基于現(xiàn)場(chǎng)總線的PLC在污水處理裝置中的應(yīng)用

孫明

(中海石油投資控股有限公司 大同煉制氣項(xiàng)目籌備組，山西 大同 037100)

隨著中國(guó)對(duì)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的逐年提高，現(xiàn)代煤化工污水處理的技術(shù)不斷成熟完善，某煤化工項(xiàng)目為了驗(yàn)證污水處理零排放工藝技術(shù)的可行性，實(shí)施了污水處理全流程的中試裝置。為便于統(tǒng)一管理與操作，該中試裝置中采用了基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的可編程控制器(PLC)，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)采用數(shù)字化信號(hào)取代傳統(tǒng)的4～20 mA模擬信號(hào)，通過(guò)高速的通信方式對(duì)設(shè)備及工藝進(jìn)行監(jiān)控，該系統(tǒng)具有信號(hào)采集精度高、控制靈活、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際使用過(guò)程中，基于現(xiàn)場(chǎng)總線的PLC安裝調(diào)試過(guò)程簡(jiǎn)便，成本較低，在水處理行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1]。

1 污水處理工藝流程簡(jiǎn)介

該中試裝置根據(jù)處理對(duì)象和功能，工藝流程劃分為生化處理段、中水回用水處理段、膜濃縮處理段和蒸發(fā)結(jié)晶分鹽段。

1) 生化處理段由調(diào)節(jié)池、水解酸化、A/O生化池、二沉池、臭氧氧化、曝氣生物濾池(或P-MBR膜生物反應(yīng)器)等組成。

2) 中水回用水處理段由“混凝沉淀、多介質(zhì)過(guò)濾、超濾、反滲透”組成。

3) 膜濃縮處理段由“軟化澄清池、多介質(zhì)過(guò)濾、離子交換樹(shù)脂、超濾、反滲透、電解氧化、納濾分鹽、氯化鈉反滲透”組成。

4) 蒸發(fā)結(jié)晶分鹽段由“氯化鈉TVR結(jié)晶系統(tǒng)、硫酸鈉TVR熱法結(jié)晶系統(tǒng)”組成。

2 控制系統(tǒng)介紹

2.1 PLC硬件設(shè)計(jì)及配置

2.1.1PLC硬件設(shè)計(jì)思路

該中試裝置對(duì)控制系統(tǒng)提出的要求，包括對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)施檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、過(guò)程控制、用電設(shè)備狀態(tài)顯示等，要確保各關(guān)鍵試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取，為裝置的工業(yè)化應(yīng)用提供第一手資料。由于該中試裝置流程長(zhǎng)、操作設(shè)備多，因而在裝置試驗(yàn)過(guò)程中，為達(dá)到優(yōu)化工藝流程的目的，則需要對(duì)裝置進(jìn)行改造。為保證中試裝置工藝生產(chǎn)過(guò)程的可靠性和高效性，要求控制系統(tǒng)能盡量簡(jiǎn)單、快速地完成相應(yīng)的擴(kuò)展改造，并可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的信息化管理及調(diào)度[2]。

為滿(mǎn)足中試裝置對(duì)控制系統(tǒng)提出的要求，設(shè)計(jì)中采用了易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展、兼容性強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，PLC則采用西門(mén)子公司的SIMATIC S7-1500，其CPU配有Profinet以太網(wǎng)接口，通過(guò)該接口可以實(shí)現(xiàn)與Profinet-I/O設(shè)備及其他PLC的通信；支持多種通信協(xié)議，還可以實(shí)現(xiàn)Profibus-DP通信。S7-1500不是通過(guò)擴(kuò)展機(jī)架，而是通過(guò)分布式I/O擴(kuò)展。

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般分為三個(gè)層級(jí)： 操作層、控制層、現(xiàn)場(chǎng)層，其中操作層一般采用以太網(wǎng)通信，控制層采用各自動(dòng)化廠商自己的專(zhuān)有通信或者M(jìn)odbus等串口通信，現(xiàn)場(chǎng)層則是采用模擬量的4～20 mA信號(hào)和開(kāi)關(guān)量信號(hào)。而采用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的控制系統(tǒng)，特別是采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)后，由于通信協(xié)議的統(tǒng)一，則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，更加扁平和優(yōu)化。該中試裝置所采用的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的PLC在使用功能上雖然仍為三個(gè)層次： 操作層(上位機(jī))、控制層(CPU)、現(xiàn)場(chǎng)層(分布式I/O及變頻器)，但這三個(gè)層次均采用了Profinet工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)TCP/IP協(xié)議通信，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上實(shí)際是融合在一個(gè)大的層級(jí)里，從而大幅提高了數(shù)據(jù)通信的速度和效率。該中試裝置控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 污水中試裝置控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

2.1.2PLC硬件配置

該中試裝置的污水處理部分設(shè)置了4個(gè)工藝單元，其中的生化處理單元、中水回用單元、膜濃縮單元分別有公用的和獨(dú)立的加藥系統(tǒng)，而蒸發(fā)結(jié)晶裝置屬于專(zhuān)有設(shè)備，自配了2套S7-200PLC。根據(jù)上述工藝單元的空間布置，考慮到水處理生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)噪音較低且粉塵較少，環(huán)境較好，可以充分發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)總線通信的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。該中試裝置運(yùn)行時(shí)間要求不超過(guò)0.5 a，所以設(shè)計(jì)中沒(méi)有設(shè)置集中的機(jī)柜室，而是采用就近原則，將該中試裝置的PLC劃分為9套控制子站,對(duì)應(yīng)9面控制柜，即1號(hào)站控制生化段各池及設(shè)備，2號(hào)站控制生化段加藥設(shè)備，3號(hào)站控制曝氣生物濾池(BAF)及臭氧設(shè)備，4號(hào)站控制公用加藥設(shè)備，5號(hào)站控制中水回用段加藥設(shè)備，6號(hào)站控制中水回用段設(shè)備，7號(hào)站控制膜濃縮段設(shè)備，8號(hào)站控制膜濃縮段加藥設(shè)備，9號(hào)站控制生化段P-MBR設(shè)備。各子站的PLC機(jī)柜布置于各單元現(xiàn)場(chǎng)附近，各子站間通過(guò)Profinet高速以太網(wǎng)通信。蒸發(fā)結(jié)晶分鹽單元的2套PLC原計(jì)劃擬采用OPC或增加Profinet以太網(wǎng)通信模塊的方式接入中試裝置的控制系統(tǒng)，但由于實(shí)施期間工期緊張的原因未能實(shí)現(xiàn)。整個(gè)中試裝置的 I/O點(diǎn)數(shù)約800點(diǎn)，其中AI點(diǎn)約占100點(diǎn)，DI和DO點(diǎn)約占700點(diǎn)。由于工藝管道上沒(méi)有設(shè)置調(diào)節(jié)閥，而是采用變頻水泵調(diào)節(jié)流量，變頻器的控制通過(guò)Profinet以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)，故沒(méi)有AO點(diǎn)。各PLC子站的CPU通過(guò)通信模塊與分布式I/O模塊單元實(shí)現(xiàn)通信，CPU由供電模塊提供配電，各I/O模塊安裝在通信背板上，由基座供電并支持熱插拔。每個(gè)PLC子站機(jī)柜內(nèi)配有2 kVA的UPS、電源避雷器，以提高供電的可靠性。配置的8口交換機(jī)可實(shí)現(xiàn)子站與變頻器、各子站間的級(jí)聯(lián)。

中心控制室為滿(mǎn)足中試裝置全流程的監(jiān)控需要，在上位機(jī)設(shè)置了2臺(tái)工作站，配備了寬屏液晶顯示器，主機(jī)配置了英特爾I5四核處理器、1T硬盤(pán)、8G內(nèi)存，既作為操作員站也作為工程師站，通過(guò)“用戶(hù)名+密碼”可切換不同的工作管理權(quán)限。系統(tǒng)具備打印、記錄、儲(chǔ)存、顯示等功能，可查詢(xún)歷史工藝數(shù)據(jù)的運(yùn)行記錄，為保證工藝數(shù)據(jù)不因斷電丟失，配備了3 kVA不間斷電源。操作員站對(duì)整個(gè)工藝系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，采用全中文圖形界面，全自動(dòng)化動(dòng)態(tài)顯示；操作員站兼具工程師站的功能，可完成系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)試及控制參數(shù)的在線修改和設(shè)置等功能。整個(gè)系統(tǒng)的Profinet中心網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)也設(shè)置在中心控制室內(nèi)，由于與各子站通信距離不超過(guò)50 m，用帶屏蔽層的超五類(lèi)雙絞網(wǎng)線與各子站組成星型連接結(jié)構(gòu)形式。

2.2 PLC軟件配置

PLC的軟件采用西門(mén)子的TIA博途V15，該軟件是一套全集成的自動(dòng)化軟件工程平臺(tái)，與SIMATIC S7-1500實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接。該軟件的安裝環(huán)境及硬件配置要求較高，需要CPU為Intel I5 3.4 GHz以上，至少8 G的內(nèi)存，50 G的硬盤(pán)空間，操作系統(tǒng)為Windows 7(64位)以上版本。該中試裝置在實(shí)施中使用的是單一授權(quán)許可的工程組態(tài)版，在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)該軟件系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，但在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，由于組態(tài)和監(jiān)視平臺(tái)的統(tǒng)一化，從而使調(diào)試組態(tài)的工作方便、高效。

監(jiān)控操作畫(huà)面按照工藝及用途劃分，包括： 3組工藝主畫(huà)面，7個(gè)程控子畫(huà)面，2個(gè)專(zhuān)用畫(huà)面，各畫(huà)面均可以通過(guò)頁(yè)眉按鈕進(jìn)行切換。3個(gè)主畫(huà)面分別顯示生化處理單元、中水回用單元、膜濃縮單元；而生化處理單元的P-MBR，中水回用單元的超濾、反滲透裝置，膜濃縮單元的超濾、反滲透、納濾及納濾產(chǎn)水裝置，均需進(jìn)行順序控制操作，其自動(dòng)運(yùn)行的過(guò)程均單獨(dú)做了程控畫(huà)面，一共7個(gè)程控子畫(huà)面。為方便運(yùn)行人員監(jiān)控，如水質(zhì)在線分析、液位、流量、壓力等主要工藝參數(shù)單獨(dú)做了1個(gè)綜合報(bào)警專(zhuān)用畫(huà)面。由于整套中試裝置的機(jī)泵較多，為方便調(diào)試及維護(hù)需要，如風(fēng)機(jī)、水泵等主要轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備也單獨(dú)做了1個(gè)專(zhuān)用畫(huà)面。而蒸發(fā)結(jié)晶分鹽單元屬于供應(yīng)商的專(zhuān)有設(shè)備，其畫(huà)面為隨機(jī)配套的觸摸屏監(jiān)控，具有報(bào)警及趨勢(shì)功能，因此在中心控制室內(nèi)沒(méi)有監(jiān)控畫(huà)面。該污水中試裝置PLC監(jiān)控組態(tài)如圖2所示。

圖2 污水中試裝置PLC監(jiān)控組態(tài)示意

2.3 PLC的接地

PLC接地按照HG/T 20513—2104《儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]執(zhí)行，將各機(jī)柜內(nèi)電氣保護(hù)地與儀表系統(tǒng)工作地分別接至各自的匯流排上，各機(jī)柜的工作接地匯流排和保護(hù)接地匯流排分別通過(guò)各自接地分干線接至不同接地匯總板，再通過(guò)接地干線接入總接地板，最后通過(guò)接地總干線接入電氣等電位接地網(wǎng)，接地電阻值應(yīng)小于4 Ω。

3 PLC的使用情況

3.1 主要控制邏輯及監(jiān)控組態(tài)簡(jiǎn)介

該中試裝置的運(yùn)行按自動(dòng)運(yùn)行方式設(shè)計(jì)，運(yùn)行人員在中心控制室內(nèi)通過(guò)上位機(jī)對(duì)污水處理系統(tǒng)主設(shè)備進(jìn)行控制、監(jiān)視，對(duì)異常工況發(fā)出報(bào)警并采取措施及時(shí)處理。PLC主要的控制方式包括： 自動(dòng)方式、半自動(dòng)方式(成組單步)、遠(yuǎn)程手動(dòng)操作、就地手動(dòng)操作。PLC正常運(yùn)行時(shí)采用自動(dòng)控制方式，對(duì)于加藥系統(tǒng)PLC則設(shè)置了自動(dòng)和手動(dòng)控制方式。

3.1.1生化處理單元的主要控制邏輯

生化處理單元的主要控制邏輯包括： 一、二級(jí)A/O池的溶解氧濃度自動(dòng)控制程序；P-MBR的順序控制程序，P-MBR順序控制與各類(lèi)膜裝置的類(lèi)似；調(diào)節(jié)池及二沉池的液位聯(lián)鎖控制。其中，溶解氧濃度的PID常規(guī)控制及模糊控制的相關(guān)文章論述較多，本文不再贅述，但實(shí)際操作時(shí)由于溶氧反饋信號(hào)的滯后太大，因此導(dǎo)致自動(dòng)調(diào)節(jié)切換為手動(dòng)操作的情況較為普遍，還需進(jìn)一步積累經(jīng)驗(yàn)[4]。

3.1.2中水回用單元和膜濃縮單元的控制邏輯

中水回用單元和膜濃縮單元的主要控制邏輯以程序控制為主，主要有中水回用單元的超濾順序控制、反滲透順序控制；膜濃縮單元的超濾順序控制、海水反滲透順序控制、納濾順序控制、納濾產(chǎn)水反滲透順序控制。聯(lián)鎖控制主要有各裝置出口pH值聯(lián)鎖、各水箱和加藥箱的液位聯(lián)鎖等。

上述幾種順序控制程序中的超濾和反滲透順序控制邏輯涉及的泵及閥門(mén)的控制程序較多，同時(shí)順序控制還要與相關(guān)的加藥量進(jìn)行比較來(lái)選擇判斷程序的不同進(jìn)展，因此程序組態(tài)工作較復(fù)雜，其余的順序控制邏輯基本與兩者相似，但內(nèi)容簡(jiǎn)單了許多。另外，在順序控制設(shè)計(jì)中，加入必要的步進(jìn)、步延、暫停、復(fù)位、急停等功能，對(duì)順序控制調(diào)試和保證特殊工況下的設(shè)備安全運(yùn)行非常有必要。

3.2 調(diào)試及運(yùn)行情況

基于現(xiàn)場(chǎng)總線的PLC在安裝及調(diào)試期間，PLC與變頻器均采用總線通信，節(jié)省了大量的儀表及電氣電纜。

1) 由于采用了Profinet以太網(wǎng)通信接口，使用屏蔽的雙絞網(wǎng)線即可滿(mǎn)足組網(wǎng)的通信需求，實(shí)際使用過(guò)程中，該P(yáng)LC在通信環(huán)節(jié)運(yùn)行良好。

2) 在進(jìn)行單機(jī)調(diào)試和聯(lián)動(dòng)調(diào)試時(shí)，尤其是變頻器的調(diào)試，無(wú)須工程師在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定變頻器參數(shù)，只需在工程師站中通過(guò)TIA博途軟件組態(tài)便可完成對(duì)所有變頻器參數(shù)的設(shè)定。調(diào)試過(guò)程中，普通的設(shè)備運(yùn)行故障可根據(jù)上位機(jī)顯示的設(shè)備故障代碼對(duì)故障進(jìn)行診斷、分析，大幅提高了工作效率。

3) 高速的Profinet現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和西門(mén)子TIA博途軟件系統(tǒng)的結(jié)合，使整個(gè)裝置的9套子站間通信速度快、數(shù)據(jù)處理高效、組態(tài)工作便捷，當(dāng)各子站間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)，各子站組態(tài)定義的變量均可視為全局變量，各子站CPU可以直接通過(guò)讀取I/O地址進(jìn)行調(diào)用，無(wú)需像以前那樣將所需變量映射到專(zhuān)用服務(wù)器才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的共享和交換。

4) PLC 2臺(tái)上位機(jī)監(jiān)控畫(huà)面的組態(tài)、9套子站的組態(tài)、各子站CPU的下裝工作均在博途軟件系統(tǒng)創(chuàng)建的一個(gè)項(xiàng)目里完成，無(wú)須再分別對(duì)上位機(jī)和下位機(jī)進(jìn)行組態(tài)，從而大幅提高了組態(tài)工作的效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于現(xiàn)場(chǎng)總線的PLC在污水處理裝置設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試及運(yùn)行的各個(gè)階段中的應(yīng)用，體現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的便捷、高效以及處理大量數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的不斷成熟和完善，對(duì)水處理行業(yè)及其他行業(yè)的安全、高效生產(chǎn)，以及實(shí)現(xiàn)“數(shù)字化、智能化”的工廠建設(shè)等方面，必將發(fā)揮重要作用。