基于LK冗余方案的紀莊子污水處理廠自控系統升級改造

葛立福1） 江曉川2）于進2）

（天津市濱海水業集團，300381）

 

摘  要         和利時LK系列PLC應用于天津紀莊子污水處理廠升級改造工程，根據污水處理廠工藝要求，提供了一種降低成本、節省空間、更優化的控制方案。本文介紹了控制系統的組成和軟件設計思路。該污水處理廠自動化控制系統的全套硬件設備及軟件設計工作由北京和利時自動化驅動技術有限公司完成，其自動化控制系統由一個中央控制室和4個PLC現場控制站組成。

關鍵詞       和利時LK系列PLC；污水處理廠自控系統

1         引言

紀莊子污水處理廠位于天津市河西區衛津河以西、津港運河以北、紀莊子排污河以南的區域，占地面積30公頃。紀莊子污水處理廠的污水處理工藝采用多級AO處理工藝。紀莊子污水處理廠升級改造工程是天津市污水處理工程項目之一，主要內容包括污水處理廠的工藝設備、電氣設備和自控儀表設備等的升級改造。紀莊子污水處理廠服務于天津市紀莊子排水系統，升級改造工程的設計處理能力為45萬噸/日。

紀莊子污水處理廠升級改造工程的工作內容包括改造老系統曝氣沉淀池、改造老系統初次沉淀池集配水井、改造老系統初次沉淀池、改造老系統初次沉淀池為厭氧池、改造老系統生物池、改造老系統污泥泵房、新建老系統接觸池、改造老系統加氯間、改造擴建系統初次沉淀池為厭氧池、改造擴建系統生物池、新建擴建系統接觸池、改造擴建系統污泥泵房、新建加藥及碳源投加間、新增除臭系統。污水和污泥的處理工藝流程如圖1所示。

圖1 污水和污泥處理流程框圖

2         污水處理自控系統的總體設計

2.1         系統總體設計

為了保證生產過程的安全可靠性和生產連續性，兩個增補站繼續使用歐姆龍CS1系列PLC，兩個新增站采用基于和利時LK系列PLC的集中和分散相結合的自動化控制系統，實現對全廠工藝參數、電氣參數和設備運行狀態的監測、控制、連鎖、報警以及報表打印等。通過主站和遠程站間的通訊，完成整個工藝流程所必需的數據采集、數據通訊、順序控制、時間控制、回路調節、上位監視和管理等功能。不僅滿足了工藝流程的要求，而且還能實現安全生產，提高生產管理水平。整個系統由1個中央控制室和4個現場控制站組成。現場控制站由PLC系統和檢測儀表組成，對各個工藝過程進行分散控制，再由中央控制室對全廠實行集中管理。

2.2         系統網絡結構

本系統的網絡通訊結構具有簡明、高效﹑開放的特點，將以前的五層通訊結構簡化為管理層﹑控制層和設備層等具有優異通信功能的三層網絡，如圖2所示。管理層采用Ethernet網絡，實現PLC與上位機之間、PLC與第三方設備之間的數據通信。控制層采用Profibus-DP網絡，負責各個控制器與IO模塊的通訊。

設備層可以采用串行總線網絡、Ethernet網絡或Profibus-DP網絡等多種。

設備層網絡用于實現開關﹑儀表和人機界面等現場設備與PLC之間的通信。

就地控制具有最高的控制權限。當自控系統由于一些不可抗力導致無法正常運行時，可以通過就地控制保證污水處理過程的連續性。將現場控制箱上的“就地/遠程”旋鈕切換至“就地”位置，通過箱上的“啟動/停止”按鈕實現就地手動控制。

圖2 和利時LK系列PLC控制系統網絡的三層體系結構

 

2.3         系統結構與配置

根據污水處理工藝的控制要求，污水處理工程自動化控制系統分為三級管理，包括生產管理級（中央控制室）、現場控制級（PLC控制站）和就地控制級。現場各種數據通過PLC系統進行數據采集，并通過主干通訊網絡傳送到中央控制室的監控計算機，實現集中監控和管理。中央控制室和PLC控制站之間的數據通訊采用高速實時工業以太網，網絡結構為環形，傳輸介質為光纖，通訊速率為100Mbps。同樣，中央控制室監控計算機的控制命令也通過上述網絡傳送到PLC，實施對各單元的分散控制。污水廠自動化控制系統拓撲結構與功能配置如圖3所示。

圖3 污水廠自動化控制系統的拓撲結構與配置圖

3         污水處理自控系統的結構與配置

3.1         生產管理級（中央控制室）

中央控制室設有兩臺監控操作站、一臺工程師站、兩臺數據服務器、一臺視頻監視服務器、一套DLP拼接屏、一臺故障打印機、一臺圖表打印機、UPS電源、一臺網絡機柜。中央控制室主要完成對生產過程的管理、調度、集中操作、監視、系統功能組態、控制參數在線修改和設置、記錄、報表生成及打印、故障報警及打印，對實時采集的數據進行處理，控制操作以及分析統計等功能。通過高分辨率液晶顯示器及DLP拼接屏可直觀地動態顯示全廠各工藝流程段的實時工況、各工藝參數的趨勢畫面，使操作人員及時掌握全廠運行情況。同時，中央控制室還配置了專業的工業數據庫軟件King Historian，該項目需要進行歷史數據存儲的變量點數達8000多點，同時對數據的存儲頻率要求很高，普通變量要求30秒鐘記錄一個數據，對于數據精度要求較高的變量，例如“瞬時流量”，要求10秒鐘記錄一次。所存儲的數據包括各監測點水質數據、瞬時流量、累計流量，提升泵、閘門、污泥泵、刮泥機、攪拌機、鼓風機等各設備電壓、電流、功率、耗電量，各設備啟停時間、啟停次數、累計運行時間、故障次數等。

3.2         現場控制級（PLC控制站或控制層）

控制層是實現系統自動控制的關鍵，控制層的PLC通過程序控制整個污水處理廠設備按照工藝要求自動運轉，并實現對現場設備運行狀態的采集，現場參數有壓力、流量、溫度、PH值等，采集到的數據上傳至管理層，并最終通過工業數據庫軟件King Historian進行存儲。

按照工藝流程和構筑物分布特點，廠內現有4套不同規模的分控站（PLC1~4）。根據工程改造內容、工藝及控制對象的功能、設備量，以及工藝流程、平面布置、現有控制站布局，將更新現有分控站PLC2和PLC3，調改現有分控站PLC1和PLC4，各PLC分別負責各自范圍內工藝參數的采集和設備運行的控制。具體內容如表1所示：

表1 各PLC控制站工藝控制范圍

 

4         污水處理自控系統的主要功能

基于LK冗余系統的污水處理自控系統具有很高的自動化程度，系統功能完善，具有良好的操作和使用性能。

4.1      權限管理

操作員進入系統使用密碼：系統提供分級的用戶進入密碼系統，所以低級操作員只能進入基本操作功能，同時較高級別的操作人員，按照不同的密碼，可進入不同的系統組態功能。

提供12級的密碼：一旦操作員提供了正確的密碼，他可以修改他的密碼，而他的權限不能發生變化。權限管理窗口如圖4所示：

圖4 權限管理窗口

4.2      流程圖顯示

LCD畫面為操作員了解生產過程狀態提供了顯示窗口，并能支持以下幾類畫面：

總貌畫面：顯示系統各設備，裝置，區域的運行狀態以及全部過程參數變量的狀態，測量值，設定值，控制方式（手動/自動狀態），高低報警等信息，從各顯示塊可以調出其它畫面。

分組畫面：以模擬儀表的表盤形式按事先設定的分組，同時顯示幾個回路的信息，如過程參數變量的測量值，調節器的設定值，輸出值控制方式等。變量每秒更新一次，分組可任意進行，操作員可從分組畫面調出任一變量（模擬量或離散量）的詳細信息。

單點畫面（調整畫面）：顯示一個參數，控制點的全部信息以及實時趨勢和歷史趨勢，從調整畫面也可直接對模擬回路進行設定，調整操作。

4.3      趨勢功能

操作員可通過菜單或按鈕進入實時曲線畫面或歷史曲線畫面，可選擇需要的工藝參數查看實時曲線或歷史曲線，可同時顯示多條實時曲線，可對曲線進行放大或縮小，可任意選擇需要查看的時間段。

根據采集到的信息，建立各類信息數據庫并對各類工藝參數值作出趨勢曲線（含歷史數據），供調度員分析比較，以便找出污水處理廠的最佳運行規律，分析事故原因，改進管理方法，保證出水水質，提高經濟效益。

記錄生產所要求的所有參數的歷史數據，記錄時間不小于三年，并可根據要求任意設置。對重要的數據進行在線存儲。可以通過歷史報表或者歷史趨勢曲線的方式來檢索歷史數據。

歷史趨勢圖監控畫面如圖5所示：

圖5 歷史趨勢圖監控

 

4.4      報警功能

報警設有優先級管理，任意管理均在屏幕上顯示，顯示所有報警列表及報警的詳細內容。監控計算機的顯示畫面的頂部或底部應設置一個報警條。在報警條內顯示最近三個報警未消失未被確認報警的詳細內容，操作員通過畫面切換選擇報警表，報警表內顯示中控操作站計算機中配置的所有報警列表及報警的詳細內容。報警的詳細內容包括：

報警的當前狀態；

每個“未消失”的報警發生時間；

每個“消失”的報警發生時間及“消失”的時間；

每個“已確認”的報警的確認時間和用戶；

當報警出現時，報警打印機立即打印報警信息。系統報警記錄如圖6所示：

 

圖6 系統報警記錄

4.5      操作記錄

系統發生的較大情況（如設備故障、越限報警、大型設備的啟停等情況）或操作人員對設備的操作、參數的調整，可通過事件記錄功能記錄下這些情況和操作過程作為今后分析事故的基礎資料。事件記錄的內容包括各種事件信息、事件發生時的用戶、事件發生的時間等。

4.6      報表打印

系統自動記錄各種工藝運行數據，將所有數據歸納匯總形成報表，報表可定時打印或召喚打印，操作員也可通過菜單或按鈕進入報表畫面查看歷史報表。

自動生成的生產報表（班/日/月）供生產管理之用，機內存儲六個月的信息量。采用了DDE技術，從而使用戶能夠直接使用Excel編制報表，借助Excel的強大功能，用戶可以隨心所欲地編制各種各樣的報表。無論是實時數據的報表，還是歷史數據的報表均可以實現。

5         污水處理自控系統的應用特點

基于LK系列PLC的污水處理系統具有如下特點：

ì       可用性和可靠性

²        系統組件的設計符合真正的工業等級，控制系統能在嚴格的工業環境下長期、穩定地運行，盡可能降低控制系統故障風險，保證能源收益，確保水處理廠7×24小時的不間斷供水服務。

²        LK冗余方案可確保工藝過程高度可靠地運行，如果主CPU模塊出現故障，系統將會自動快速、穩定地無擾切換到備用CPU模塊，可以避免因為控制層出現問題而導致的負面效應以及生產過程停頓。

²        PLC控制站一般設于高電磁干擾環境，如提升泵房、鼓風機房、變配電所等，我們的控制系統具有較強的電磁兼容性，系統采用各種隔離、抗干擾設計，保證系統能在強電磁干擾環境中穩定運行。

²        PLC控制站與遠程IO站之間距離較遠，本系統PLC鼓風機房控制站與4個生物池遠程IO站采用DP光纖網絡通訊，由于采用光纖通訊，大大提高了通訊的可靠性。LK的DP光纖通訊模塊可以實現PLC控制主站與遠程IO站的4級冗余通訊，每一級的通訊距離可以達到5KM，能夠充分滿足大型污水處理廠PLC控制主站與遠程IO站通訊距離遠的需求。

²        水處理環境可能因遭受污染并加速設備中電子元件的老化，我們可提供特殊的保護工藝（保護涂層）的模塊，提高元件在腐蝕性化學品和腐蝕性環境中的使用壽命，避免意外停機，降低維護成本。

ì       節能降耗方案

²        電能成本占水處理設施總運營成本的1/3，主要耗電設備為水泵和風機，我們可提供優化的變頻控制方案，使被損耗的電能可以降低到額定值的50%到80%。

²        對于非變頻電機設備，如格柵、螺旋輸送器、攪拌器，我們可提供工藝優化控制庫，如定時控制與設定參數相結合的控制，使這些設備在相應工藝條件下，發揮最大的效率，最大程度地降低電能的損耗。

²        在數據采集與監控層（SCADA），可以使用數據分析等工具來創建報告，并分析過程數據，從而對過程進行優化與改進，最終降低電能消耗。

ì       開放性和兼容性

²        基于標準協議的通訊網絡可非常方便地將第三方設備接入，如污泥脫水機、加氯加藥系統、變配電系統，可以顯著提高針對復雜工藝過程的控制能力，且允許大量過程反饋信息傳輸，支持設備參數訪問功能，可提高系統的性能與診斷能力。

²        支持與各種上位監控軟件（如iFIX、INTOUCH、組態王、MCGS、力控等），以及主流品牌觸摸屏（如Pro-Face、HITECH、eView、Weinview、nTouch）通訊，只要HMI支持標準的通訊協議，都可以很方便的進行連接。

²        強大的擴展功能可為遠期擴容、升級改造預留接口及容量。

ì       過程診斷和在線維護

²        提供的強大診斷功能，能夠方便、高效訪問相關信息，發現導致故障的根本原因以及需要修正的過程參數等，以便提前發現生產過程中存在的問題，可以避免設備意外停機，從而降低運營成本。

²        所有模塊支持帶電插拔，可以在系統運行狀態下更換故障模塊，不會因為單個模塊的更換而使整個系統停機等待，大大降低了系統的維護成本。

²        防混銷設計防止插錯模塊引起不必要的損壞，確保系統順利運行，且更換模塊時只需直接更換模塊，無需重新接線，維護更方便。

²        支持SD卡功能，在不方便使用計算機的情況下，可進行系統恢復、升級，使維護更加方便、快捷。

²        操作站安裝上位監控組態軟件及LK編程軟件PowerPro V4，具有強大的功能，可方便、直觀地進行上位機組態和PLC編程，且支持在線下載、在線修改以及離線仿真調試等功能。

6         結束語

本文論述了基于LK系列PLC的污水處理廠自動控制系統的設計與實現，充分發揮了LK可編程控制器配置靈活、控制可靠、開放性強和在線維護方便等優點，為整個系統的安全穩定運行提供了可靠保障�；�于LK的自動控制系統已在多個污水處理廠得到實際應用，為企業帶來了可觀的經濟效益和良好的社會效益。

參考文獻

[ 1 ]               陶俊杰，《城市污水處理技術及工程實例》[M]，化學工業出版社，2005

[ 2 ]               夏暢斌，羅彬，尹奇德《污水處理機械化與自動化》[M]，化學工業出版社，2008

[ 3 ]               胡壽松，《自動控制原理》[M]，科學出版社，2009