污水處理廠SCADA系統(tǒng)反相序保護

王明軍 袁 鵬

作者通聯(lián)：淮安同方水務(wù)有限公司 江蘇淮安市延安東路1號 223002

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在現(xiàn)代化污水處理廠SCADA（監(jiān)督控制及數(shù)據(jù)獲取）系統(tǒng)中，操作人員在總控制室通過上位PC控制閘門、閥門、污水泵及粗/細(xì)格柵撈污機等污水處理工藝設(shè)備運行或停止。PH值、進水流量、進水COD及生物池中溶解氧含量等工藝流程上各種在線儀表數(shù)據(jù)實時傳送到總控制室上位PC，同時運行/停止、故障等工藝設(shè)備狀態(tài)，實時地反映在上位PC機上。一般只有在檢修或保養(yǎng)設(shè)備時，由維護人員現(xiàn)場手動操作設(shè)備。

一、問題的提出

漣水污水處理廠SCADA系統(tǒng)見圖1，其中PLC1、PLC2為帶有以太網(wǎng)模塊CP343-1的西門子S7 300系列PLC。PLC1負(fù)責(zé)預(yù)處理段（進水泵、粗/細(xì)格柵撈污機、旋流除砂機等）監(jiān)督控制及該區(qū)域在線儀表數(shù)據(jù)采集；PLC2負(fù)責(zé)氧化溝推進器、回流/剩余污泥泵及曝氣鼓風(fēng)機等設(shè)備監(jiān)督控制及該區(qū)域在線儀表數(shù)據(jù)采集。上述所有工藝設(shè)備電控柜中均沒有反相序保護，建廠自動化控制系統(tǒng)集成時也未考慮工藝設(shè)備反相序保護問題。

2012年6月24日，污水處理廠主供電源停電，工作人員立即投運備用電源，總控制室值班人員觀察設(shè)備運行正常。2h后，值班人員發(fā)現(xiàn)氧化溝上20余臺水下推進器全部停運且故障報警，維護人員未發(fā)現(xiàn)故障原因，相關(guān)技術(shù)人員現(xiàn)場檢查確認(rèn)是電源反相序。污水提升泵、水下推進器及曝氣鼓風(fēng)機等大多數(shù)污水處理工藝設(shè)備不允許反轉(zhuǎn)，否則會造成設(shè)備機械損壞。據(jù)污水處理廠事故損失調(diào)查，20余臺推進器葉片全部脫落，葉片輪箍軸瓦、推進器電機軸頭磨損嚴(yán)重，推進器導(dǎo)桿及脫架與基礎(chǔ)連接脫開，部分推進器機封損壞，電機進水，直接維修成本6萬余元。由于同時運行的1#進水泵及3#曝氣鼓風(fēng)機均由變頻器驅(qū)動，變頻器未設(shè)置反相序保護功能，雖然供電電源相序相反，但經(jīng)過變頻器整流及逆變，變頻器輸出相序沒有反相，因此進水泵及曝氣鼓風(fēng)機沒有損壞，故總控制室工作人員未及時發(fā)現(xiàn)異常。

圖1 漣水污水處理廠SCADA系統(tǒng)

事故發(fā)生后，將氧化溝污水全部排掉，修復(fù)設(shè)備，重新培養(yǎng)活性污泥，前后共用時一個月，該廠目前商業(yè)運營每噸污水0.8元，每日處理水量3萬t，共造成經(jīng)濟損失78萬元。為此，恢復(fù)生產(chǎn)后考慮給不允許反向運行的設(shè)備增加反相序保護功能。

二、設(shè)備反相序保護

1.方案選擇

（1）在每臺設(shè)備電控柜加裝一個相序控制器，只有相序正常時才允許設(shè)備運行，反之，立即切斷設(shè)備。

（2）全廠只裝一只相序控制器，相序控制器信號接入就近PLC。在PLC站原梯形圖程序基礎(chǔ)上，編寫相序保護功能程序并加到原PLC主程序OB1中最后一個NETWORKS，一旦檢測到反相序信號，通過PLC程序立即封鎖設(shè)備的運行控制命令。對于其他PLC站所轄設(shè)備相序保護，首先利用PLC之間以太網(wǎng)通信，將相序檢測信號送到相應(yīng)的PLC，再用同樣方法在本臺PLC做相應(yīng)保護程序。同時在上位機畫面做一報警，一旦電源相序相反告知值班人員。

方案（1）的特點是無論現(xiàn)場手動控制還是調(diào)度人員在上位機通過PLC遠程控制設(shè)備，電源相序反都能切斷設(shè)備運行，相序控制器需求量多及敷設(shè)大量電纜，成本很高。考慮到污水處理廠工藝設(shè)備多數(shù)時間是調(diào)度人員在上位機通過PLC遠程手動或自動控制，因此選擇方案（2）。

2.電氣接線（ 圖 2）

選用具有逆相序、缺相等保護功能的無錫產(chǎn)臺灣ANLY相序控制器，將相序控制器直接接到低壓配電室母線，控制器輸出就近接入PLC2。應(yīng)避免相序控制器與母線之間有一級或多級開關(guān)設(shè)備，否則若開關(guān)跳閘，則無法實現(xiàn)保護。調(diào)整相序控制器輸入檢測端接線，使正常相序時ANLY繼電器常開點閉合，將該常開點信號接入PLC2數(shù)字量輸入端口。此時試驗，一旦對調(diào)相序輸入端任意兩相或少接一、二相，該常開點即斷開。

圖2 反相序保護電氣接線

3.編程

（1）在S7300 PLC2中插入一個FC塊，在符號表中給該塊取名為 phase-protection，在該FC塊中編制梯形圖程序（圖3），其中ANLY繼電器常開點接入S7300 I20.0，Q0.0、Q0.1及Q0.2等是PLC2原梯形圖程序中控制設(shè)備運行的命令，即現(xiàn)場、遠程、運行及故障等設(shè)備輸入條件再結(jié)合工藝要求的邏輯輸出；在NETWORK2中，當(dāng) M0.0為 1時，將PLC2輸出的、不允許反相運行的設(shè)備命令用復(fù)位指令復(fù)位，即使設(shè)備停止運行。

（2）將該 FC塊加到 PLC2的OB1中且一定要放在OB1的最后一個 NETWORK 中（ 圖 4），否則有可能起不到應(yīng)有的保護作用。這樣Q0.0、Q0.1及Q0.2等形成雙線圈輸出，既是原梯形圖程序的邏輯輸出，也是新加入的相序保護功能phase-protection的邏輯輸出。由于PLC程序是順序掃描，對Q0.0、Q0.1及Q0.2等的輸出總以最后一次為準(zhǔn)，因此只有當(dāng)相序反時會封鎖這些設(shè)備的運行控制命令；相序正常時，由于M0.0為0，新加的相序保護功能phaseprotection對 Q0.0、Q0.1及 Q0.2等不產(chǎn)生任何影響。

圖3 FC塊中的梯形圖程序

圖4 OB1中的梯形圖程序

對于PLC1所轄設(shè)備相序保護問題，首先要將PLC2中相序信號I20.0利用以太網(wǎng)傳送給PLC1，西門子S7300 PLC可選用基于以太網(wǎng)的S7連接或S5兼容連接進行以太網(wǎng)通信。當(dāng)I20.0傳送給PLC1后，PLC1中按同樣原理編制相序保護梯形圖程序。

漣水污水處理廠加裝反相序保護措施后，現(xiàn)場試驗非?？煽?。準(zhǔn)備將上述做法推廣到公司下屬所有污水處理廠，確保污水處理工藝設(shè)備更加可靠運行。電源相序反雖然很少出現(xiàn)，但發(fā)生后會損壞企業(yè)工藝設(shè)備，損失很大，而且目前我國正處于高速發(fā)展期，電網(wǎng)升級改造頻繁，無形中增加了電源相序反的可能性。上述方法可為同種情況企業(yè)提供參考。 W13.02-22