图1  前锋净水厂工艺流程图

广州市番禺区前锋净水厂二期工程是2010年广州亚运会重点配套工程，ABB AC500 PLC在二期工程中发挥巨大作用，实现全厂生产、管理和办公自动化，保障污水处理厂运行安全，水质达标。

前锋净水厂位于广州市番禺区位于石碁镇前锋村东南角，总设计规模为总六期共60万t/d，是国家重点污染源在线监测必检单位。一期工程规模为10万t/d，已于2004年4月投入运行；二期工程规模为10万t/d，于2008年12月15日开工，2010年5月31日完成安装并投入调试运行。前锋净水厂目前为番禺区第一个大型城市生活污水处理厂，也是广州南部最大的污水处理厂，有效解决了亚运城污水（赛时规划4.48万人口，赛后5.6万人口的污水处理）、亚运城周边河涌、市桥水道、沙湾镇、石基镇、石楼镇等194km2污水处理问题，服务人口68.71万人。

二期厂内工程主要包括二期生化池2个、消毒池、加氯间、配电房、总配水井、污泥料仓、除臭装置各1个，各系统工艺设备、电气、自控系统、厂内管网、构筑物周边道路绿化工程及一期厂区进出管网改造。前锋净水厂总规划到2020年将能服务103万人口。除厂区工程外，二期工程还包括2个管网工程和5个泵站的建设。其中管网工程包含前锋二期污水处理厂截污管网工程及石楼石碁沙湾管网工程。净水厂主管管长约17.197km，传输干管及配套管网合计约22km。

污水处理工艺流程简介

前锋净水厂整体运转管理分为污水提升及一级处理单元、二级生化处理单元、消毒及物化除磷单元、污泥脱水单元及配套供氧单元、生物除臭及污泥料仓等,工艺流程图如图1所示。

该工程运用了改良UNITANK工艺，即在原工艺基础上增加厌氧区和污泥回流系统，使构筑物结构紧凑和一体化，有效解决了几方面的问题，如：生化池空气需求量变化大造成鼓风机频繁喘震、池底面积大排泥不畅、出水堰始端积泥及反冲洗不干净、生化池曝气阶段泥水混合不均匀、化学除磷药剂投加量大和低温影响硝化效果。

图2  前锋净水厂二期系统结构图

自动化系统总体设计

水处理行业自控系统特点

污水处理厂的自动化控制系统涉及传感器技术、计算机技术、自动控制技术和网络通信技术等高新技术，确实是一个复杂、庞大的系统工程。此外，污水处理又是个多参数（如液位、水质成分、流量、污水输送、曝气量控制、水泵的开停等）、多设备（如格栅机、水泵、曝气机等），而且具有时变性、随机性和耦合性的复杂系统，所以污水处理是一个非常复杂的过程。因此控制系统必须满足如下要求：

灵活性：系统不断优化，升级改造是水处理行业发展的主要特点，大量新建项目和旧系统的改造对自动化系统的可扩展性和兼容性提出了非常高的要求。

可靠性：水是人类赖以生存的资源,自动化系统运行的稳定性在很大程度上影响着水质安全；即使在发生故障时，系统也应该具备就地迅速诊断并解决问题的能力。

高效性：在水处理行业，过程优化是系统有效运转的前提；而过程优化的基础则是将自动化系统和信息进行有效结合。因此，自动化系统的通信能力显得尤为重要。

前锋净水厂二期工程系统构成

根据污水处理工艺的要求，该系统主要采用了现场检测仪表、可编程控制器、工业计算机的监控模式。通过检测仪表采集工艺和控制参考，ABB AC500 PLC作为控制单元，根据污水处理流程读取仪表信号及各被控设备状态信号，同时将命令传输至各控制设备。整个系统由中央控制室、各分布PLC控制站、现场仪表等构成三级监控网络，完成数据采集、处理及对现场设备监控的功能。系统结构如图2所示。

图3  现场PLC控制站

PLC控制站的设计

PLC是实现自动控制的核心。各PLC控制站主要负责采集现场各个传感器信号，除了把信号转换后传给上位机，由上位机进行显示和控制外，还要根据控制要求对现场控制柜执行相应的自动控制，所以各分站PLC不但具有中心控制作用，而且起着数据中转站的作用。由此可见，PLC的选型十分重要，PLC选型主要考虑以下几个方面：

CPU处理速度：CPU执行指令速度越快，扫描周期越短，实时性越好；

I/O点数：I/O点数要达到要求，并留有20％的备用点；

通信能力：通信速度、可扩展性和开放性也是一个重要指标。

该系统PLC采用ABB公司AC500系列，ABB公司在国内外水行业有较多的成功业绩。为了满足控制性能要求，PLC选型时充分考虑了可靠性、先进性和可扩充性。能够承受工业环境的要求，具有良好的抗酸性、抗腐蚀性，适应较宽的温度变化范围，选用的PLC设备的平均故障间隔时间（MTBF）均满足系统稳定可靠运行要求。PLC系统结构简单、使用方便、程序编写方法简单易学。

整个控制系统设计为分布式结构，采用CPU + 远程I/O的方式，通过总线通信以提高系统的灵活性和精确性。

PLC1站为预处理站，CPU安装在提升泵房，远程I/O安装在沉砂池，其功能为：

监测粗格栅、皮带运输机的运行状态并对他们进行控制；

监测提升泵房液位和提升泵的运行状态并对提升泵进行控制；

监测细格栅、旋流沉砂池的状态并对他们进行控制；

采集进水、出水水质自动采样器数据。

根据控制要求，PLC1共需数字量输入136点，数字输入/输出56点，模拟量输入32点，另外预留20％备用点，PLC1站设备如下：

1.CPU模块

选用ABB AC500系列PM590-ETH，它支持多种通信方式：以太网、PROFIBUS-DP、MODBUS和自由口等通信功能，可用于中大规模的I/O配置。它具有2048KB的程序存储器，强大的数据处理和通信能力。

图4  中控室监控画面

2.电源模块

2个CP-S 24/5.0电源模块，给CPU和I/O模块供电；1个后备锂电池：TA521。

3.数字型号模块（DI/DO）

3个32点数字量输入模块：DI524。2个16点数字量输入和16点可配置为数字量输入/输出模块：DC532。1个16点可配置为数字量输入/输出模块：DC522。

4.模拟信号模块(AI/AO)

2个16点模拟量输入模块：AI523

5.编程软件

符合IEC61131-3 CoDeSys标准的PS501 Control Builder。

6.其他

8个TU515；集成螺钉接线端子；24VDC电源供电的I/O模块底板；1个DC505-FBP分布式PROFIBUS-DP接口模块；1个10.4in触摸屏CP450T；1个CPU底板TB511-ETH；1个终端电阻PDR11-FBP.150；1个总线适配器PDP22-FBP.050；1个FPB总线适配器转换头PDM11-FBP.0。

PLC2站和PLC3站分别为1#、2#生化处理站，CPU安装在配电房和鼓风机房，远程I/O安装在生化池，其功能为：

监测鼓风机运行状态并进行控制；

监测污泥回流泵状态并进行控制；

监测进水量、液位、流量和温度并进行控制；

监测反应池DO量并对曝气量进行控制；

监测剩余污泥浓度并进行相关控制。

PLC2站和PLC3站共需数字量输入688点，数字输入/输出264点，模拟量输入48点，硬件选型基本和PLC1站类似，只是数量上有所不同。值得提出的是，PLC2站在扩展I/O时选用了DC551-CS31和TU551-CS31模块，组成CS31通信网络，其特点是具备较高的性价比，非常适合水处理行业的应用。

PLC4站和PLC5站分别为1#、2#出水处理测控站，CPU安装在脱水机房和配电房，远程I/O安装在加药间，其功能为：

监测出水水质并进行控制；

控制1#~3#鼓风机软启动器；

监测1#~2#紫外消毒系统并进行控制；

监测1#~2#污泥脱水系统并进行控制；

监测药液制备系统并进行控制；

监测1#~2#污泥料仓系统并进行控制；

监测除臭装置并进行控制。

PLC4站和PLC5站共需数字量输入216点，数字输入/输出72点，模拟量输入48点，硬件选型基本和PLC1站类似，只是数量上有所不同。现场PLC控制站如图3所示。

中央监控室

中央控制级（图4）主要功能如下：

显示多幅工艺流程画面，并实时显示巡检参数；

对PLC站送来的数据进行分析处理、存储、建立数据库；

向PLC发布指令，实时控制和调节设备运行；

在线故障诊断、报警；

模拟量数据显示、历史趋势显示；打印报表。

小结

该项目中采用的ABB AC500 PLC具备可靠、灵活、高效的特点，自项目建成投运以来一直稳定地保证番禺地区污水处理的出水水质。2011年6月10日，2010年中国水利优质工程大禹奖颁奖大会在北京举行，前锋净水厂二期厂内工程荣获“中国水利优质工程大禹奖”*，这是我国城市污水处理行业首次获得该殊荣的工程。

“大禹奖”是中国水利工程行业优质工程的最高奖项，每年评选一次，评奖标准以工程质量为主，兼顾工程建设管理、工程效益和社会影响等因素，由国家水利部水利工程协会在全国范围内进行组织评选。在参与该奖项评比的众多工程项目中，评审专家组一致认为，前锋净水厂二期厂内工程设计技术领先，建设流程规范，施工质量优良，自动化程度先进，堪称我国城市污水治理的示范工程。