质数据，以及二次提升系统、曝气系统、反冲洗系统设备状态的采集和设备的控制。

(4)V型滤池工作站——4#PLC控制站

负责采集V型滤池水质数据，以及反冲洗系统、出水系统设备状态的采集和设备的控制。

总而言之，PLC 控制系统实现了主站与从站的数据交换及数据处理，主站对各个从站的监控和人机交互的可视性。

2.3 上位监控系统硬件配置

工程师和操作员站设立在中控室，其主要由两套互为冗余的操作站、一套投影仪、一台故障打印机、一台图表打印机、一套UPS电源组成。

中控室的两台监控操作站，其中一台为系统监控管理计算机，可对在污水处理厂的各类设备状态、工艺过程参数进行实时检测和监控，提供给操作人员、管理人员进行运行管理的人机界面，另一台为信息监控管理计算机，负责实时和定时记录以及报表的生产和打印。

3 污水处理控制系统的软件设计

3.1下位PLC控制程序开发

PLC程序设计采用北京和利时公司推出的Powerpro 下位机软件，根据工艺要求，编写格栅、提升泵房、旋流沉砂池、CASS池、二次提升泵、曝气生物滤池、V型滤池等子程序。

(1)格栅系统控制

格栅系统主控对象为格栅机组、螺旋输送机以及超声波液位计。其控制可在监控计算机上设置液位控制和定时控制，当采用液位控制时，是靠格栅的前后液位差来控制格栅机的启停，当液位差达到设定的水位上限时，PLC控制器会发出命令启动格栅设备;当水位差小于设置的下限时，格栅机组将接受到PLC控制器发出的停止的信号。操作人员可以在上位机上设定设备的启停液位或者运行周期。

(2)提升泵控制

提升泵的控制工艺要求是根据液位的高低来自动控制提升泵的启停，项目现场采用两用一备方式。当其中的泵出现故障时，故障泵会自动切出自控程序，备用泵会自动切入自控程序。这样长期运行能保证泵的运行时间大致相同。

(3)旋流沉砂池系统控制

旋流沉砂系统主控对象为搅拌器、罗茨风机和砂水分离器。系统工作原理如下：污水从沉砂池的切向进入，具有一定的流速，从而对沙砾产生离心力，使较重的沙砾沿池壁沉降到池底集砂槽。搅拌器的桨叶旋转形成轴向涡流CONTROL ENGINEERING China版权所有，产生一个轻微的上升流动，从而带动污水排出，流入下一道工艺流程进行处理。罗茨风机为旋流沉砂池提供空气，达到气提的作用，另外气提直接将沉砂输送到砂水分离器，实现沙砾与污水的彻底分离[2]。其控制工艺要求如下：搅拌器、风机和砂水分离器以一定周期运转，通过工程师站可以设定运行时间。

(4) CASS池系统控制

CASS池系统操作周期分为四个步骤：曝气阶段，鼓风机向反应池内充氧www.cechina.cn，此时有机污染物被微生物氧化分解;沉淀阶段，微生物利用水中剩余的DO进行进一步氧化分解，活性污泥逐渐沉淀到池底，上层水变清，污泥回流泵将部分活性污泥送回预反应区，剩余污泥泵则将反应池多余污泥抽到污泥脱水间;滗水阶段，沉淀结束后，置于反应池末端的滗水器开始工作，自上而下逐渐排出上清液;闲置阶段，滗水器上升到原始位置阶段，等待下一周期滗水。根据上述工艺要求，对CASS工艺的各个阶段编写控制子程序。

(5)曝气生物滤池系统控制

曝气风机其控制工艺要求：曝气风机为24小时运转，每天中午12点更换一台风机，这样可以保证三台风机运行的时间大体相等。

反冲洗系统控制主要是控制反洗风机、反洗泵以及阀门来实现反冲洗的功能，每两天进行一次反冲洗。

(6)V型滤池系统控制

V型滤池系统的自动控制主要是滤池的自动反冲洗功能。子程序控制的主要设备有反洗泵、反洗风机、阀门以及仪表工艺参数，每两天进行一次反冲洗。

3.2上位机监控系统的实现

本控制系统上位监控系统采用北京和利时公司的上位机软件FacView。监控软件将现场各分系统的运行状态形象、直观、实时地显示在中控室的工控机上，使操作员在中控室能实时获得现场数据和信息并对污水处理厂的运行进行管理。友好的人机界面把分散的、单回路的测控系统进行了统一的管理，另外还有数据报警、历史数据存储、报表显示、趋势显示等多种功能。

计算机监控画面主要包括全厂工艺图、格栅及沉砂系统、CASS工艺、曝气生物滤池、V型滤池、仪表数据图、趋势图、报警图、报表，各个画面之间可以实现自由切换控制工程网版权所有，

4 结语

该自动控制系统实行集中控制CONTROL ENGINEERING China版权所有，分散管理的方式，把管理层和控制层分开，通过对全过程的监控，实现了污水处理整个过程的全自动化运营，保证了污水生产运行的安全可靠，大大提高了污水处理的自动化控制水平和管理水平，减轻了劳动强度，从而提高了生产效率，降低了水厂能耗。其中，PLC 控制器发挥了相当重要的作用。自投产运行以来，控制系统运行平稳，处理水质达到排放标准，不仅改善了人们的生活环境，而且为社会的可持续发展发挥了积极的作用，取得了社会和经济双重效益。

引言

柴油发电机组在应急供电、远离电力网的海岛矿山供电中广泛应用，对供电系统基本要求是提供稳频稳压的电源;柴油发电机组自动化控制特别是多机并列运行机组有其自身特点，因为柴油发电系统容量小，对机组调速器的调整改变的不仅是有功还可能影响系统频率，对机组励磁的调整改变的不仅是无功还可能影响系统电压。在机组的自动化控制方面，已经有一些专用核心控制器在应用，如丹麦DEIF公司的GPC很早就我国在船舶电站中应用;国内也有公司开发出类似控制装置，但主要还是以多个控制模块组合控制为主，如并车模块、负载分配模块等; 本文探讨一种采用PLC为核心控制器和其它电气设计人员熟悉的元件组成的多台柴油发电机组控制系统，可大大提高系统的可靠性和可维护性，且控制方式灵活。

一、典型应用系统方案

某典型应急供电系统含三台发电机组，QF1～3为机组开关，QF4为机组总供电开关，QF5为市电开关，QF6为负载开关。PLC1～3为机组控制元件;ME1～3电力综合仪表为机组电量监视元件，提供机组过电流、逆功率等保护功能;PLC4为公用控制元件，上位监控采用1台触摸屏即可。

公用PLC可完成QF4、QF5的位置监控、公用起动条件监视、起停顺序管理、发出各机组起停命令信号、接受机组起动阻塞信号等，甚至还可以进行大负荷投入的闭锁控制、公用蓄电池管理等。机组控制PLC主要执行机组起动控制、并列元件自动投退、功率分配、机组解列控制等主要控制工作。

对柴油发电机组起停控制、开关闭锁等一些时序控制与逻辑控制，本文不多介绍，重点讨论机组频载控制;当然还应该提到另外两个重要控制元件，电子调速器与并车模块。并车模块与其它发电厂所用的自动准同期装置在原理、功能、接线方式上并无二致，主要区别在于自动准同期装置所加电压信号来自电压互感器，为交流100V;而柴油发电机组的并车模块可以直接接入交流380V电压信号。 电子调速器实际就是一个速度闭环控制模块，单机运行中对保证频率稳定，在机组并列运行中，就应该用到droop功能，即下降曲线控制方式，另外为了减少因为下降曲线控制带来的频率降和实现功率分配，辅助控制电压(AUX)的重要作用就体现出来了，本文所述PLC控制，就是将PLC产生的控制信号作用于辅助控制端而实现的。

二、机组并列运行的频载控制方式和PLC控制探讨

机组能够稳定并列运行的一个基本要求是对转速频率控制、电压无功控制采用有差调节， 其实这两项控制的模式完全一致;为了实现有差调节，频率闭环控制系统的反馈量叠加有功功率分量K· Pf，图2就是一个频率有差调节的框图， k>0的情况下，控制结果为下降曲线，见图3所示;显而易见，曲线3的功率叠加系数大于曲线1的功率跌加系数，所以下垂更加明显;如果k=0，则转变为恒频控制，适合单机运行;假设将频率返回量乘以系数二，则电机频率(转速)为设定值的一半，就可以实现机组怠速运行; 以上所述就是电子调速器的基本原理。如果要对电压无功进行有差调节，只是将频率改为电压，将有功改为无功，由于柴电机组励磁多采用相复励不可控励磁，可以通过多种均压线方式进行无功分配，且电压稳定，这里不做过多论述。

柴电机组并列运行的频载控制方式主要有以下几种：①全部采用下降曲线，②功率均分或按比例分配，③主调电机法，即设一台调频机组，其它机组采用固定功率控制。下面试探讨论采用PLC的PID控制、高速计数、模拟量采集和模拟量输出功能进行机组频载控制的方法。PLC通过高速计数输入口计算速度传感器脉冲数以获取机组转速，被控机组功率和所有并列运行机组总功率通过安装于本机的智能仪表和总电量监视仪表(如图1中的ME4)变送输出，当然也可以采用有功功率变送器。

采用下降曲线控制时，可以设置xset = fN-ff(fN为系统额定频率)，强制xf =0，PLC只是维持系统频率稳定，功率分配由各调速器调差率决定。虽然没有实现功率分配功能，但克服了单纯采用电子调速器下降曲线控制带来的频率偏差。

各机组额定功率相同时，可以采用功率均分控制，以图1所示系统为例，可将xset设置为(fN-ff )+Pz / 3，xf设置为Pf(Pf为被控机组的有功反馈，Pz为负载消耗功率)，若该机组输出功率小于功率平均值，则该机组运行曲线上移，斜率不变，机组承担更多有功;反之机组运行曲线下移，减少有功出力;各机组功率不断调整，直到实现功率均分;当系统频率发生变化时所有并列运行发电机组共同调整。各机组额定功率不等时，

机组额定功率相差悬殊时，可采用功率大的机组作为主调机组，承担系统主要功率，其电子调速器采用恒转速控制，PLC实现频率微调功能，设置方式与下降曲线控制一致;机组控制与下降曲线控制的主要区别是禁止了电子调速器的droop功能。功率很小的机组只作为功率补充之用，电子调速器必须设置droop功能，PLC采用功率闭环控制。这样的系统中只能设置一台主调电机，否则无法并机工作。

三、过渡过程的控制分析

现按照机组并列运行后采用功率均分方式运行分析机组过渡运行过程的控制策略。所有机组起动时，怠速时间内，PLC不参转速与控制，只进行怠速时间计时，怠速时间结束后，采用转速闭环控制，以方便接受自动准同期的增速、减速命令。如图1所示，市电停电后，PLC4跳开断路器QF5并禁止QF5合闸，向G1发起机命令，G1启动建压后检测到QF1～QF3全部分位，则不检同期合闸;机组单机运行时，电子调速器采用恒速控制;PLC4合上断路器QF4、QF6，向负载供电。由于负载增加，QF4向2号机组控制器发起机命令，2号机组起动成功后，检测到QF1合位，则接通同步模块回路，进行准同步并网。并网成功后，1、2号机组控制器检测到QF1、QF2合位，立即转入功率均分运行模式，两机组电子调速器投入droop功能(采用下降曲线控制)，机组1控制曲线下移，机组2控制曲线上移，机组1向机组2转移负荷，终达到平衡;同样机组3并入后，机组1、机组2同时向机组3转移负荷并终达到平衡;不同之处在于2台机组并机运行时，功率控制目标为Pz / 3，3台机组并机运行时，功率控制目标为Pz / 3。当所需功率下降时，可以减少一台机组运行，假设1号机组接到解列命令，首先将其功率控制目标改为0，其控制曲线缓慢下降，机组逐渐甩负荷;由于另外两台机组的控制目标仍然为Pz / 3，可能会导致机组出力不足，但将频率差引入控制目标，保证了频率稳定;在1号机组有功负载降至额定值20%以下后，可择机断开断路器QF1，机组1解列后，按停机流程停止运行。继续运行机组检测到有两台断路器处于合位，则将功率控制目标修改为Pz / 2。当然，如果将机组1开始解列操作的信息以开关量信号通知2号、3号机组控制器，则功率转移的过程更平稳。

四、系统的可实现性和稳定性析

通过以上分析，为实现频载控制，机组控制PLC应具备1路PID运算功能、1路高速计速功能，需2路模拟量(本机有功、总有功变送)输入、1路电压模拟量输出，另外还需要为数不多的开关量。公用控制器以开关量为主，当然，如果机组数量增加，也就相应增加输入输出点数量。可见西门子S7-200这个层级的PLC就能胜任控制任务，即使增加AVR控制功能，也不在话下。

从系统的稳定性方面来说，PLC频载控制指示对机组调速器控制的辅助控制，作为补充功能;PLC控制器以比例积分控制为主，系统的稳定性快速性得到保障。由于电子调速器提供了转速限制功能，智能电量仪表提供了电量保护功能，系统的安全性得到保障。

五、结束语

PLC除具备逻辑运算功能外，还具有丰富的数值计算、模拟量处理、高速计速、数据通讯等功能;充分利用PLC的各项功能，并配以必要的变送器，可以实现柴油发电机组并列运行的各项自动控制功能，可以保证系统运行的稳定性可靠性，由于所采用的元件为广大电气人员所熟悉，增强了系统的可维护性。