和利時LK系列大型PLC在大型污水處理廠中的應(yīng)用

摘  要         針對天津紀(jì)莊子污水處理廠（45萬噸/天）升級改造工程工藝控制要求，本文介紹了以和利時LK系列PLC為核心的大型污水處理廠自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計，整個系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)達(dá)3700多點(diǎn)，充分考慮了系統(tǒng)的可靠性、擴(kuò)展性、開放性、可維護(hù)性。

關(guān)鍵詞       污水處理廠；A/O處理工藝；45萬噸/天；自動化控制系統(tǒng)；LK系列PLC；冗余；

1         工程概述

紀(jì)莊子污水處理廠升級改造工程是天津市重點(diǎn)污水處理工程項目之一，內(nèi)容包括污水處理廠的工藝設(shè)備、電氣設(shè)備、自控儀表設(shè)備。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)，升級改造工程設(shè)計規(guī)模為45萬噸/天。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，占地面積30公頃。污水處理采用多級A/O處理工藝。

本工程建設(shè)內(nèi)容為改造老系統(tǒng)曝氣沉砂池1座，改造老系統(tǒng)初次沉淀池集配水井2座，改造老系統(tǒng)初次沉淀池2座，改造老系統(tǒng)初次沉淀池為2座厭氧池、改造老系統(tǒng)生物池4座、改造老系統(tǒng)污泥泵房2座、新建老系統(tǒng)接觸池1座、改造老系統(tǒng)加氯間1座、改造擴(kuò)建系統(tǒng)初次沉淀池1座為厭氧池、改造擴(kuò)建系統(tǒng)生物池4座、新建擴(kuò)建系統(tǒng)接觸池1座、改造擴(kuò)建系統(tǒng)污泥泵房1座；新建加藥及碳源投加間1座、新增除臭系統(tǒng)，以上建設(shè)內(nèi)容全部引入自控系統(tǒng)。污水、污泥處理工藝流程如下圖所示：

圖1-1  污水、污泥處理流程框圖

2         自控系統(tǒng)設(shè)計

2.1  系統(tǒng)總體設(shè)計

該大型改造項目的難點(diǎn)在于，既要保證生產(chǎn)的連續(xù)性，又要在原基礎(chǔ)上提高自動化水平，所以，兩個擴(kuò)建增補(bǔ)站繼續(xù)使用歐姆龍公司CS1系列PLC，兩個新增站采用以和利時公司LK系列可編程控制器PLC為主的集中和分散相結(jié)合的自動化控制系統(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)進(jìn)行監(jiān)測、控制、連鎖和報警以及報表打印。通過使用在主站和遠(yuǎn)程站間的一系列通訊鏈，完成整個工藝流程所必需的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)通訊，順序控制，時間控制，回路調(diào)節(jié)及上位監(jiān)視和管理作用。在滿足工藝流程的要求之外，還能實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，提高生產(chǎn)管理水平。整個系統(tǒng)設(shè)1個中央控制室、4個現(xiàn)場PLC控制站組成�，F(xiàn)場PLC控制站，由可編程序控制器（PLC）系統(tǒng)及檢測儀表組成，對各工藝過程進(jìn)行分散控制；再由中央控制室（CCR），對全廠實(shí)行集中管理。中央控制室、PLC控制站之間的數(shù)據(jù)通訊采用高速的、實(shí)時的工業(yè)以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為環(huán)形，通訊速率為100Mbps，傳輸介質(zhì)為光纖。

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

天津紀(jì)莊子污水處理廠自動控制系統(tǒng)提供了簡明的、高效的﹑開放的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，將以前設(shè)備控制的五層通訊結(jié)構(gòu)簡化為三層：管理層﹑控制層和設(shè)備層。管理層網(wǎng)絡(luò)采用Ethernet網(wǎng)絡(luò)；控制層網(wǎng)絡(luò)采用Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)；設(shè)備層可選擇多種網(wǎng)絡(luò)：串行總線、Ethernet、Profibus-DP等。設(shè)備層通訊網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備（開關(guān)﹑儀表和人機(jī)界面等）與PLC之間的通信；控制層采用Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，主要負(fù)責(zé)各個控制器與IO模塊的通訊；上層的Ethernet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)PLC之間﹑PLC與上位機(jī)以及與第三方Ethernet設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，整個通訊形成了具有優(yōu)異通信功能的三層網(wǎng)絡(luò)，如圖2-1所示：

圖2-1 LK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）及就地控制級�，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)——工業(yè)以太網(wǎng)傳送到中央控制室監(jiān)控計算機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)控和管理，傳輸介質(zhì)為光纖，通訊速率為100Mbps。同樣，中央控制室監(jiān)控計算機(jī)的控制命令也通過上述網(wǎng)絡(luò)通道傳送到PLC，實(shí)施對各單元的分散控制。構(gòu)建污水廠自動化控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與功能配置如圖2-2所示：

圖2-2  系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與配置圖

2.3.1       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。

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、報表生成及打印、故障報警及打印，對實(shí)時采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，控制操作以及分析統(tǒng)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(tài)顯示全廠各工藝流程段的實(shí)時工況、各工藝參數(shù)的趨勢畫面，使操作人員及時掌握全廠運(yùn)行情況。

同時，中央控制室還配置了專業(yè)的工業(yè)數(shù)據(jù)庫軟件，該項目需要進(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秒鐘記錄一個數(shù)據(jù)，對于數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包括各監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)數(shù)據(jù)、瞬時流量、累計流量，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)備啟停時間、啟停次數(shù)、累計運(yùn)行時間、故障次數(shù)等。

2.3.2       現(xiàn)場控制級（PLC控制站）

控制層是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動控制的關(guān)鍵，控制層的PLC通過程序控制整個水處理廠設(shè)備按照工藝要求自動運(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，并較終通過工業(yè)數(shù)據(jù)庫軟件進(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。

1）1#分控站（PLC1）

負(fù)責(zé)污水預(yù)處理區(qū)域的自控，位于1#分變電所內(nèi)，監(jiān)控范圍為粗格柵及進(jìn)水泵房、細(xì)格柵站、進(jìn)水計量渠、旋流沉砂池、曝氣沉砂池、進(jìn)水分析間、1#分變電所、預(yù)處理區(qū)生物除臭等。

PLC1增補(bǔ)：100M以太網(wǎng)模塊、總線模塊、I/O模塊—DI=80、DO=24、AI=8、AO=4，采用歐姆龍CS1系列PLC。

2）2#分控站（PLC2）—包括遠(yuǎn)程I/O站RIO21~24

負(fù)責(zé)老系列污水生物處理區(qū)域的自控，位于鼓風(fēng)機(jī)房控制室。監(jiān)控范圍調(diào)整為初次沉淀池、新建老系統(tǒng)污水提升泵房、分段進(jìn)水多級AO生物池、二次沉淀池、二次沉淀池集配水井、回流污泥泵房、新建老系統(tǒng)接觸池、鼓風(fēng)機(jī)房、1#出水分析間等。

PLC2更新：CPU、電源、100M以太網(wǎng)模塊、總線模塊、I/O模塊—DI=1360、DO=392、AI=228、AO=42，采用和利時LK系列PLC，雙機(jī)冗余配置，支持CPU冗余、電源冗余、現(xiàn)場總線冗余和以太網(wǎng)冗余。

3）3#分控站（PLC3）—包括遠(yuǎn)程I/O站RIO31~34

負(fù)責(zé)擴(kuò)建系列污水生物處理區(qū)域的自控，位于3#分變電所內(nèi)，監(jiān)控范圍調(diào)整為初次沉淀、新建擴(kuò)建系統(tǒng)污水提升泵房、分段進(jìn)水多級AO生物池、二次沉淀池、二次沉淀池集配水井、回流污泥泵房、新建接觸池、出水流量計井、2#出水分析間、3#分變電所、新建分變電所、新建加藥加氯間、新建碳源投加間等。

PLC3更新：CPU、電源、100M以太網(wǎng)模塊、總線模塊、I/O模塊—DI=880、DO=280、AI=208、AO=48，采用和利時LK系列PLC，雙機(jī)冗余配置，支持CPU冗余、電源冗余、現(xiàn)場總線冗余和以太網(wǎng)冗余。

4）4#分控站（PLC4）

負(fù)責(zé)污泥處理區(qū)域的自控，位于2#分變電所內(nèi)，監(jiān)控范圍為貯泥池、污泥濃縮池、污泥濃縮機(jī)房、污泥消化池、污泥控制室、污泥脫水機(jī)房、脫硫塔、沼氣柜、沼氣燃燒火炬、鍋爐房、2#分變電所、污泥處理區(qū)生物除臭、新建污泥均質(zhì)池、新建污泥脫水機(jī)房等。

PLC4增補(bǔ)：100M以太網(wǎng)模塊、I/O模塊—DI=96、DO=8、AI=36、AO=6，采用歐姆龍CS1系列PLC。

2.3.3       就地控制級

就地控制具有較高的控制權(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，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/停止”按鈕實(shí)現(xiàn)就地手動控制。

3         系統(tǒng)控制功能

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。

 流程圖顯示

流程圖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/自動狀態(tài)），高低報警等信息，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，同時顯示幾個回路的信息，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）：顯示一個參數(shù)，控制點(diǎn)的全部信息以及實(shí)時趨勢和歷史趨勢，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。

趨勢功能

操作員可通過菜單或按鈕進(jìn)入實(shí)時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)時曲線或歷史曲線，可同時顯示多條實(shí)時曲線，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較佳運(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�？梢酝ㄟ^歷史報表或者歷史趨勢曲線的方式來檢索歷史數(shù)據(jù)。

 報警功能

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

報警的當(dāng)前狀態(tài)

每個“未消失”的報警發(fā)生時間

每個“消失”的報警發(fā)生時間及“消失”的時間

每個“已確認(rèn)”的報警的確認(rèn)時間和用戶

當(dāng)報警出現(xiàn)時，報警打印機(jī)立即打印報警信息。

操作記錄

         系統(tǒng)發(fā)生的較大情況（如設(shè)備故障、越限報警、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)生時的用戶、事件發(fā)生的時間等。

報表打印

         系統(tǒng)自動記錄各種工藝運(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(jìn)入報表畫面查看歷史報表。

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