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污水處理廠自動化系統(tǒng)的分析與應用

2008-12-08 15:30    【  【打印】【我要糾錯】

  摘要:本文主要介紹了我國目前污水處理自動化系統(tǒng)的構成,分析了作為其核心的PLC控制器和通信網(wǎng)絡的選型以及整體解決方案,同時以天津咸陽路污水處理廠自動化系統(tǒng)為例,具體說明了污水處理廠自動化系統(tǒng)的應用,最后分析了污水處理廠自動化系統(tǒng)的改進和發(fā)展。

  關鍵詞:可編程控制器現(xiàn)場總線污水處理廠

  一、引言

  水是人類生活和國民經(jīng)濟發(fā)展的不可或缺的重要部分,隨著科技水平的飛速發(fā)展和人類生活水平的巨大提升,對于潔凈的優(yōu)質的水源的需求也不斷急劇釋放。為建設可靠、穩(wěn)定、先進、經(jīng)濟以及可擴展的合理的水處理自動化系統(tǒng)成為工程界和城市水行業(yè)營運管理部門共同關心的問題。微電子、通信、計算機技術的發(fā)展大大提高了水處理控制系統(tǒng)的信息化和智能化程度,與3C技術相結合的PLC以其卓越的可靠性、抗干擾性以及靈活的控制方式成為水處理自動化系統(tǒng)的核心控制器,其與開放的網(wǎng)絡通信系統(tǒng)一起,共同推動著水處理自動化系統(tǒng)的智能化程度的發(fā)展。

  水處理行業(yè)主要分為凈水處理和污水處理兩大部分。凈水廠控制系統(tǒng)通常分為水廠調度系統(tǒng)、加藥間(加氯間)PLC控制站、濾站PLC控制站、送水泵房PLC控制站等。各個控制站相對獨立工作,通過有線網(wǎng)絡進行通訊,將所有的數(shù)據(jù)信息送到水廠調度室進行處理,或將一部分數(shù)據(jù)通過調度系統(tǒng)以無線(或有線)通訊的方式送到城市的調度中心。對于污水處理來說,要根據(jù)污水水源地狀況來確定污水處理的工藝流程,由于污水處理工藝的不同而自控系統(tǒng)應用PLC的要求也有所不同。一般講,整個污水處理廠都有總控室和多個現(xiàn)場控制站,站與站之間通過控制器層網(wǎng)絡或信息層網(wǎng)絡相連,然后全部連接到總控室,總控室的多臺計算機、工作站和圖形站都用信息層網(wǎng)絡連接,這樣和現(xiàn)場控制站構成了集中管理,分散控制,高速數(shù)據(jù)交換的工廠級自動化網(wǎng)絡[1].PLC自控系統(tǒng)是水處理廠的控制核心部分,對其合理的選型和設計,對污水廠能否高效、自動化的運行非常重要。然而,PLC網(wǎng)絡又是其中的重中之重,網(wǎng)絡的好壞直接影響到污水廠的正常運行。

  二、系統(tǒng)構成

  污水處理廠自控系統(tǒng)一般包括污水廠部分和廠外泵站部分。監(jiān)控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡和PLC是污水處理自動化系統(tǒng)的核心組成部分,它們的性能對污水處理自動化系統(tǒng)會起到?jīng)Q定性的作用[2].根據(jù)污水處理自動化本身的特點和監(jiān)控需求選擇合適的PLC及通訊網(wǎng)絡是保證污水處理自動化系統(tǒng)性能的重要因素。

  通信網(wǎng)絡:

  在污水處理自動化系統(tǒng)的結構上,國內在管理體制上主要采用三級管理,即監(jiān)控總中心、區(qū)域監(jiān)控分中心和監(jiān)控站。由于監(jiān)控站不直接對污水處理廠的外場設備進行直接控制,因此工程界按照系統(tǒng)結構的劃分把監(jiān)控系統(tǒng)劃分為信息層、控制層和設備層。

  第一層為信息層,主要負責大量信息及不同廠家不同設備之間的信息傳輸,工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet為目前較常用的一種信息網(wǎng)絡,世界各大PLC生產(chǎn)廠商均支持工業(yè)以太網(wǎng),并且他們在原有TCP/IP的基礎上,相繼開發(fā)出實時性更高的工業(yè)以太網(wǎng),如歐姆龍和羅克維爾支持的Ethernet/IP,施奈德支持的Modbus-TCP/IP以及西門子支持的ProfiNet等。由于Ethernet的信息量大,因此在污水處理廠自動化系統(tǒng)中以太網(wǎng)主要用于各個控制分站與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸,包括各種傳感器數(shù)據(jù)等大量歷史數(shù)據(jù)信息。

  第二層為控制層,主要采用現(xiàn)場總線組成隧道區(qū)域控制器網(wǎng)絡,其特點是由于采用了標準總線組網(wǎng),既能滿足實時通信的要求,又具有開放協(xié)議的標準接口,能在總線上方便的掛接各種外場設備,有利于監(jiān)控系統(tǒng)的擴展。目前,現(xiàn)場總線有40多種,在污水處理廠自動化系統(tǒng)中應用的現(xiàn)場總線主要有ControllerLink、LonWorks、Inetrtbus、Profibus、Can和Modbus.他們的共同特點是高速、高可靠,適合PLC與計算機、PLC與PLC及其它設備之間的大量數(shù)據(jù)的高速通訊。為使系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠,控制層的網(wǎng)絡結構多采用環(huán)網(wǎng)的方式組成,包括線纜型和光纖作為傳輸介質,具體組網(wǎng)將在后面作出實例說明。

  第三層為設備層,這一層用于PLC與現(xiàn)場設備、遠程I/O端子及現(xiàn)場儀表之間的通訊,它們有DeviceNet、Modbus以及Profibus/DP等,其中DeviceNet已經(jīng)成為工業(yè)界的標準總線而得到了廣泛的應用,而Profibus/DP雖然沒有成為標準,但是它的應該也相當廣泛。

  值得指出的是,近來年以太網(wǎng)的廣泛應用使得人們把目光投向了現(xiàn)場總線上來,工業(yè)以太網(wǎng)是否最終將取代現(xiàn)場總線仍然是一個爭論的話題。然而,不論是Ethernet/IP還是Modbus-TCP/IP,以太網(wǎng)在一些重要的性能指標上仍然無法具有現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)勢。從本質上來講,以太網(wǎng)的載波幀聽沖突監(jiān)測CSMA/CD的訪問方式,實時性并沒有現(xiàn)場總線采用的令牌總線和令牌環(huán)的訪問方式高,不論人們采用何種方式,如協(xié)議封裝、分時訪問控制等,都只能改善以太網(wǎng)的實時性,起不到本質的改變。在當前技術還未完全成熟之前,現(xiàn)場總線應用于控制層,是一個積極和穩(wěn)妥的選擇。隨著以太網(wǎng)技術的不斷發(fā)展,今后其取代現(xiàn)場總線而用于控制層也是很有可能的。

  監(jiān)控分中心及上位監(jiān)控軟件:

  監(jiān)控分中心一般將設置多臺SCADA工作站(工控機)。分別用于水廠調度系統(tǒng)、加藥間(加氯間)、濾站、送水泵房等監(jiān)控,完成污水廠內各種設備的狀態(tài)顯示、自動控制、半自動控制、打印報警、分析報表等工作。同時,監(jiān)控分中心還將設置了多臺服務器,為其它計算機提供支援和與監(jiān)控總中心進行通信。

  PLC的選擇:

  施奈德(Schneider)、西門子(Siemens)、歐姆龍(Omron)、羅克維爾(Rockwell)、通用電氣(GE)是全球五大PLC制造廠商和整體方案的提供者,他們的產(chǎn)品面向各自不同的領域,其中在污水處理自動化系統(tǒng)的應用方面,又以羅克維爾、歐姆龍和施奈德的應用最為廣泛。

  污水處理自動控制系統(tǒng)對PLC的性能提出了更高的要求,作為污水處理自動控制系統(tǒng)的核心控制器,其必須具備以下幾大功能特點:首先本身必須穩(wěn)定可靠,并具有預先處理數(shù)據(jù)和集中傳輸數(shù)據(jù)的能力,具有較高的故障保護能力;其次,控制分站本地控制器可以獨立承擔控制分區(qū)的基本控制任務,即使監(jiān)控站或者監(jiān)控中心因故障停止運行,相鄰區(qū)域的控制器也能交換數(shù)據(jù)信息;再次,當某控制站的控制量出現(xiàn)變化時,可按預定方案和程序采取相應的算法,對相關區(qū)域的控制對象,比如泵或者加藥系統(tǒng)等做出相應的調整。因此,它必須至少有如下功能模塊,數(shù)據(jù)采集存儲處理功能(實現(xiàn)集中和獨立工作方式,尤其是在獨立控制時能與相鄰控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換);通信功能、容錯功能、自動診斷功能和本地操作功能(即能帶觸摸屏)。

  必須綜合考慮整個監(jiān)控系統(tǒng)的性能要求和自然條件以及運營周期對設備的要求進行選擇,尤其在極端氣候和惡劣環(huán)境狀況條件下或較大規(guī)模的污水處理廠,需要選擇性能更好的雙機熱備冗余的PLC,如Schneider的2Quantom系列、Rockwell的2ControlLogix、Omron的CS1D系列、Siemens的S7-417系列;區(qū)別在于Omron的雙系統(tǒng)是在一個底板上實現(xiàn),而Siemens等是兩個底板通過光纖連接,會在一定程度上占用控制柜的空間,但他們的配置都很靈活,可以任意實現(xiàn)雙CPU雙電源、雙CPU單電源、單CPU單電源多種冗余結構。

  在一般的環(huán)境狀態(tài)的時候或較小規(guī)模的污水處理廠,多采用標準的機型作為現(xiàn)場控制器,如Schneider的Quantom140系列、Rockwell的ControlLogix、Omron的CS1系列、Siemens的S7-400系列等;他們都支持工業(yè)以太網(wǎng)和多種現(xiàn)場總線,控制方式采用遠程帶CPU的智能分布式結構,系統(tǒng)開放性和兼容性強,豐富的I/O及高功能模塊,完全滿足污水處理自動控制系統(tǒng)對信號處理的要求。

  三、應用案例

  下面以天津咸陽路污水處理廠為例[3],具體說明污水處理廠自動控制系統(tǒng)的組成,控制系統(tǒng)拓撲圖如圖一所示:

  信息層:咸陽路污水處理系統(tǒng)因其分布面積較大,廠區(qū)內共有5個PLC分站:預處理系統(tǒng)分控主站PLC1、生物處理系統(tǒng)分控主站PLC2、污泥處理系統(tǒng)分控主站PLC3、出水及雨水系統(tǒng)分控主站PLC4和污泥消化系統(tǒng)PLC5,使用的CPU均為OMRON的CS1H-CPU66H.該功能層實現(xiàn)污水處理廠各單元過程所有過程參數(shù)、設備運行狀態(tài)及電氣參數(shù)的數(shù)據(jù)采集,單元過程及設備的控制,并通過OMRON網(wǎng)絡模塊CS1W-ETN21,和中央控制室通過赫斯曼太網(wǎng)交換機,組成100M光纖以太環(huán)網(wǎng),向監(jiān)控層傳送數(shù)據(jù)和接受監(jiān)控層控制指令。在中控室中,作為工業(yè)以太網(wǎng)結點的系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務器、兩臺工程師/操作員站計算機、打印機、UPS電源及監(jiān)視屏等設備,其主要職能是進行系統(tǒng)中的信息交換與信息顯示及控制。該層通過上位監(jiān)控軟件實現(xiàn)對主要工藝設備的控制和調度,對污水處理全過程中的工藝參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、優(yōu)化和調整,對主要工藝流程進行動態(tài)模擬和趨勢分析、實時數(shù)據(jù)處理和實時控制,在控制組態(tài)上實現(xiàn)各種常規(guī)與復雜的優(yōu)化控制、專家控制、模糊控制等先進的智能控制。同時,功能強大與穩(wěn)定的實時和歷史數(shù)據(jù)庫亦通過以太網(wǎng)成為上下層間的信息通道。污水廠中控室控制站還通過RIAMBView和信息中心、便攜計算機及廠外泵站(咸陽路泵站、密云路泵站)等處進行遠程通訊,RIAMBView具備遠程數(shù)據(jù)服務(最適合SCADA)功能,通過寬帶接收或發(fā)送相關數(shù)據(jù),實現(xiàn)遠端對部分實時畫面、進程數(shù)據(jù)庫的訪問。

  此外廠長辦公室計算機和數(shù)據(jù)庫服務器組成的局域網(wǎng)即構成了廠區(qū)管理層。通過關系數(shù)據(jù)庫和相關的管理軟件,為決策者提供了各項生產(chǎn)及運營的調度管理所必須的信息平臺。該層和過程監(jiān)控層,與Internet接軌但有著較高的網(wǎng)絡安全防護功能,僅授權的用戶等級可對進程數(shù)據(jù)庫進行訪問。

  控制層:控制器網(wǎng)絡(ControllerLink)是建立在一種令牌總線或者令牌環(huán)網(wǎng)絡通訊協(xié)議上的通訊機制,它通過PLC上的CLK模塊與其它站PLC上的CLK模塊或計算機上的板卡相配合,在板卡之內建立一個數(shù)據(jù)交換區(qū)。該網(wǎng)可以采用雙絞線通訊電纜或者多模光纜通訊,線纜其最大通訊速率為2M,最大距離達1km,光纜通訊速率為2M,最大通訊距離為30KM.本系統(tǒng)中,預處理系統(tǒng)分控主站PLC1包括進水泵房、沉砂池,同時通過控制器網(wǎng)絡總線串接到其下三個初沉池、初沉污泥泵房分站(PLC1-1、PLC1-2、PLC1-3);生物處理系統(tǒng)分控主站PLC2包括:鼓風機房、加氯間,同時通過ControllerLink總線串接到其下五個二沉池、曝氣池、回流泵房分站(PLC2-1、PLC2-2、PLC2-3、PLC2-4、PLC2-5)。所有控制器網(wǎng)絡子站所用CPU型號均為CS1H-CPU44H.

  污水處理流程中的各檢測儀表均為在線式智能儀表,變送器均帶有數(shù)字顯示裝置并通過可編程序控制器(PLC)的接口傳送標準的模擬、數(shù)字信號。

  系統(tǒng)特點:

  1、高可靠與高穩(wěn)定性:環(huán)形冗余以太網(wǎng)方案的出現(xiàn)則保證了系統(tǒng)更高的可靠性,單一點的鏈路中斷不會造成網(wǎng)絡通訊的中斷;而控制器網(wǎng)絡作為OMRON專用的,能在CS系列PLC或上位工控機之間建立靈活方便的傳送和接收大量數(shù)據(jù)的工廠自動控制網(wǎng)絡,與自控系統(tǒng)在通訊方面有極高的穩(wěn)定性。充分體現(xiàn)了集中管理分散控制的原則,也保證了高可靠與高穩(wěn)定性。與此同時,omron基于工業(yè)以太網(wǎng)的FINS(FactoryInterfaceNetworkService)通訊服務(FINS通訊服務功能),即使在通訊負擔較大的環(huán)境下,仍可保持高穩(wěn)定性的通訊效果。除網(wǎng)絡部分外,自控系統(tǒng)通過下列技術與工程措施,也確保了系統(tǒng)的長期穩(wěn)定可靠運性:整個系統(tǒng)選用符合工業(yè)級標準的成熟定型產(chǎn)品;PLC模塊具有自診斷(檢錯)與容錯功能;PLC控制柜內具有完善的抗干擾及防雷等技術措施;中控室及現(xiàn)地控制站設備均具備供電冗余功能;即使在上位機發(fā)生故障或通信中斷時,現(xiàn)地控制站亦可以在手動模式下獨立完成基本局部控制;

  2、高擴展性:工業(yè)以太網(wǎng)具有向下兼容性。對于雙絞線或光纖介質,如果將傳輸速度從10Mbps提升到100Mbps,在大多數(shù)場合不需要改變現(xiàn)有的布線,只需更新網(wǎng)絡設備即可。同樣,如果將本系統(tǒng)主干網(wǎng)從100Mbps以太網(wǎng)提升到千兆以太網(wǎng),只需升級網(wǎng)絡傳輸設備,而無需重新鋪設光纜;

  3、開放性:系統(tǒng)對用戶是開放的。設備的增減、控制方案的選取、系統(tǒng)的擴縮與維護等,用戶都可以在廣泛的設備環(huán)境下便利地自己完成。所有硬件接口,軟件協(xié)議全部按開放性的標準設計、編制。此外OMRON串行口的協(xié)議宏功能,使得開發(fā)方不需要編寫專門的通信程序與第三方設備進行通信,原則上OMRONPLC能和任何帶RS-232C,RS-422或RS-485接口的設備進行通信。

  4、操作的實用性:組太軟件和編程軟件都是全中文界面,豐富的圖畫功能,使用戶清晰的了解污水處理廠各工段的運行情況,故障報警點的分支細節(jié),使操作員僅通過鼠標便可發(fā)布各種指令或換畫面;用戶還可通過上位機的網(wǎng)絡訪問網(wǎng)絡內任一節(jié)點的數(shù)據(jù),梯形監(jiān)控工具亦可以監(jiān)控工業(yè)以太網(wǎng)甚至控制器網(wǎng)絡內各站PLC梯形圖程序,而不需要現(xiàn)場操作,實現(xiàn)真正的無縫連接。

  四、結束語

  當時我國污水處理廠自動化系統(tǒng)的設計和實施正處于一個成長的時期,系統(tǒng)的需求、設計、結構以及系統(tǒng)的控制仍然存在不完善的地方,同時技術的發(fā)展也給污水處理自動化系統(tǒng)的改進創(chuàng)造了條件和基礎,也使建設合理的監(jiān)控系統(tǒng)成為可能。

  從系統(tǒng)的需求來看,一方面要兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠與可控,也要反映系統(tǒng)的先進、經(jīng)濟與可擴展,同時也要使操作便捷與維護方便;另一方面,針對不同的區(qū)域條件和功能要求確定系統(tǒng)的規(guī)模和冗余度的大小,確定系統(tǒng)的合理集成方式、系統(tǒng)網(wǎng)絡的構成與拓撲結構形式以力求系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、先進性與經(jīng)濟性的有機結合;從系統(tǒng)的設計來看,除考慮系統(tǒng)的規(guī)模和設計方法外,也要考慮新技術的應用,使整個系統(tǒng)既先進又實用;從系統(tǒng)的結構來看,當前我國普遍采用三級污水處理廠管理和分布式現(xiàn)場總線控制方式,事實上,主從式結構的現(xiàn)場總線如Profibus,由于系統(tǒng)的可靠性受主控制器的制約,并不適用于全分布式現(xiàn)場總線控制,采用對等的自愈網(wǎng)絡是今后的一個發(fā)展趨勢;從系統(tǒng)的控制來看,當前我國污水處理廠監(jiān)控存在著只監(jiān)不控,或監(jiān)強控弱的現(xiàn)象,各種控制信息沒有得到很好利用,對于污水處理廠控制,要針對不同現(xiàn)象,采用不同的控制方法。

  今后我國的污水處理廠監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展是,在原有基礎上,按照監(jiān)測與控制適當分離、最大限度的集中監(jiān)測、靈活機動的現(xiàn)場控制的總體思想,逐步改進,使得污水處理廠自動化系統(tǒng)的建設更趨合理。

  參考文獻:

  [1]喬叢等,關于國內污水處理及CASS工藝自動控制技術的初步探討,儀器儀表標準化與計量,2007.3

  [2]藍海濤,污水處理廠自動監(jiān)控系統(tǒng)的設計,電腦與信息技術,2005.6

  [3]王巖,天津咸陽路污水處理廠自控系統(tǒng),變頻器世界,2005.4

延伸閱讀:污水 處理廠 自動化
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