FF總線技術(shù)在藥企污水處理過程控制中的應(yīng)用

洪景學

摘要：目前藥企污水處理過程大都采用計算機控制系統(tǒng)，但污水處理場區(qū)域面積大，設(shè)備及儀表分散，與控制室距離較遠，為降低施工成本，縮短施工時間，提出一種采用DCS系統(tǒng)與FF總線技術(shù)結(jié)合的系統(tǒng)架構(gòu)。通過對FF總線的硬件結(jié)構(gòu)及控制功能的闡述，介紹了其在污水處理過程中的實際應(yīng)用情況，并說明了FF網(wǎng)段的安裝和調(diào)試過程。實際應(yīng)用表明，DCS系統(tǒng)與FF總線技術(shù)相結(jié)合為大型污水處理廠提供了經(jīng)濟可靠的系統(tǒng)架構(gòu)實例。

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng) 污水處理 DCS系統(tǒng) FF總線

中圖分類號：TH89 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）05-0000-00

藥企由于工藝要求，生產(chǎn)過程產(chǎn)生的污水量大，污水處理的各種池的容積較大，因此污水處理場所占地較廣。國家環(huán)保部門對藥企污水的排放有嚴格的標準管理，藥企的污水處理彰顯尤為重要。隨著近幾年計算機技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)DCS、儀器儀表的價格下降幅度很大，計算機控制系統(tǒng)在大多藥企的污水處理過程得到了應(yīng)用。但常規(guī)DCS控制系統(tǒng)架構(gòu)與現(xiàn)場儀表是通過I/O總線方式檢測或傳輸電流信號，每塊儀表都要連接信號線。這給施工中帶來繁雜的鋪線、架線、檢測線工作，因此需要既能縮短施工時間，又能降低施工費及安裝材料量的控制系統(tǒng)架構(gòu)。合理組織控制系統(tǒng)架構(gòu)，滿足上述問題，是藥企污水處理過程中必須解決的計算機控制技術(shù)問題。

隨著FF總線技術(shù)在石油、化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用[1-5]，相當部分的FF儀表已國產(chǎn)化，國產(chǎn)DCS控制系統(tǒng)也已具有FF功能，為藥企污水處理過程的計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用帶來了性價比更高的系統(tǒng)架構(gòu)[6-7]。浙江湖州一家生物制藥和合成制藥的藥企2012年改造8000+4000噸/天污水處理中心，配套的計算機控制系統(tǒng)是中控ECS700系統(tǒng)，并應(yīng)用了FF技術(shù)。其計算機控制系統(tǒng)的基層通訊架構(gòu)是I/O和FF總線，很好的解決了控制設(shè)備遠且稀疏的問題。

1項目簡介

1.1項目介紹

某藥企現(xiàn)建有集中污水處理1座，包括4000 m3/d廢水生物預(yù)處理系統(tǒng)和8000 m3/d廢水生物處理系統(tǒng)。采用物化、水解酸化和好氧生物工藝進行處理。由于企業(yè)現(xiàn)旗下的分公司廢水COD和氨氮負荷高，加大了集中污水處理工程的負荷，影響工程的穩(wěn)定運行，給廢水外排達標帶來較大難度。

針對分公司排放廢水高COD、高氨氮的特征，擬先進行厭氧預(yù)處理去除其中的大量有機物，然后進行脫氮。鑒于原有集中污水處理工程厭氧酸化負荷低的現(xiàn)狀，現(xiàn)確定采用UASB為核心的厭氧預(yù)處理系統(tǒng)，包括廢水調(diào)節(jié)池、UASB塔、出水沉降罐、沼氣脫硫系統(tǒng)，沼氣利用系統(tǒng)等。同時將已有的污水處理控制系統(tǒng)進行改造，滿足污水處理過程的控制要求。

1.2控制系統(tǒng)工程要求

（1）4000T/D、8000T/D是已運行的污水處理系統(tǒng)，這次內(nèi)容是將各控制測量點接入DCS系統(tǒng)，并將轉(zhuǎn)動設(shè)備啟?？刂撇⑷氲娇刂葡到y(tǒng)中，要求轉(zhuǎn)動設(shè)備有就地和DCS系統(tǒng)兩地控制啟停功能。

（2）厭氧工程是這次改造新增工程，流程圖上的遠傳儀表，接入DCS系統(tǒng)，并根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備布置，采用FF技術(shù)，降低施工費用，減少安裝材料，縮短工程時間。

（3）控制室設(shè)置三臺操作站，一臺兼工程師站，打印機一臺。

1.3工藝簡要介紹

生產(chǎn)廢水中含有苯酚等難降解物質(zhì)，為提高廢水B/C比，節(jié)約原料消耗，目前企業(yè)采用萃取方法回收廢水中的苯酚，萃取后的污水和其它高濃度的生產(chǎn)廢水混合后進入高濃度廢水預(yù)處理工程調(diào)節(jié)池，池內(nèi)設(shè)穿孔管預(yù)曝氣，起到快速均質(zhì)作用。調(diào)節(jié)后的廢水進入氣浮槽去除SS和部分COD，再進入兼氧池，通過池中兼氧菌的分解，使污水中的大分子難降解有機物降解為小分子易生化物質(zhì)，提高廢水的B/C比。經(jīng)兼氧沉淀后出水進入HCR池中進行好氧處理，去除污水中大部分有機物和氨氮，HCR池出水進入中間水池后，再泵入臭氧氧化塔氧化，進入過濾池進行曝氣、加粉末活性炭去除剩余臭氧后，出水進入分廠污水處理站調(diào)節(jié)池，與企業(yè)其它污水（包括公用工程廢水、地面沖洗水、稀污水等）、生產(chǎn)廢水、生活污水充分混合集中處理?；旌蠌U水首先進入水解池，在兼氧菌的作用下，使污水中的大分子難降解有機物降解為小分子易生化物質(zhì)，然后進入LD-PACT池，通過定期往曝氣池內(nèi)投加粉末活性炭，強化對污水中有毒有害物質(zhì)的去除效果，同時該處理單元設(shè)置缺氧區(qū)，通過系統(tǒng)污泥內(nèi)回流，提高該系統(tǒng)的脫氮效率，經(jīng)好氧處理后的出水進入接觸氧化池，進一步去除殘留COD和氨氮。

8000T/D工藝流程如下：

調(diào)節(jié)池→水解池→LD-PACT池→二沉池→接觸氧化池→終沉池→化學氧化池→出水達標排放

4000T/D工藝流程如下：

調(diào)節(jié)池→氣浮池→兼氧池→沉淀池→HCR池→中間池→化學氧化池→過度池→排水

2項目控制系統(tǒng)架構(gòu)

由于8000噸、4000噸老系統(tǒng)的儀表設(shè)備不是FF儀表，采用I/O總線，新增厭氧項目采用FF儀表及FF技術(shù)。HCR池PLC控制系統(tǒng)通過光纖接入交換機，監(jiān)控系統(tǒng)及現(xiàn)場設(shè)備的運行數(shù)據(jù)。系統(tǒng)構(gòu)架如圖1。

3總線技術(shù)

現(xiàn)場總線又稱現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)，它屬于一種特殊類型的計算機網(wǎng)絡(luò)，是用于完成自動化任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。從現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)備類型、傳輸信息的種類、網(wǎng)絡(luò)所執(zhí)行的任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)所處的工作環(huán)境等方面。IEC（國際電工委員會）定義：一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與控制裝置之間進行雙向、串行、多節(jié)點、數(shù)字式的數(shù)據(jù)交換的通信技術(shù)。

基金會現(xiàn)場總線（FOUNDATION fieldbus）是上世紀九十年代發(fā)展起來的新型自動化控制技術(shù)，目前，正以迅猛的勢頭快速發(fā)展。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)之所以受到國內(nèi)外自動化設(shè)備制造商和用戶越來越強烈的關(guān)注。其根源在于它是在前人自動化控制技術(shù)基礎(chǔ)之上，吸收了DCS及PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，提出的全數(shù)字的控制系統(tǒng)。

3.1 FF總線特點

基金會現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點：（1）系統(tǒng)是全數(shù)字化的、智能的，通信是自上而下和自下而上的雙向通信，系統(tǒng)完全透明，網(wǎng)絡(luò)管理和系統(tǒng)提升隨時可以進行。（2）系統(tǒng)可以是非本安、但也可以是本安的，應(yīng)用場合廣泛。（3）網(wǎng)絡(luò)通信和供電用同一根電纜連接，可以大量節(jié)約電纜、敷設(shè)裝置等設(shè)備。（4）系統(tǒng)是互聯(lián)的、開放的，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變更更加方便。（5）控制功能可下裝在現(xiàn)場設(shè)備（控制在現(xiàn)場CIF），完善的鏈路調(diào)度功能、冗余功能確保了系統(tǒng)具有極大的可靠性。（6）系統(tǒng)是全數(shù)字的，系統(tǒng)為采用先進的管理如安全功能儀表、設(shè)備故障診斷、系統(tǒng)瞻前維護等提供了施展平臺。

3.2 FF總線技術(shù)優(yōu)點

FF現(xiàn)場總線控制技術(shù)的優(yōu)點已被實踐所證明，其主要的優(yōu)點是：（1）縮短施工時間，降低施工費，節(jié)省安裝材料量。（2）FF現(xiàn)場總線使得預(yù)防性維護成為可能，在FF現(xiàn)場設(shè)備真正出故障之前可以發(fā)出維護請求信息，并提醒儀表維護人員進行維護。在FF現(xiàn)場設(shè)備真正出故障之后可以發(fā)出故障的詳細診斷信息，來自FF現(xiàn)場設(shè)備的豐富的信息可以有限地縮短查找故障的時間、大大減少儀表維護人員到現(xiàn)場設(shè)備所在地進行一些不必要的測試和檢修，十分顯著的減少儀表維護人員的維護工作量、 從而降低了裝置的維修費用。（3）現(xiàn)場總線采用全數(shù)字通信技術(shù)，全數(shù)字信號傳輸時不易受外界干擾，有利提高系統(tǒng)的可靠性。

3.3 FF總線控制系統(tǒng)在制藥行業(yè)應(yīng)用前景

基金會現(xiàn)場總線除了適用于石油與天然氣、煉油、石化和“早期介入的行業(yè)”外，ARC明確了其在混合工業(yè)及食品飲料和制藥行業(yè)的一個有效的價值主張，特別是當它開始使確認和法規(guī)符合性的過程以及批處理分程序運行與連續(xù)過程實現(xiàn)集成輕松自如時，基金會技術(shù)的功能塊結(jié)構(gòu)非常適宜于這些過程。在生物制藥行業(yè)采用現(xiàn)場總線可實現(xiàn)真正的分層、分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)極大的提高了整個系統(tǒng)的可靠性，靈活性和可擴展性，符合生物制藥自動化的發(fā)展趨勢。

基金會現(xiàn)場總線技術(shù)在生物制藥行業(yè)中有非常廣闊的應(yīng)用前景，特別是在當今新建項目中能在可靠性、高精度、經(jīng)濟性等諸多方面獲得最大的效益。同時現(xiàn)場總線系統(tǒng)與IT網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)資源共享，無縫鏈接，大大提高了該企業(yè)的信息化水平和管理水平。相信通過國內(nèi)外現(xiàn)場總線廠家和設(shè)計研究部門的共同努力，基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)必將分系統(tǒng)、分階段地逐步取代現(xiàn)有的分散式控制系統(tǒng)[8-10]，在未來定將成為我國制藥行業(yè)自動化的主導技術(shù)。

在國內(nèi)，近五年來，從上海賽科、南海殼牌煉油、天津乙烯到2009年投運的福煉一體化，F(xiàn)F已經(jīng)逐步發(fā)揮了技術(shù)上的優(yōu)勢，也被越來越多的用戶認可，尤其是在中石化、中海油、中石油三大能源企業(yè)。但這些應(yīng)用基本上全部引進進口FF儀表、控制系統(tǒng)、通訊配件等，國內(nèi)產(chǎn)品幾乎沒有應(yīng)用，因此必須盡快改變這種現(xiàn)狀，加快基金會現(xiàn)場總線系統(tǒng)國產(chǎn)化進程。

4 中控ECS700系統(tǒng)

本方案中采用ECS-700系統(tǒng)是浙江中控技術(shù)股份有限公司W(wǎng)ebField控制系統(tǒng)，是基于國際標準和行業(yè)規(guī)范進行了設(shè)計和研制。保證了系統(tǒng)的可用性、可靠性和開放性。系統(tǒng)所有部件都支持冗余，具有故障安全功能，輸出模塊在網(wǎng)絡(luò)故障情況下，進入預(yù)設(shè)的安全狀態(tài)，保證人員、工藝系統(tǒng)和設(shè)備的安全。

4.1中控ECS700系統(tǒng)特點

基于WebFieldTM ECS-700的基金會現(xiàn)場總線系統(tǒng)，符合現(xiàn)場總線基金會主機系統(tǒng)的61b標準，可以滿足基金會現(xiàn)場總線項目應(yīng)用需求，該系統(tǒng)在ECS-700基礎(chǔ)之上增加了基金會現(xiàn)場總線的H1網(wǎng)段組態(tài)接口、控制功能塊、控制策略組態(tài)接口、控制策略下放現(xiàn)場設(shè)備功能、系統(tǒng)報警和事件、系統(tǒng)診斷以及SAMS備管理等系統(tǒng)功能，形成基金會現(xiàn)場總線一體化的系統(tǒng)解決方案，實現(xiàn)了真正的過程工業(yè)總線控制系統(tǒng)FCS，幫助用戶數(shù)字化管理工廠。

4.2 FF總線控制系統(tǒng)具體配置（圖2）

4.3 FF總線功能的組態(tài)

4.3.1 軟件組態(tài)

FF組態(tài)軟件VFFFBuilder是完成總線系統(tǒng)硬件設(shè)備組態(tài)的圖形化界面，該軟件大量采用Windows的標準控件。FF組態(tài)可完成對控制器下連接所有硬件進行組態(tài)，包括H1接口模塊（AM712-S），網(wǎng)段、網(wǎng)段上連接的設(shè)備，完整并最新的設(shè)備描述庫（DD）。

（1）H1接口模塊組態(tài)。在硬件配置界面中，添加H1接口模塊，并設(shè)置H1模塊屬性。

（2）進入VFFFBuilder組態(tài)。在AM712-S模塊下的兩個網(wǎng)段配置中，添加包括設(shè)備廠家、地址、設(shè)備類型及版本號等配置，同時完成網(wǎng)段信息配置，如網(wǎng)段使能、宏周期等。

（3）設(shè)備上線。設(shè)備接入系統(tǒng)后，系統(tǒng)自動掃描網(wǎng)段上設(shè)備。系統(tǒng)自動對上線設(shè)備屬性進行解析（前提是系統(tǒng)已具備該設(shè)備DD文件，如無DD需導入相應(yīng)版本的設(shè)備DD文件），上線設(shè)備默認為就緒狀態(tài)（Standby）或備用狀態(tài)（Sqare）。

（4）設(shè)備匹配。在硬件組態(tài)中拖曳或右鍵匹配設(shè)備，選擇讀取或下寫設(shè)備參數(shù)，匹配后的設(shè)備在線組態(tài)或修改參數(shù)。右鍵同時可以解除設(shè)備匹配，解除匹配后，用戶可以重新選擇設(shè)備匹配。

（5）網(wǎng)段調(diào)度組態(tài)。硬件組態(tài)中可以對網(wǎng)段的紅周期調(diào)度進行配置，包括宏周期及子宏周期。

（6）設(shè)備遠程組態(tài)和在線診斷。VFFFBuilder 硬件組態(tài)軟件中提供了設(shè)備遠程組態(tài)的接口，通過該接口，用戶可以直接對設(shè)備的參數(shù)進行在線瀏覽或修改。對于EDDL描述的設(shè)備，系統(tǒng)可以直接對設(shè)備進行METHOD操作組態(tài)，對溫度、壓力、流量等測量輸入的零點校準和傳感器的設(shè)置組態(tài)。同時可以再線對連接的設(shè)備進行直接診斷，診斷信息包含了現(xiàn)場總線設(shè)備報警及塊報警信息。

4.3.2 監(jiān)控、報警、診斷組態(tài)

ECS-700的實時監(jiān)控軟件與現(xiàn)場所有H1網(wǎng)段及設(shè)備進行實時訪問及監(jiān)督、監(jiān)控現(xiàn)場總線設(shè)備的通訊情況，處理系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)，并就現(xiàn)場運行情況及時有效控制。

（1）實時監(jiān)控軟件。監(jiān)控軟件為所有現(xiàn)場總線功能塊提供系統(tǒng)封裝的FF操作面板及詳細面板，除了常規(guī)的操作功能外，還提供了所有數(shù)據(jù)的質(zhì)量嗎先生和功能塊的診斷信息，可定位準確的回路錯誤或問題根源。

（2）FF報警及事件軟件。軟件報警分為過程報警、塊報警和設(shè)備報警，對過程報警提供實時報警顯示和歷史報警記錄，對塊報警和設(shè)備報警僅提供歷史報警記錄并存儲在數(shù)據(jù)庫中。

（3）系統(tǒng)狀態(tài)診斷軟件。AM712診斷包含類型、硬件版本、冗余和狀態(tài)，以及其下網(wǎng)段和設(shè)備（只包含經(jīng)過FF組態(tài)軟件組態(tài)過的設(shè)備）狀態(tài)的顯示。點對點的通訊（在AM712、網(wǎng)段和FF設(shè)備界面時）5秒鐘刷新一次診斷信息。網(wǎng)段診斷包含網(wǎng)段狀態(tài)、其下設(shè)備數(shù)量和通訊統(tǒng)計等。設(shè)備診斷包含設(shè)備基本信息（廠商、型號和版本）、位號、ID號、地址和狀態(tài)等信息。

4.4 FF總線功能的實現(xiàn)

FF網(wǎng)段的安裝和調(diào)試基本上需要三個步驟來完成并使其工作。接下來的圖表展示的就是這三個主要步驟；

開始→FF 網(wǎng)段安裝→FF 網(wǎng)段安裝及線路確認→FF 網(wǎng)段調(diào)試及操作確認→結(jié)束

4.4.1 FF設(shè)備的安裝

FF網(wǎng)段安裝由許多安裝工作組成，實際上包括部分DCS到FF儀表的部分。本文的重點是FF電纜、FF接線箱及FF儀表接線的安裝。對于傳統(tǒng)儀表和FF儀表的機械安裝基本都是相同的。FF系統(tǒng)的屏蔽接地對于FF的通訊性能異常重要，通常使用系統(tǒng)屏蔽單點接地的方式。

（1） FF儀表安裝：FF儀表的安裝/連接與傳統(tǒng)儀表相似。

1）儀表接地：通過在FF儀表上安裝接地線/條的方式來確保儀表外殼的可靠接地。

2）儀表調(diào)試標簽：每個FF儀表都有一張調(diào)試標簽。儀表安裝好之后，調(diào)試標簽必須一直掛在FF儀表上。

（2）DCS機柜中的FF主干線的端接：在DCS機柜的現(xiàn)場接線側(cè)，通過網(wǎng)段浪涌保護器接入系統(tǒng)，在進入機柜之前，對于使用鎧裝的FF電纜，其鎧裝層需被加緊在金屬框架/條棒上。

（3）FF電纜在FF接線箱內(nèi)的端接：在FF接線箱內(nèi)部，所有電纜葛蘭都被連接到了金屬板上接地連接。

（4）FF分支電纜在FF儀表內(nèi)的端接：FF分支電纜安裝在FF現(xiàn)場接線箱和FF儀表之間。

4.4.2 FF網(wǎng)段線路驗證

執(zhí)行線路驗證程序以確認FF網(wǎng)段電纜上的線纜電阻和絕緣正確。測定電阻是為了確認在網(wǎng)段上沒有短路存在，測定電容是為了驗證FF網(wǎng)段滿足了基金會現(xiàn)場總線規(guī)范（IEC 61158-2）的要求。網(wǎng)段線路驗證在外觀檢查結(jié)束后進行。

（1）電纜電阻測試。電纜電阻測定在DCS接線柜側(cè)進行，斷開兩個端子塊將網(wǎng)段電纜與浪涌保護器斷開。

信號線正負斷的測量應(yīng)當在50KΩ～20MΩ，信號正與屏蔽、接地，信號負與屏蔽、接地，屏蔽與接地測量電阻阻值>20MΩ。

（2）電纜電容測定。在接線柜里，斷開端子塊連接器，測量H1網(wǎng)段線路的電容。信號（+）到信號（—）開路，電容值為1microF；其他測量均應(yīng)開路，電容值<300nF。

4.4.3 FF網(wǎng)段調(diào)試及運行

安裝及線路驗證結(jié)束后，F(xiàn)F網(wǎng)段及FF設(shè)備已經(jīng)具備了設(shè)備調(diào)試條件。網(wǎng)段的調(diào)試，F(xiàn)F設(shè)備必須全部掛接并且網(wǎng)段已供電。在調(diào)試階段，F(xiàn)F設(shè)備將被置于運行狀態(tài)。

（1） 網(wǎng)段上電程序：FF網(wǎng)段調(diào)試第一步是掛接全部FF設(shè)備，網(wǎng)段上電。如果所有的FF設(shè)備都已經(jīng)通訊上了（顯示為未調(diào)試設(shè)備），則可執(zhí)行下一步驟。

（2）網(wǎng)段通訊驗證：一旦FF設(shè)備顯示為未調(diào)試設(shè)備，F(xiàn)F的H1接口模塊與FF儀表的通訊就被建立了，可以被檢驗了如表1所示。

（3）FF網(wǎng)段及設(shè)備通訊統(tǒng)計的驗證。FF網(wǎng)段和設(shè)備從DCS組態(tài)數(shù)據(jù)庫下載后，使用DCS的診斷工具監(jiān)視網(wǎng)段的全部通訊。通訊統(tǒng)計被測量并且存儲在H1接口模塊的存儲器中。VF的系統(tǒng)診斷程序可以讀取并將診斷參數(shù)顯示在DCS工作站的屏幕上。網(wǎng)段投用后，這些診斷參數(shù)要至少被檢查兩次。

5項目運行情況

4000T/D、8000T/D污水處理自動造化改工程自2012年5月投運使用，目前系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定，測量準確控制可靠。在中控室調(diào)用現(xiàn)場儀表運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，修改儀表量程等，極大方便了維護工作。使用單位對系統(tǒng)的可靠性、實用性給予了充分肯定。在整個改造項目實施中，F(xiàn)F總線系統(tǒng)與常規(guī)I/O總線相結(jié)合的架構(gòu)，對于節(jié)省安裝材料、縮短施工和調(diào)試時間起到了至關(guān)重要的作用，其技術(shù)的優(yōu)越性在實踐得到了驗證。

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