基于LK冗余方案的紀(jì)莊子污水處理廠自控系統(tǒng)升級改造

葛立福1） 江曉川2）于進(jìn)2）

（天津市濱海水業(yè)集團(tuán)，300381）

 

摘  要         和利時(shí)LK系列PLC應(yīng)用于天津紀(jì)莊子污水處理廠升級改造工程，根據(jù)污水處理廠工藝要求，提供了一種降低成本、節(jié)省空間、更優(yōu)化的控制方案。本文介紹了控制系統(tǒng)的組成和軟件設(shè)計(jì)思路。該污水處理廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的全套硬件設(shè)備及軟件設(shè)計(jì)工作由北京和利時(shí)自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司完成，其自動(dòng)化控制系統(tǒng)由一個(gè)中央控制室和4個(gè)PLC現(xiàn)場控制站組成。

關(guān)鍵詞       和利時(shí)LK系列PLC；污水處理廠自控系統(tǒng)

1         引言

紀(jì)莊子污水處理廠位于天津市河西區(qū)衛(wèi)津河以西、津港運(yùn)河以北、紀(jì)莊子排污河以南的區(qū)域，占地面積30公頃。紀(jì)莊子污水處理廠的污水處理工藝采用多級AO處理工藝。紀(jì)莊子污水處理廠升級改造工程是天津市污水處理工程項(xiàng)目之一，主要內(nèi)容包括污水處理廠的工藝設(shè)備、電氣設(shè)備和自控儀表設(shè)備等的升級改造。紀(jì)莊子污水處理廠服務(wù)于天津市紀(jì)莊子排水系統(tǒng)，升級改造工程的設(shè)計(jì)處理能力為45萬噸/日。

紀(jì)莊子污水處理廠升級改造工程的工作內(nèi)容包括改造老系統(tǒng)曝氣沉淀池、改造老系統(tǒng)初次沉淀池集配水井、改造老系統(tǒng)初次沉淀池、改造老系統(tǒng)初次沉淀池為厭氧池、改造老系統(tǒng)生物池、改造老系統(tǒng)污泥泵房、新建老系統(tǒng)接觸池、改造老系統(tǒng)加氯間、改造擴(kuò)建系統(tǒng)初次沉淀池為厭氧池、改造擴(kuò)建系統(tǒng)生物池、新建擴(kuò)建系統(tǒng)接觸池、改造擴(kuò)建系統(tǒng)污泥泵房、新建加藥及碳源投加間、新增除臭系統(tǒng)。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(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1         系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了保證生產(chǎn)過程的安全可靠性和生產(chǎn)連續(xù)性，兩個(gè)增補(bǔ)站繼續(xù)使用歐姆龍CS1系列PLC，兩個(gè)新增站采用基于和利時(shí)LK系列PLC的集中和分散相結(jié)合的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對全廠工藝參數(shù)、電氣參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測、控制、連鎖、報(bào)警以及報(bào)表打印等。通過主站和遠(yuǎn)程站間的通訊，完成整個(gè)工藝流程所必需的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊、順序控制、時(shí)間控制、回路調(diào)節(jié)、上位監(jiān)視和管理等功能。不僅滿足了工藝流程的要求，而且還能實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，提高生產(chǎn)管理水平。整個(gè)系統(tǒng)由1個(gè)中央控制室和4個(gè)現(xiàn)場控制站組成�，F(xiàn)場控制站由PLC系統(tǒng)和檢測儀表組成，對各個(gè)工藝過程進(jìn)行分散控制，再由中央控制室對全廠實(shí)行集中管理。

2.2         系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)具有簡明、高效﹑開放的特點(diǎn)，將以前的五層通訊結(jié)構(gòu)簡化為管理層﹑控制層和設(shè)備層等具有優(yōu)異通信功能的三層網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。管理層采用Ethernet網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)之間、PLC與第三方設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。控制層采用Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)各個(gè)控制器與IO模塊的通訊。

設(shè)備層可以采用串行總線網(wǎng)絡(luò)、Ethernet網(wǎng)絡(luò)或Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)等多種。

設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)開關(guān)﹑儀表和人機(jī)界面等現(xiàn)場設(shè)備與PLC之間的通信。

就地控制具有最高的控制權(quán)限。當(dāng)自控系統(tǒng)由于一些不可抗力導(dǎo)致無法正常運(yùn)行時(shí)，可以通過就地控制保證污水處理過程的連續(xù)性。將現(xiàn)場控制箱上的“就地/遠(yuǎn)程”旋鈕切換至“就地”位置，通過箱上的“啟動(dòng)/停止”按鈕實(shí)現(xiàn)就地手動(dòng)控制。

圖2 和利時(shí)LK系列PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的三層體系結(jié)構(gòu)

 

2.3         系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與配置

根據(jù)污水處理工藝的控制要求，污水處理工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)分為三級管理，包括生產(chǎn)管理級（中央控制室）、現(xiàn)場控制級（PLC控制站）和就地控制級�，F(xiàn)場各種數(shù)據(jù)通過PLC系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過主干通訊網(wǎng)絡(luò)傳送到中央控制室的監(jiān)控計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控和管理。中央控制室和PLC控制站之間的數(shù)據(jù)通訊采用高速實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為環(huán)形，傳輸介質(zhì)為光纖，通訊速率為100Mbps。同樣，中央控制室監(jiān)控計(jì)算機(jī)的控制命令也通過上述網(wǎng)絡(luò)傳送到PLC，實(shí)施對各單元的分散控制。污水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與功能配置如圖3所示。

圖3 污水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與配置圖

3         污水處理自控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與配置

3.1         生產(chǎn)管理級（中央控制室）

中央控制室設(shè)有兩臺監(jiān)控操作站、一臺工程師站、兩臺數(shù)據(jù)服務(wù)器、一臺視頻監(jiān)視服務(wù)器、一套DLP拼接屏、一臺故障打印機(jī)、一臺圖表打印機(jī)、UPS電源、一臺網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜。中央控制室主要完成對生產(chǎn)過程的管理、調(diào)度、集中操作、監(jiān)視、系統(tǒng)功能組態(tài)、控制參數(shù)在線修改和設(shè)置、記錄、報(bào)表生成及打印、故障報(bào)警及打印，對實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，控制操作以及分析統(tǒng)計(jì)等功能。通過高分辨率液晶顯示器及DLP拼接屏可直觀地動(dòng)態(tài)顯示全廠各工藝流程段的實(shí)時(shí)工況、各工藝參數(shù)的趨勢畫面，使操作人員及時(shí)掌握全廠運(yùn)行情況。同時(shí)，中央控制室還配置了專業(yè)的工業(yè)數(shù)據(jù)庫軟件King Historian，該項(xiàng)目需要進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)存儲的變量點(diǎn)數(shù)達(dá)8000多點(diǎn)，同時(shí)對數(shù)據(jù)的存儲頻率要求很高，普通變量要求30秒鐘記錄一個(gè)數(shù)據(jù)，對于數(shù)據(jù)精度要求較高的變量，例如“瞬時(shí)流量”，要求10秒鐘記錄一次。所存儲的數(shù)據(jù)包括各監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)數(shù)據(jù)、瞬時(shí)流量、累計(jì)流量，提升泵、閘門、污泥泵、刮泥機(jī)、攪拌機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等各設(shè)備電壓、電流、功率、耗電量，各設(shè)備啟停時(shí)間、啟停次數(shù)、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、故障次數(shù)等。

3.2         現(xiàn)場控制級（PLC控制站或控制層）

控制層是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制的關(guān)鍵，控制層的PLC通過程序控制整個(gè)污水處理廠設(shè)備按照工藝要求自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，并實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的采集，現(xiàn)場參數(shù)有壓力、流量、溫度、PH值等，采集到的數(shù)據(jù)上傳至管理層，并最終通過工業(yè)數(shù)據(jù)庫軟件King Historian進(jìn)行存儲。

按照工藝流程和構(gòu)筑物分布特點(diǎn)，廠內(nèi)現(xiàn)有4套不同規(guī)模的分控站（PLC1~4）。根據(jù)工程改造內(nèi)容、工藝及控制對象的功能、設(shè)備量，以及工藝流程、平面布置、現(xiàn)有控制站布局，將更新現(xiàn)有分控站PLC2和PLC3，調(diào)改現(xiàn)有分控站PLC1和PLC4，各PLC分別負(fù)責(zé)各自范圍內(nèi)工藝參數(shù)的采集和設(shè)備運(yùn)行的控制。具體內(nèi)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(tǒng)的主要功能

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

4.1      權(quán)限管理

操作員進(jìn)入系統(tǒng)使用密碼：系統(tǒng)提供分級的用戶進(jìn)入密碼系統(tǒng)，所以低級操作員只能進(jìn)入基本操作功能，同時(shí)較高級別的操作人員，按照不同的密碼，可進(jìn)入不同的系統(tǒng)組態(tài)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(quán)限不能發(fā)生變化。權(quán)限管理窗口如圖4所示：

圖4 權(quán)限管理窗口

4.2      流程圖顯示

LCD畫面為操作員了解生產(chǎn)過程狀態(tài)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(tǒng)各設(shè)備，裝置，區(qū)域的運(yùn)行狀態(tài)以及全部過程參數(shù)變量的狀態(tài)，測量值，設(shè)定值，控制方式（手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)），高低報(bào)警等信息，從各顯示塊可以調(diào)出其它畫面。

分組畫面：以模擬儀表的表盤形式按事先設(shè)定的分組，同時(shí)顯示幾個(gè)回路的信息，如過程參數(shù)變量的測量值，調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，輸出值控制方式等。變量每秒更新一次，分組可任意進(jìn)行，操作員可從分組畫面調(diào)出任一變量（模擬量或離散量）的詳細(xì)信息。

單點(diǎn)畫面（調(diào)整畫面）：顯示一個(gè)參數(shù)，控制點(diǎn)的全部信息以及實(shí)時(shí)趨勢和歷史趨勢，從調(diào)整畫面也可直接對模擬回路進(jìn)行設(shè)定，調(diào)整操作。

4.3      趨勢功能

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

根據(jù)采集到的信息，建立各類信息數(shù)據(jù)庫并對各類工藝參數(shù)值作出趨勢曲線（含歷史數(shù)據(jù)），供調(diào)度員分析比較，以便找出污水處理廠的最佳運(yùn)行規(guī)律，分析事故原因，改進(jìn)管理方法，保證出水水質(zhì)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

記錄生產(chǎn)所要求的所有參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，記錄時(shí)間不小于三年，并可根據(jù)要求任意設(shè)置。對重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線存儲。可以通過歷史報(bào)表或者歷史趨勢曲線的方式來檢索歷史數(shù)據(jù)。

歷史趨勢圖監(jiān)控畫面如圖5所示：

圖5 歷史趨勢圖監(jiān)控

 

4.4      報(bào)警功能

報(bào)警設(shè)有優(yōu)先級管理，任意管理均在屏幕上顯示，顯示所有報(bào)警列表及報(bào)警的詳細(xì)內(nèi)容。監(jiān)控計(jì)算機(jī)的顯示畫面的頂部或底部應(yīng)設(shè)置一個(gè)報(bào)警條。在報(bào)警條內(nèi)顯示最近三個(gè)報(bào)警未消失未被確認(rèn)報(bào)警的詳細(xì)內(nèi)容，操作員通過畫面切換選擇報(bào)警表，報(bào)警表內(nèi)顯示中控操作站計(jì)算機(jī)中配置的所有報(bào)警列表及報(bào)警的詳細(xì)內(nèi)容。報(bào)警的詳細(xì)內(nèi)容包括：

報(bào)警的當(dāng)前狀態(tài)；

每個(gè)“未消失”的報(bào)警發(fā)生時(shí)間；

每個(gè)“消失”的報(bào)警發(fā)生時(shí)間及“消失”的時(shí)間；

每個(gè)“已確認(rèn)”的報(bào)警的確認(rèn)時(shí)間和用戶；

當(dāng)報(bào)警出現(xiàn)時(shí)，報(bào)警打印機(jī)立即打印報(bào)警信息。系統(tǒng)報(bào)警記錄如圖6所示：

 

圖6 系統(tǒng)報(bào)警記錄

4.5      操作記錄

系統(tǒng)發(fā)生的較大情況（如設(shè)備故障、越限報(bào)警、大型設(shè)備的啟停等情況）或操作人員對設(shè)備的操作、參數(shù)的調(diào)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(chǔ)資料。事件記錄的內(nèi)容包括各種事件信息、事件發(fā)生時(shí)的用戶、事件發(fā)生的時(shí)間等。

4.6      報(bào)表打印

系統(tǒng)自動(dòng)記錄各種工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)，將所有數(shù)據(jù)歸納匯總形成報(bào)表，報(bào)表可定時(shí)打印或召喚打印，操作員也可通過菜單或按鈕進(jìn)入報(bào)表畫面查看歷史報(bào)表。

自動(dòng)生成的生產(chǎn)報(bào)表（班/日/月）供生產(chǎn)管理之用，機(jī)內(nèi)存儲六個(gè)月的信息量。采用了DDE技術(shù)，從而使用戶能夠直接使用Excel編制報(bào)表，借助Excel的強(qiáng)大功能，用戶可以隨心所欲地編制各種各樣的報(bào)表。無論是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的報(bào)表，還是歷史數(shù)據(jù)的報(bào)表均可以實(shí)現(xiàn)。

5         污水處理自控系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)

基于LK系列PLC的污水處理系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

ì       可用性和可靠性

²        系統(tǒng)組件的設(shè)計(jì)符合真正的工業(yè)等級，控制系統(tǒng)能在嚴(yán)格的工業(yè)環(huán)境下長期、穩(wěn)定地運(yùn)行，盡可能降低控制系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)，保證能源收益，確保水處理廠7×24小時(shí)的不間斷供水服務(wù)。

²        LK冗余方案可確保工藝過程高度可靠地運(yùn)行，如果主CPU模塊出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將會自動(dòng)快速、穩(wěn)定地?zé)o擾切換到備用CPU模塊，可以避免因?yàn)榭刂茖映霈F(xiàn)問題而導(dǎo)致的負(fù)面效應(yīng)以及生產(chǎn)過程停頓。

²        PLC控制站一般設(shè)于高電磁干擾環(huán)境，如提升泵房、鼓風(fēng)機(jī)房、變配電所等，我們的控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的電磁兼容性，系統(tǒng)采用各種隔離、抗干擾設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)能在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。

²        PLC控制站與遠(yuǎn)程IO站之間距離較遠(yuǎn)，本系統(tǒng)PLC鼓風(fēng)機(jī)房控制站與4個(gè)生物池遠(yuǎn)程IO站采用DP光纖網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)PLC控制主站與遠(yuǎn)程IO站的4級冗余通訊，每一級的通訊距離可以達(dá)到5KM，能夠充分滿足大型污水處理廠PLC控制主站與遠(yuǎn)程IO站通訊距離遠(yuǎn)的需求。

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

ì       節(jié)能降耗方案

²        電能成本占水處理設(shè)施總運(yùn)營成本的1/3，主要耗電設(shè)備為水泵和風(fēng)機(jī)，我們可提供優(yōu)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(jī)設(shè)備，如格柵、螺旋輸送器、攪拌器，我們可提供工藝優(yōu)化控制庫，如定時(shí)控制與設(shè)定參數(shù)相結(jié)合的控制，使這些設(shè)備在相應(yīng)工藝條件下，發(fā)揮最大的效率，最大程度地降低電能的損耗。

²        在數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控層（SCADA），可以使用數(shù)據(jù)分析等工具來創(chuàng)建報(bào)告，并分析過程數(shù)據(jù)，從而對過程進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，最終降低電能消耗。

ì       開放性和兼容性

²        基于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的通訊網(wǎng)絡(luò)可非常方便地將第三方設(shè)備接入，如污泥脫水機(jī)、加氯加藥系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)，可以顯著提高針對復(fù)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(shè)備參數(shù)訪問功能，可提高系統(tǒng)的性能與診斷能力。

²        支持與各種上位監(jiān)控軟件（如iFIX、INTOUCH、組態(tài)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(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議，都可以很方便的進(jìn)行連接。

²        強(qiáng)大的擴(kuò)展功能可為遠(yuǎn)期擴(kuò)容、升級改造預(yù)留接口及容量。

ì       過程診斷和在線維護(hù)

²        提供的強(qiáng)大診斷功能，能夠方便、高效訪問相關(guān)信息，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致故障的根本原因以及需要修正的過程參數(shù)等，以便提前發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中存在的問題，可以避免設(shè)備意外停機(jī)，從而降低運(yùn)營成本。

²        所有模塊支持帶電插拔，可以在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下更換故障模塊，不會因?yàn)閱蝹�(gè)模塊的更換而使整個(gè)系統(tǒng)停機(jī)等待，大大降低了系統(tǒng)的維護(hù)成本。

²        防混銷設(shè)計(jì)防止插錯(cuò)模塊引起不必要的損壞，確保系統(tǒng)順利運(yùn)行，且更換模塊時(shí)只需直接更換模塊，無需重新接線，維護(hù)更方便。

²        支持SD卡功能，在不方便使用計(jì)算機(jī)的情況下，可進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)、升級，使維護(hù)更加方便、快捷。

²        操作站安裝上位監(jiān)控組態(tài)軟件及LK編程軟件PowerPro V4，具有強(qiáng)大的功能，可方便、直觀地進(jìn)行上位機(jī)組態(tài)和PLC編程，且支持在線下載、在線修改以及離線仿真調(diào)試等功能。

6         結(jié)束語

本文論述了基于LK系列PLC的污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，充分發(fā)揮了LK可編程控制器配置靈活、控制可靠、開放性強(qiáng)和在線維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，為整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保障�；�于LK的自動(dòng)控制系統(tǒng)已在多個(gè)污水處理廠得到實(shí)際應(yīng)用，為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會效益。

參考文獻(xiàn)

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