基于現(xiàn)場總線的SCADA系統(tǒng)在污水處理廠的應(yīng)用 - 全文

　　SCADA系統(tǒng)自誕生之日起就與計算機技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)。sCADA系統(tǒng)發(fā)展到今天已經(jīng)經(jīng)歷了三代?；诜植际接嬎銠C網(wǎng)絡(luò)以及關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)的能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍聯(lián)網(wǎng)的EMS／SCADA系統(tǒng)稱為第三代。這一階段是我國scADA／EMs系統(tǒng)發(fā)展最快的階段，各種最新的計算機技術(shù)都匯集進scADA／EMs系統(tǒng)中。

　　隨著現(xiàn)代化城市高速發(fā)展和城市人口的不斷增加，污水處理廠的需求也日漸強烈，污水處理行業(yè)得到了快速發(fā)展。污水處理廠的自動控制系統(tǒng)越來越成為污水處理穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。目前國內(nèi)大多數(shù)水廠自控系統(tǒng)多采用SCADA系統(tǒng)，全廠的監(jiān)控在中控室內(nèi)完成，對設(shè)備的控制則是在現(xiàn)場PLC完成，真正實現(xiàn)了分散控制，集中管理的功能。針對污水處理廠自動控制系統(tǒng)工藝設(shè)備的安全運行的重要性，以菲律賓San Antonio污水處理廠為例，說明SCADA系統(tǒng)的組成及實現(xiàn)。

　　由于污水處理系統(tǒng)龐大、工藝參數(shù)多、位置分散 ，對整個系統(tǒng)實現(xiàn)自動化監(jiān)測和實時控制成為提高污水處理效率、降低處理功耗的重要措施。阜新市城市污水處理工程主要包括 13 km 長的截流管網(wǎng)和 1座規(guī)模為 10 ×104 m3 / d的污水處理廠 ，工程總投資為 1. 664 8 億元 ，目前正在建設(shè)中。

　　工藝流程

　　由于原水水質(zhì)比較復(fù)雜 ，特別是來自工業(yè)區(qū)的廢水 COD 濃度高 ，組分多變 ，加之地處北方 （冬季溫度低 ） ，處理難度大。為確保處理出水達標 ，運行管理可靠 ，處理費用經(jīng)濟 ，采用了 A /O 工藝 ，流程見圖 1。

　　污水經(jīng)粗格柵、進水泵房、細格柵入曝氣沉砂池 ，在池中停留時間雨季為 6. 8 m in，旱季為 10 m in，可去除污水中粒徑 ≥0. 2 mm 的砂粒。出水隨后進入初沉池去除可沉的固體懸浮物及化學污泥 ，停留時間雨季為 0. 74 h，旱季為 1. 1 h。初沉池出水進入生物池 ， 生物池分為缺氧段 （ A 段 ） 和好氧段 （ O段 ） ，污水在缺氧段大約停留 2. 78 h，去除部分有機物并脫氮。隨后出水進入好氧段 ，好氧段停留時間為 6. 64 h，大部分有機物在該段降解去除 ，同時進行硝化反應(yīng)。好氧段出水部分回流至缺氧段 ，其余進入二沉池進行泥水分離。二沉池部分活性污泥回流至缺氧段 ，出水達標后直接排入細河

　　污泥濃縮采用重力濃縮 ， 初沉池污泥、二沉池剩余污泥混合進入污泥均質(zhì)池濃縮 ，然后送至帶式脫水機脫水。脫水泥餅外運處置 ，污泥均質(zhì)池上清液及濾液排入廠區(qū)污水處理系統(tǒng)。

　　現(xiàn)場總線的選擇

　　Profibus是一種國際化的開放式現(xiàn)場總線標準 ，為供應(yīng)商和用戶的投資提供了最佳的保護并確保供應(yīng)商的獨立自主性。Profibus是一種高可靠性、低成本、組態(tài)簡單、可互換、可互操作、分散控制、方便運行、數(shù)據(jù)庫一致的開放式系統(tǒng) ，也是我國現(xiàn)場總線推薦標準 ， 包括 3 個兼容版本： Profibus—FM S、Profi2bus—DP、Profibus—PA。

　?、?Profibus—DP是適合于分布式 I/O 站的協(xié)議模型 ，專門用于自動化控制系統(tǒng)與在設(shè)備級分散的 I/O 之間進行通訊 ，最高傳輸速率可達 12 M bp s。它的特點是快速、即插即用、效率高、成本低。

　?、?Profibus—FM S是用來解決管理級通用性通信任務(wù)的 ，可用于大范圍和復(fù)雜的通信系統(tǒng)。它的特點是通用、應(yīng)用范圍大、多主通信。

　　③ Profibus—PA 是專為過程自動化而設(shè)計的 ，可用于爆炸危險區(qū)域。它的特點是面向過程控制、總線供電、本征安裝。

　　根據(jù)污水處理廠自動化控制任務(wù) ，必須建立一個從廠級到現(xiàn)場控制級的管理和控制一體化的系統(tǒng) ，同時考慮控制任務(wù)的實時性和數(shù)據(jù)的共享性 ，組網(wǎng)時必然要選擇工業(yè)現(xiàn)場總線。根據(jù)目前我國污水處理廠現(xiàn)場工業(yè)總線的使用情況 ，并兼顧技術(shù)的先進性以及未來發(fā)展對測控網(wǎng)絡(luò)的要求 ，選擇了 Profibus。

　　PLC編程

　　污水處理控制方式分為邏輯控制和PID閉環(huán)控制。以邏輯控制為主，根據(jù)工藝要求在PLC中編寫相應(yīng)的邏輯控制指令，控制設(shè)備按照預(yù)定的方式運行。PLD閉環(huán)控制主要用于曝氣生物濾池鼓風機恒壓控制，DO溶解氧控制，加藥系統(tǒng)恒流量控制等。整套污水處理流程有多個監(jiān)控點，包括液位、PH值、溶氧、濁度、頻率、泵運行狀態(tài)等。為了便于檢查，PLC編程中，邏輯控制均采用梯形圖編程，電機功能塊、閥門控制功能塊、儀表模擬信號、流量累計等采用功能塊編程，大量的時間模式控制采用匯編語言編程。三種編程語言的結(jié)合使得整個水廠繁瑣復(fù)雜的控制程序變得簡單明了，便于維護和故障點排查。

　　SCADA 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

　　根據(jù)污水處理廠的工藝特點和技術(shù)要求 ，整個污水處理廠的 SCADA 系統(tǒng)由檢測執(zhí)行級 （設(shè)備層 ） 、過程監(jiān)控級 （數(shù)據(jù)層 ） 、中央控制管理級 （信息層 ）組成三級計算機控制系統(tǒng)。

　　中央監(jiān)控管理級設(shè)置整個污水處理廠的中央數(shù)據(jù)庫 ，提供全廠的綜合信息管理;過程控制級采用高性能的 PLC控制站實施過程控制; 檢測執(zhí)行級采用智能化儀表和控制器完成對設(shè)備的分散控制。信息層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)布置在中央控制室和有關(guān)管理科室 ，采用交換式快速以太網(wǎng) ; 數(shù)據(jù)層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)布置在中央控制室和各 PLC控制站之間 ，采用符合工業(yè)標準的具有冗余路由的光纖以太網(wǎng) （ Profibus—FM S） ; 設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)布置在 PLC控制站和現(xiàn)場設(shè)備、現(xiàn)場儀表之間以及現(xiàn)場設(shè)備和現(xiàn)場儀表之間 ，采用標準的、開放的現(xiàn)場總線 （ Profibus—DP） 。現(xiàn)場總線選用分布式網(wǎng)絡(luò) ，在現(xiàn)場儀表之間、電氣控制設(shè)備之間、現(xiàn)場儀表和電氣設(shè)備之間、現(xiàn)場儀表及電氣控制設(shè)備之間構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)互連系統(tǒng) ，采集工藝過程數(shù)據(jù)、設(shè)備運行狀態(tài)、電力系統(tǒng)運行狀態(tài)和數(shù)據(jù) ，自動調(diào)節(jié)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、控制工藝設(shè)備運行。

　　 檢測執(zhí)行級

　　檢測執(zhí)行級是整個系統(tǒng)的最低層 ，根據(jù)工藝必需、先進實用、維護簡便的原則配置測量儀表和檢測執(zhí)行機構(gòu) ，建立分散控制的自動化裝置和儀表檢測執(zhí)行系統(tǒng)。采用分布式現(xiàn)場總線 I/O 單元組成檢測執(zhí)行級數(shù)字通訊測控網(wǎng)絡(luò) ， 連接現(xiàn)場儀表、電氣裝置、現(xiàn)場執(zhí)行器。為減少 I/O 點數(shù) ，應(yīng)盡量選用帶有Profibus接口的總線型儀表。

　　過程監(jiān)控級

　　根據(jù)過程控制的要求 ， 建立由 PLC 控制器、人 —機操作界面 （ HM I） 、驅(qū)動隔離裝置、UPS電源等組成的現(xiàn)場控制站 ，控制污水和污泥處理各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的運行。采用工業(yè)以太網(wǎng)組成過程監(jiān)控級數(shù)字通訊網(wǎng)絡(luò) ，連接過程控制站和中央控制系統(tǒng)。PLC是整個控制系統(tǒng)的核心 ，負責現(xiàn)場控制信號的處理、執(zhí)行機構(gòu)的控制。根據(jù)污水處理廠工藝分散 ，但在局部又相對集中的特點 ，選用西門子公司 S7 - 400系列 PLC，設(shè)置了 3個 PLC工作站。

　?、?PLC1現(xiàn)場控制站設(shè)置在粗格柵及進水泵房 MCC1低壓配電室。

　　控制范圍：粗格柵、進水泵房、細格柵、曝氣沉砂池、初沉池以及 MCC1低壓配電室。

　　主要控制任務(wù)：根據(jù)粗細格柵前、后液位差或按設(shè)置時間自動控制機械格柵的運行; 根據(jù)進水泵房液位自動控制潛水泵起停 ，累計各泵運行時間 ，自動輪換備用泵并帶有防干轉(zhuǎn)保護; 根據(jù)時間自動控制初沉池刮泥機的運行。

　　主要硬件配置： CPU 414 - 2DP; 操作面板 M P 270;數(shù)字輸入模塊 6ES7421 - 1BL00 - 0AA0; 數(shù)字輸出模塊 6ES7422 - 1BL00 - 0AA0;機架 6ES7400 - 1TA01 - 0AA0; 機柜及附屬設(shè)備規(guī)格： 1 200 mm × 600 mm ×2 200 mm ，機柜內(nèi)包括： 空開、走線槽、接線端子、接地線、UPS及報警器等。

　?、?PLC2現(xiàn)場控制站設(shè)置在總變配電站低壓配電室。

　　控制范圍：生物池、回流及剩余污泥泵房、二沉池。

　　主要控制任務(wù)： 根據(jù)生物池中溶解氧的含量自動控制曝氣量的大小; 根據(jù)生物池的進水量控制回流污泥泵的運行臺數(shù)及時間; 根據(jù)時間控制二沉池刮泥橋的運行。

　　主要硬件配置同 PLC1現(xiàn)場控制站。

　?、?PLC3現(xiàn)場控制站設(shè)置在污泥脫水機房低壓配電室。

　　控制范圍：污泥均質(zhì)池、污泥脫水機房。

　　主要控制任務(wù)： 根據(jù)污泥均質(zhì)池液位自動控制攪拌器的運行;根據(jù) PLC程序自動控制帶式脫水機的運行和絮凝劑的投加。

　　主要硬件配置同 PLC1現(xiàn)場控制站。

　　中央控制級

　　中央控制級設(shè)備設(shè)置在污水處理廠綜合樓中央控制室內(nèi)。中央控制室設(shè)置 4 臺計算機 ，其中 2 臺作為工程師站 （兼作服務(wù)器 ）用以對系統(tǒng)進行開發(fā)編程 ，在線調(diào)試和參數(shù)修改 ，存放各種歷史數(shù)據(jù); 另2 臺作為操作員監(jiān)控站 ，并按照功能需要設(shè)置網(wǎng)絡(luò)打印機、故障打印機、報表打印機等。

　　中央控制級主要控制任務(wù)如下：

　?、?中央控制即遠程控制 ，提供系統(tǒng)的宏觀調(diào)度 ，協(xié)調(diào)各下屬分站的運行 ，處理局部發(fā)生的事故和緊急狀態(tài) ，維持系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)。

　?、?采集設(shè)備的狀態(tài)信息 ，建立設(shè)備檔案信息數(shù)據(jù)庫 ，對每臺設(shè)備進行維護、維修管理。

　?、?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)值做出趨勢曲線 （含歷史數(shù)據(jù) ） ，供調(diào)度員分析比較 ，以便找出最佳運行規(guī)律 ，分析事故原因 ，改進管理方法 ，提高經(jīng)濟效益。

　　④ 操作站以人機對話方式指導(dǎo)操作 ，自動狀態(tài)下可用鍵盤或鼠標器對有關(guān)設(shè)備進行訪問 （如開/停機操作 ） 。

　?、?操作站 （ CRT）可顯示各種工藝流程圖、分段工藝流程圖及工藝流程中的剖面圖 ，剖面圖上有動態(tài)的實時參數(shù)值、供電系統(tǒng)圖、設(shè)備運行狀態(tài)顯示和事故報警顯示等信息。

　　⑥ 自動生成： 生產(chǎn)報表 （班 /日 /月 ） ， 日常故障報告 ，能源調(diào)配、操作調(diào)整、自檢的日志等供生產(chǎn)管理之用 ，機內(nèi)存儲至少 6個月的信息量。

　?、?計算機系統(tǒng)在線診斷各類故障 ，查找故障部位并報警。

　?、?實現(xiàn)信息管理系統(tǒng)中基本的功能。

　　系統(tǒng)應(yīng)用軟件

　　系統(tǒng)應(yīng)用軟件分為 PLC軟件、InTouch 7工控軟件和 InTouch 7. 1 開發(fā)軟件。PLC 軟件實現(xiàn)一些簡單的控制算法、數(shù)據(jù)采集、與上位機通訊、控制指令下發(fā)和就地控制等; InTouch 工控軟件實現(xiàn)了畫面組態(tài) ，形象地反映污水處理實際現(xiàn)場工藝控制過程 ，動態(tài)顯示數(shù)據(jù) ，同時可以查看數(shù)據(jù)的歷史趨勢、實時趨勢和歷史報警表。報警上、下限參數(shù)的設(shè)定和PLC控制參數(shù)的設(shè)置也是通過它來進行的。