冗余技術(shù)在污水處理廠自控系統(tǒng)中的應(yīng)用

李 珍，張國騫，張 瑋，趙新龍

（天津工業(yè)自動化儀表研究所有限公司，天津300060）

隨著我國工業(yè)化的加速發(fā)展，人民生活水平的提高，生活污水排放量日益增多，如何節(jié)能減排、循環(huán)利用，是我們當(dāng)今社會急需解決的問題。污水處理自動控制系統(tǒng)項目完成對污水處理廠的自動控制和生產(chǎn)管理，進行集中監(jiān)視、管理、控制整個污水處理廠的全部生產(chǎn)過程和工藝流程。將雙冗余技術(shù)應(yīng)用于污水處理控制系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。此工程是目前國內(nèi)最大的污水處理廠自控項目，一期每天處理55×104t污水。

1 工藝流程簡述

為進一步改善天津市主城區(qū)水體環(huán)境質(zhì)量，建設(shè)此污水處理廠項目，出水水質(zhì)達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）中的一級A標(biāo)準(zhǔn)。此污水處理采用多級AO+高效沉淀+深床過濾工藝，消毒采用紫外線消毒工藝，除臭采用全過程除臭工藝。污水處理廠產(chǎn)生的污泥經(jīng)濃縮、脫水后，進入污泥處理處置廠進行處理[1]。其工藝流程如圖1所示。M

圖1 污水處理工藝流程Fig.1 Flow chart of wastewater treatment process

由圖1可看出此污水處理工藝復(fù)雜，為此我們研制一套技術(shù)先進、運行可靠、具有現(xiàn)代化生產(chǎn)管理水平的污水處理廠自動控制系統(tǒng)。

2 冗余自控系統(tǒng)的組成

該自控系統(tǒng)包括1個工程師站、3個操作員站、2個冗余的數(shù)據(jù)服務(wù)器通過雙環(huán)形光纖以太網(wǎng)鏈路，下掛7個具有雙控制器的分控站，每個分控站又連接一個子環(huán)，下掛若干個子設(shè)備站形成整個污水處理廠冗余自控系統(tǒng)。自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該自控系統(tǒng)是由中央監(jiān)控管理級、區(qū)域控制級、現(xiàn)場檢測執(zhí)行級組成的三級計算機分散控制系統(tǒng)。此自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可使生產(chǎn)過程中的信息能夠集中管理，以實現(xiàn)整體操作、管理和優(yōu)化；同時，也使得控制危險分散，提高系統(tǒng)可靠性[2]。

2.1 中央監(jiān)控管理級

中央控制系統(tǒng)由1臺工程師站、3臺操作員站、2臺數(shù)據(jù)服務(wù)器、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)、圖像投影裝置、數(shù)據(jù)圖表打印記錄裝置組成。

中央控制室負責(zé)監(jiān)控全廠污水處理過程中各工藝參數(shù)和設(shè)備工作狀態(tài)，執(zhí)行集中管理的職能。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和監(jiān)控工作站冗余配置，采用具有C/S（客戶機/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)形式100/1000 M交換式的計算機局域網(wǎng)絡(luò)，并可與上級系統(tǒng)或周邊系統(tǒng)鏈接。

中央控制室設(shè)置1臺工業(yè)控制計算機為工程師站，主要作用是配置系統(tǒng)硬件、形成控制策略、將生成的各類組態(tài)信息下載到操作員站和I/O控制站，使系統(tǒng)成為具有特定功能的監(jiān)控系統(tǒng)。在系統(tǒng)運行過程中，工程師還在工程師站在線調(diào)試系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)，在線修改控制參數(shù)等。同時，工程師站也是系統(tǒng)的維護中心。

中央控制室設(shè)置3臺工業(yè)控制計算機為操作站，可通過多種畫面實時監(jiān)視全廠工藝參數(shù)變化、設(shè)備運行、故障發(fā)生等情況，并進行多種模式操作。操作員站的主要功能是對現(xiàn)場的監(jiān)控、存儲歷史數(shù)據(jù)、事故追憶記錄、打印等。3臺操作站的監(jiān)控系統(tǒng)互備冗余。

圖2 自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 Network diagram of automatic control system

中央控制室設(shè)置2臺數(shù)據(jù)服務(wù)器冗余，2臺數(shù)據(jù)服務(wù)器通過環(huán)形網(wǎng)絡(luò)從各個分控站讀寫數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，與操作員實時進行數(shù)據(jù)交換，當(dāng)一臺服務(wù)器出現(xiàn)故障時操作員站可以與另外一臺服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換。

中央控制室實施全廠的運行監(jiān)視、生產(chǎn)調(diào)度、數(shù)據(jù)服務(wù)和設(shè)備管理；動態(tài)運行數(shù)據(jù)、設(shè)備工況、生產(chǎn)圖像通過液晶拼接顯示屏和計算機顯示屏實時顯示。

2.2 區(qū)域控制級

區(qū)域控制級由SIMATIC S7-400H系統(tǒng)可編程序控制器、SIMATIC操作顯示屏、通信系統(tǒng)、UPS電源等組成現(xiàn)場分控站。此系統(tǒng)共有7座現(xiàn)場分控站，1#現(xiàn)場分控站為預(yù)處理區(qū)、2#現(xiàn)場分控站為生物處理區(qū)1、3#現(xiàn)場分控站為生物處理區(qū)2、4#現(xiàn)場分控站為生物處理區(qū)3、5#現(xiàn)場分控站為深度處理區(qū)1、6#現(xiàn)場分控站為深度處理區(qū)2、7#現(xiàn)場分控站為污泥處理區(qū)。7座現(xiàn)場分控站對污水處理廠各過程進行分散控制，現(xiàn)場各分控站與中央控制室通過雙光纖工業(yè)以太網(wǎng)冗余環(huán)網(wǎng)連接實現(xiàn)集中監(jiān)控和管理，實現(xiàn)了分布式集散型計算機控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場各分控站接收工程師站下載的組態(tài)信息，完成各工藝段及功能區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)采集，工藝過程協(xié)調(diào)以及工藝設(shè)備控制。每個分控站采用S7-400H的高可靠性具有冗余功能SIMATIC PLC。

2.2.1 具有冗余功能PLC硬件組成

該控制系統(tǒng)采用西門子系列SIMATIC S7-400H系統(tǒng)可編程序控制器。PLC系統(tǒng)配置為雙機熱后備系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)采用冗余配置，主站由2塊電源模板 （PS407 10A）、1塊 CPU414-5 H PN/DP模板、2塊通訊模板CP443-1組成。同樣從站與主站具有相同的配置，主站與從站的CPU中分別插入2塊同步子模塊，連接2根同步光纖實現(xiàn)控制器的冗余，構(gòu)成雙以太網(wǎng)冗余鏈路，如圖3所示。

圖3 H系統(tǒng)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Ethernet structure diagram of H system

2.2.2 冗余系統(tǒng)PLC配置特點

平滑主從切換能夠自動無擾切換；自動事件同步；集成的錯誤識別和錯誤定位功能；操作期間可以對系統(tǒng)進行修改；下載程序時只考慮單個CPU程序可自動拷貝到另一個CPU中；CPU修復(fù)后自動再進入；運行中所有部件可更換。

此外，控制級PLC通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)通訊接口，作為Profibus-DP現(xiàn)場總線的主站建立冗余配置的Profibus-DP現(xiàn)場總線系統(tǒng)，與現(xiàn)場級分布式智能I/O ET200M連接，實現(xiàn)與現(xiàn)場設(shè)備通訊。每套冗余PLC還配1臺SIMATIC人機界面HMI，為便于操作員現(xiàn)場實時監(jiān)視及修改數(shù)據(jù)，人機界面HMI與S7-400H冗余連接，并在冗余切換時實現(xiàn)連接自動切換。

2.3 現(xiàn)場級

現(xiàn)場檢測執(zhí)行級與區(qū)域控制級間以10/100 M環(huán)形光纖工業(yè)以太網(wǎng)連接?，F(xiàn)場分控站與現(xiàn)場遠程I/O站、主要工藝設(shè)備電控裝置的連接基于環(huán)形光纖工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)字傳輸。

由于現(xiàn)場設(shè)備繁多，控制設(shè)備分散的特點我們采用西門子ET200M高密度模塊化的分布式I/O系統(tǒng)，它使用了S7-300信號模塊、功能模塊和通訊模塊進行擴展，特別適合復(fù)雜的自動化任務(wù)，適宜與冗余系統(tǒng)一起使用。每個ET200M系統(tǒng)中IM153-2接口模板上帶有Profibus-DP接口，與冗余Profibus-DP現(xiàn)場總線分別連接，實現(xiàn)現(xiàn)場分控站與控制設(shè)備的冗余連接。保證了整個系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效的運行。

3 系統(tǒng)的主要技術(shù)特點

系統(tǒng)的多重冗余設(shè)計，即雙控制器冗余，雙電源冗余、雙交換機冗余，雙環(huán)以太網(wǎng)通訊鏈路冗余、雙數(shù)據(jù)服務(wù)器冗余、工程師站與操作員站雙鏈路通訊冗余和操作員站之間的互備冗余，使得整個監(jiān)控系統(tǒng)更為完善，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

生物池處理工藝采用專家自適應(yīng)優(yōu)化智能控制，完成了IQR優(yōu)化控制以及外加碳源投加量優(yōu)化控制。

泵站優(yōu)化控制，該系統(tǒng)對進水、提升、雨水、污泥、出水等泵組采用了泵站優(yōu)化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)泵群的自動分組控制、工頻和變頻組合控制等，保證多臺泵組輪值平穩(wěn)運行、各車間無人值守。

SCADA數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)，它具有穩(wěn)定可靠的實時監(jiān)控性、高效實時歷史數(shù)據(jù)存儲功能、系統(tǒng)的開放性和延展性、組件建模及快速開發(fā)復(fù)制功能。可以實現(xiàn)多種統(tǒng)計計算，進行事件的報警和預(yù)警，歷史回放重現(xiàn)機組工況，網(wǎng)絡(luò)Web發(fā)布，報警查看、報表查詢等功能，系統(tǒng)實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)診斷功能、控制器I/O硬件診斷功能、分控站屏的自動切換功能、以及現(xiàn)場設(shè)備運行響應(yīng)狀態(tài)的自動監(jiān)視及控制等。SCADA數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)設(shè)計，保證整個監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，杜絕生產(chǎn)狀況誤判，誤動、擾動，除了滿足集中管理、分散控制、智能檢測的先進性水平，還應(yīng)用成熟的優(yōu)化控制技術(shù)，盡可能節(jié)約投資，以期獲得良好的經(jīng)濟指標(biāo)，為污水處理廠節(jié)能降耗、經(jīng)濟運行提供保障。

4 結(jié)語

污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計多重冗余，使得整個監(jiān)控系統(tǒng)更為完善，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。該自控系統(tǒng)體現(xiàn)了集中管理、分散控制、智能檢測的先進水平。水是人類生存和社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是一種有限的、又不可替代的寶貴資源，也是社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要保證[3]。因此城市污水處理控制系統(tǒng)不僅能節(jié)約能源，提高經(jīng)濟效益，也具有重要現(xiàn)實意義。此污水處理廠投入使用，運行效果良好，得到用戶好評。

[1]陶俊杰.城市污水處理技術(shù)及工程實例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2]張利.基于西門子PLC技術(shù)的污水處理廠控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].陜西：西安電子科技大學(xué)，2012.

[3]夏暢斌，羅彬，尹奇德.污水處理機械化與自動化[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.