水處理島總線控制方案的探討

周根來

(中國華電工程(集團)有限公司,北京 100035)

0 引 言

現(xiàn)場總線技術(shù)作為工業(yè)過程領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù),在石化、冶金、化工、電力行業(yè)已推廣應(yīng)用。華電昌吉熱電聯(lián)產(chǎn)工程的水處理島(包含鍋爐補給水、中水、工業(yè)廢水處理),采用Profibus現(xiàn)場總線技術(shù),在國內(nèi)屬于首例,以下介紹系統(tǒng)配置、總線控制系統(tǒng)(FCS)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、總線設(shè)備及應(yīng)用體會等。

1 工藝系統(tǒng)說明

污水經(jīng)昌吉市第二污水處理廠處理后(預(yù)處理系統(tǒng))進(jìn)入該廠化水島的MBR生化池,進(jìn)入MBR生化池前,采用自清洗過濾器,去除污水中大顆粒懸浮物;MBR生化池在厭氧、好氧狀態(tài)下通過微生物的新陳代謝來降解污水中的有機污染物,同時通過硝化和反硝化作用去除污水中的氨氮,MBR生化池出水經(jīng)泵提升后進(jìn)入MBR膜池,采用浸沒式超濾進(jìn)行固液分離。超濾出水滿足輔機循環(huán)水補水、工業(yè)用水和反滲透系統(tǒng)進(jìn)水要求。

污泥經(jīng)泵提升至污泥脫水系統(tǒng)脫水干化,干化后的泥餅運出廠外處置,污泥脫水系統(tǒng)濾液及沖洗水回收至斜板澄清池或生化池。

2 FCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1 水處理島FCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

水處理島FCS分為兩部分:鍋爐及熱網(wǎng)補給水處理FCS;中水及工業(yè)廢水FCS。其中,鍋爐及熱網(wǎng)補給水處理FCS包括離子交換、綜合泵房及輔助裝置的控制;中水處理及工業(yè)廢水FCS包括中水處理、工業(yè)廢水及輔助裝置的控制。

控制系統(tǒng)采用上位機和PLC兩級結(jié)構(gòu)方式:利用PLC對整個水處理島系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制,上位機和PLC之間通過數(shù)據(jù)通信接口進(jìn)行通信;PLC通過各分布式I/O從站對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制。

監(jiān)控系統(tǒng)由操作員站和工程師站組成。人-機接口采用當(dāng)前主流工控機,配置1臺工程師兼操作員站和3臺操作員站。

操作員站主要完成與下位機的數(shù)據(jù)交換(數(shù)據(jù)采集),顯示各種已組態(tài)好的系統(tǒng)流程、參數(shù)顯示、控制、趨勢曲線、報警、報表打印及控制參數(shù)設(shè)置等,使操作員可以及時了解系統(tǒng)整體運行情況并采用有效的控制,以保證生產(chǎn)穩(wěn)定運行。工程師站主要完成整個監(jiān)控系統(tǒng)的運行、監(jiān)控數(shù)據(jù)庫、各種顯示、報警、事件紀(jì)錄、實時及歷史趨勢顯示等。

控制系統(tǒng)選用PLC作為處理器(含2塊電源模件、2塊CPU、2塊Fieldbus通信模件、4塊同步模塊,2塊以太網(wǎng)通信模件以及冗余光纖和軟件)。CPU真正實現(xiàn)了雙機熱備功能。

控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信采用100 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng);現(xiàn)場通信全部采用Profibus-DP(9.6 Kbit/s～12 Mbit/s)和Profibus的PA(31.25 Kbit/s)總線網(wǎng)絡(luò)。

水處理島總線控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水處理島總線控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

該廠水處理島系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)由三級構(gòu)成:監(jiān)控級——工業(yè)以太網(wǎng);主控級——Profibus-DP冗余光纖環(huán)網(wǎng);現(xiàn)場級——Profibus-DP支路和Profibus-PA支路。

Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)。通過光纖鏈路模塊(OLM)組成冗余DP光纖環(huán)網(wǎng),通信鏈路器(YLink)將雙路的冗余光纖環(huán)網(wǎng)合二為一形成DP支路;DP支路設(shè)備上掛接ET200Pro分布式I/O設(shè)備(連接氣動閥門控制單元—閥島)、超聲波液位計、電磁流量計、分析儀表及智能電機控制和保護(hù)單元等。PA網(wǎng)絡(luò)和儀表:自現(xiàn)場OLM的DP支路之后,連接DP/PA-Link形成PA支路;PA支路上掛接壓力變送器、差壓變送器、溫度變送器和磁翻板液位計等。

操作員站、工程師站、PLC通過工業(yè)級交換機構(gòu)成雙星型工業(yè)以太網(wǎng);鍋爐及熱網(wǎng)補給水處理FCS和中水處理及工業(yè)廢水集中處理FCS通過光電鏈路器構(gòu)成兩個互相獨立的冗余 Profibus-DP光纖環(huán)網(wǎng);Profibus-DP光纖環(huán)網(wǎng)上通過 Y-Link構(gòu)成 Profibus-DP支路,通過DP/PA-Link構(gòu)成Profibus-PA支路。

由于目前主流 Profibus-DP和 PA儀表設(shè)備大多沒有設(shè)計冗余通信接口,因此在儀表和設(shè)備相對集中的現(xiàn)場設(shè)計一條DP或PA支路,連接DP或PA儀表設(shè)備。DP,PA支路再通過 Y-Link接入冗余DP光纖環(huán)網(wǎng)。這樣既保證了電廠通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性,又滿足了 Profibus現(xiàn)場總線設(shè)備的通信條件。

2.2 水處理島FCS網(wǎng)絡(luò)的具體設(shè)計

涵蓋監(jiān)控級Ethernet工業(yè)以態(tài)網(wǎng)以及現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡(luò)DP支路和PA支路的水處理島FCS整體網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 水處理島系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

Profibus-DP用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分布式I/O之間的高速數(shù)據(jù)通信,即現(xiàn)場設(shè)備層的高速數(shù)據(jù)傳輸。傳輸速率范圍為9.6 Kbit/s～12 Mbit/s,掃描1 000個I/O點的時間小于1 ms。主站周期讀取從站的輸入信息并周期性向從站發(fā)送輸出信息。

由于Profibus-DP是串級連接的,單段DP網(wǎng)絡(luò)若連接過多的設(shè)備就會造成信號衰減、通信速度降低,考慮到現(xiàn)場I/O測點及裝置分散、現(xiàn)場設(shè)備交叉布局且距離相距較遠(yuǎn)等因素,因此選用OLM光電轉(zhuǎn)換設(shè)備將系統(tǒng)構(gòu)成冗余光纖環(huán)網(wǎng),但目前的DP設(shè)備只配備單通信接口,因此從冗余的OLM引出后必須分別接至 Y-Link,再從Y-Link擴展出DP支路,連接結(jié)構(gòu)如圖3所示。每個光纖環(huán)網(wǎng)上最多可以連接126臺現(xiàn)場設(shè)備作為DP從站。具有智能接口的DP從站設(shè)備直接連接到Profibus-DP支路上,再通過 Y-Link連接到冗余 Profibus-DP系統(tǒng)中。

圖3 冗余光纖環(huán)網(wǎng)與DP支路連接示意

DP從站設(shè)備可以直接掛接在Profibus-DP支路上,而PA儀表則需要通過DP/PA-Link掛接在Profibus-DP總線上。Profibus-PA總線用于過程自動化,將自動化系統(tǒng)和過程控制與壓力、溫度和液位變送器等現(xiàn)場設(shè)備連接起來。使用Profibus-PA總線可取代 4～20 mA模擬信號傳輸, Profibus-PA總線的傳輸距離最大為1 900 m。

控制系統(tǒng)采用上位機和PLC兩級控制的結(jié)構(gòu)方式:利用PLC對整個水處理島系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制,上位機和PLC之間通過數(shù)據(jù)通信接口進(jìn)行通信;PLC通過各分布式I/O從站對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制。

具有智能DP總線接口的設(shè)備如分布式I/O、電機控制和保護(hù)單元及超聲波液位計等可直接連接到DP支路上。

DP從站設(shè)備:a)低壓電器設(shè)備(MCC),采用智能電機控制器再配上相應(yīng)的斷路器、接觸器構(gòu)成完整的智能控制保護(hù)單元,所有的電機都能夠被接入到總線系統(tǒng)中;b)氣動閥島,每一個閥島最多可組成16路單電控二位三通閥,因此每一臺交換器由一個閥島就可實現(xiàn)控制,對于雙路的氣動閥門則采用雙電控的二位五通閥;c)變送器、分析儀表及超聲波液位計。

2.3 鍋爐及熱網(wǎng)補給水處理FCS網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

鍋爐及熱網(wǎng)補給水處理FCS共有5條DP支路,3條PA支路,2個通信箱,同時系統(tǒng)配有少量I/O模塊,供接入部分設(shè)備的常規(guī)信號。中水處理及工業(yè)廢水FCS共有12條DP支路,7條PA支路,4個通信箱,同時系統(tǒng)配有I/O模塊,供接入壓力開關(guān)、電氣開關(guān)等常規(guī)信號。

根據(jù)規(guī)范設(shè)計每網(wǎng)段所帶設(shè)備數(shù)量,同時從安全性和可靠性考慮,盡量保證同一功能的智能設(shè)備不在一條通信網(wǎng)段上,各網(wǎng)段按智能設(shè)備的功能和數(shù)量均勻分配來設(shè)計通信箱。

3 應(yīng)用體會

a)現(xiàn)場總線突破了傳統(tǒng)的 PLC,DCS信號“點對點”傳輸?shù)氖`,通過現(xiàn)場總線通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)除對實時性有要求的有一定限制外,對于非實時性的狀態(tài)、診斷、參數(shù)化的數(shù)據(jù)沒有限制。如對于Profibus-DP支路,為保證控制和過程測量數(shù)據(jù)的實時性,對于循環(huán)周期數(shù)據(jù)通信,系統(tǒng)設(shè)置時限制在輸入244字節(jié)和輸出244字節(jié);而非循環(huán)周期數(shù)據(jù)通信根據(jù)設(shè)備的不同,能夠傳送幾十到二百多個字節(jié),并且不影響系統(tǒng)的實時性。

b)現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)了雙向數(shù)據(jù)傳輸,能夠簡化電纜設(shè)計、安裝和調(diào)試,在生產(chǎn)過程中獲得遠(yuǎn)大于PLC,DCS的信息,為SIS提供更豐富的數(shù)據(jù),為實現(xiàn)狀態(tài)檢修、性能優(yōu)化控制和管理奠定更可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

c)FCS的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計是至關(guān)重要的,不僅要根據(jù)系統(tǒng)I/O點的規(guī)模,而且要根據(jù)設(shè)備的地理分布、功能的相關(guān)性等因素,設(shè)計各層網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍,支路的數(shù)量,支路及分支線路的長度、各支路的設(shè)備數(shù)量等,這些設(shè)計對系統(tǒng)的性能、硬件配置等都有重要影響。

d)通過信息管理和診斷軟件,運行和維護(hù)人員能夠及時了解儀表和設(shè)備運行狀況,通過一些統(tǒng)計數(shù)據(jù),有可能提前估計設(shè)備的故障,大部分以前必須去現(xiàn)場巡檢、調(diào)整的工作能夠在控制室完成。

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