基於LK冗餘方案的紀莊子汙水處理廠自控係統升級改造

葛立福1） 江曉川2）於進2）

（天津市濱海水業集團，300381）

 

摘  要         和利時LK係列PLC應用於天津紀莊子汙水處理廠升級改造工程，根據汙水處理廠工藝要求，提供了一種降低成本
、節省空間、更geng優you化hua的de控kong製zhi方fang案an。本ben文wen介jie紹shao了le控kong製zhi係xi統tong的de組zu成cheng和he軟ruan件jian設she計ji思si路lu。該gai汙wu水shui處chu理li廠chang自zi動dong化hua控kong製zhi係xi統tong的de全quan套tao硬ying件jian設she備bei及ji軟ruan件jian設she計ji工gong作zuo由you北bei京jing和he利li時shi自zi動dong化hua驅qu動dong技ji術shu有you限xian公gong司si完wan成cheng，其qi自zi動dong化hua控kong製zhi係xi統tong由you一yi個ge中zhong央yang控kong製zhi室shi和he4個PLC現場控製站組成。

關鍵詞       和利時LK係列PLC；汙水處理廠自控係統

1         引言

紀莊子汙水處理廠位於天津市河西區衛津河以西
、津港運河以北、紀莊子排汙河以南的區域，占地麵積30公頃。紀莊子汙水處理廠的汙水處理工藝采用多級AO處理工藝。紀莊子汙水處理廠升級改造工程是天津市汙水處理工程項目之一，主要內容包括汙水處理廠的工藝設備
、電氣設備和自控儀表設備等的升級改造。紀莊子汙水處理廠服務於天津市紀莊子排水係統，升級改造工程的設計處理能力為45萬噸/日。

紀莊子汙水處理廠升級改造工程的工作內容包括改造老係統曝氣沉澱池、改造老係統初次沉澱池集配水井、改造老係統初次沉澱池、改造老係統初次沉澱池為厭氧池、改造老係統生物池、改造老係統汙泥泵房、新建老係統接觸池、改造老係統加氯間、改造擴建係統初次沉澱池為厭氧池、改造擴建係統生物池、新建擴建係統接觸池、改造擴建係統汙泥泵房
、新建加藥及碳源投加間、新增除臭係統。汙水和汙泥的處理工藝流程如圖1所示。

圖1 汙水和汙泥處理流程框圖

2         汙水處理自控係統的總體設計

2.1         係統總體設計

為了保證生產過程的安全可靠性和生產連續性，兩個增補站繼續使用歐姆龍CS1係列PLC，兩個新增站采用基於和利時LK係列PLC的集中和分散相結合的自動化控製係統，實現對全廠工藝參數、電氣參數和設備運行狀態的監測、控製、連鎖、報警以及報表打印等。通過主站和遠程站間的通訊，完成整個工藝流程所必需的數據采集
、數據通訊、順序控製、時間控製、回路調節
、上位監視和管理等功能。不僅滿足了工藝流程的要求，而且還能實現安全生產，提高生產管理水平。整個係統由1個中央控製室和4個現場控製站組成。現場控製站由PLC係統和檢測儀表組成，對各個工藝過程進行分散控製
，再由中央控製室對全廠實行集中管理。

2.2         係統網絡結構

本係統的網絡通訊結構具有簡明、高效﹑開放的特點，將以前的五層通訊結構簡化為管理層﹑控製層和設備層等具有優異通信功能的三層網絡
，如圖2所示。管理層采用Ethernet網絡
，實現PLC與上位機之間、PLC與第三方設備之間的數據通信。控製層采用Profibus-DP網絡

，負責各個控製器與IO模塊的通訊。

設備層可以采用串行總線網絡
、Ethernet網絡或Profibus-DP網絡等多種。

設備層網絡用於實現開關﹑儀表和人機界麵等現場設備與PLC之間的通信。

就(jiu)地(di)控(kong)製(zhi)具(ju)有(you)最(zui)高(gao)的(de)控(kong)製(zhi)權(quan)限(xian)。當(dang)自(zi)控(kong)係(xi)統(tong)由(you)於(yu)一(yi)些(xie)不(bu)可(ke)抗(kang)力(li)導(dao)致(zhi)無(wu)法(fa)正(zheng)常(chang)運(yun)行(xing)時(shi)
，可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)就(jiu)地(di)控(kong)製(zhi)保(bao)證(zheng)汙(wu)水(shui)處(chu)理(li)過(guo)程(cheng)的(de)連(lian)續(xu)性(xing)。將(jiang)現(xian)場(chang)控(kong)製(zhi)箱(xiang)上(shang)的(de)“就地/遠程”旋鈕切換至“就地”位置，通過箱上的“啟動/停止”按鈕實現就地手動控製。

圖2 和利時LK係列PLC控製係統網絡的三層體係結構

 

2.3         係統結構與配置

根據汙水處理工藝的控製要求，汙水處理工程自動化控製係統分為三級管理
，包括生產管理級（中央控製室）、現場控製級（PLC控製站）和就地控製級。現場各種數據通過PLC係統進行數據采集，並通過主幹通訊網絡傳送到中央控製室的監控計算機
，實現集中監控和管理。中央控製室和PLC控製站之間的數據通訊采用高速實時工業以太網，網絡結構為環形
，傳輸介質為光纖
，通訊速率為100Mbps。同樣，中央控製室監控計算機的控製命令也通過上述網絡傳送到PLC
，實施對各單元的分散控製。汙水廠自動化控製係統拓撲結構與功能配置如圖3所示。

圖3 汙水廠自動化控製係統的拓撲結構與配置圖

3         汙水處理自控係統的結構與配置

3.1         生產管理級（中央控製室）

中央控製室設有兩台監控操作站、一台工程師站
、兩台數據服務器、一台視頻監視服務器、一套DLP拚接屏、一台故障打印機、一台圖表打印機、UPS電源、一台網絡機櫃。中央控製室主要完成對生產過程的管理、調度、集中操作、監視、係統功能組態、控製參數在線修改和設置、記錄
、報表生成及打印、故障報警及打印，對實時采集的數據進行處理
，控製操作以及分析統計等功能。通過高分辨率液晶顯示器及DLP拚接屏可直觀地動態顯示全廠各工藝流程段的實時工況
、各工藝參數的趨勢畫麵
，使操作人員及時掌握全廠運行情況。同時，中央控製室還配置了專業的工業數據庫軟件King Historian，該項目需要進行曆史數據存儲的變量點數達8000多點，同時對數據的存儲頻率要求很高，普通變量要求30秒鍾記錄一個數據，對於數據精度要求較高的變量
，例如“瞬時流量”，要求10秒鍾記錄一次。所存儲的數據包括各監測點水質數據、瞬時流量、累計流量，提升泵
、閘門、汙泥泵
、刮泥機、攪拌機、鼓風機等各設備電壓
、電流、功率

、耗電量，各設備啟停時間、啟停次數

、累計運行時間、故障次數等。

3.2         現場控製級（PLC控製站或控製層）

控製層是實現係統自動控製的關鍵，控製層的PLC通過程序控製整個汙水處理廠設備按照工藝要求自動運轉

，並實現對現場設備運行狀態的采集
，現場參數有壓力、流量
、溫度
、PH值等，采集到的數據上傳至管理層，並最終通過工業數據庫軟件King Historian進行存儲。

按照工藝流程和構築物分布特點，廠內現有4套不同規模的分控站（PLC1~4）。根據工程改造內容

、工藝及控製對象的功能、設備量，以及工藝流程
、平麵布置、現有控製站布局，將更新現有分控站PLC2和PLC3


，調改現有分控站PLC1和PLC4，各PLC分別負責各自範圍內工藝參數的采集和設備運行的控製。具體內容如表1所示：

表1 各PLC控製站工藝控製範圍

 

4         汙水處理自控係統的主要功能

基於LK冗餘係統的汙水處理自控係統具有很高的自動化程度，係統功能完善
，具有良好的操作和使用性能。

4.1      權限管理

操作員進入係統使用密碼：係(xi)統(tong)提(ti)供(gong)分(fen)級(ji)的(de)用(yong)戶(hu)進(jin)入(ru)密(mi)碼(ma)係(xi)統(tong)，所(suo)以(yi)低(di)級(ji)操(cao)作(zuo)員(yuan)隻(zhi)能(neng)進(jin)入(ru)基(ji)本(ben)操(cao)作(zuo)功(gong)能(neng)
，同(tong)時(shi)較(jiao)高(gao)級(ji)別(bie)的(de)操(cao)作(zuo)人(ren)員(yuan)，按(an)照(zhao)不(bu)同(tong)的(de)密(mi)碼(ma)，可(ke)進(jin)入(ru)不(bu)同(tong)的(de)係(xi)統(tong)組(zu)態(tai)功(gong)能(neng)。

提供12級的密碼：一旦操作員提供了正確的密碼
，他可以修改他的密碼，而他的權限不能發生變化。權限管理窗口如圖4所示：

圖4 權限管理窗口

4.2      流程圖顯示

LCD畫麵為操作員了解生產過程狀態提供了顯示窗口，並能支持以下幾類畫麵：

總貌畫麵：顯示係統各設備，裝置，區域的運行狀態以及全部過程參數變量的狀態，測量值，設定值，控製方式（手動/自動狀態），高低報警等信息，從各顯示塊可以調出其它畫麵。

分組畫麵：yimoniyibiaodebiaopanxingshianshixianshedingdefenzu，tongshixianshijigehuiludexinxi
，ruguochengcanshubianliangdeceliangzhi，tiaojieqideshedingzhi
，shuchuzhikongzhifangshideng。bianliangmeimiaogengxinyici，fenzukerenyijinxing
，caozuoyuankecongfenzuhuamiantiaochurenyibianliang（模擬量或離散量）的詳細信息。

單點畫麵（調整畫麵）：顯示一個參數，控製點的全部信息以及實時趨勢和曆史趨勢，從調整畫麵也可直接對模擬回路進行設定，調整操作。

4.3      趨勢功能

操cao作zuo員yuan可ke通tong過guo菜cai單dan或huo按an鈕niu進jin入ru實shi時shi曲qu線xian畫hua麵mian或huo曆li史shi曲qu線xian畫hua麵mian
，可ke選xuan擇ze需xu要yao的de工gong藝yi參can數shu查zha看kan實shi時shi曲qu線xian或huo曆li史shi曲qu線xian，可ke同tong時shi顯xian示shi多duo條tiao實shi時shi曲qu線xian，可ke對dui曲qu線xian進jin行xing放fang大da或huo縮suo小xiao
，可ke任ren意yi選xuan擇ze需xu要yao查zha看kan的de時shi間jian段duan。

根據采集到的信息，建立各類信息數據庫並對各類工藝參數值作出趨勢曲線（含曆史數據），供調度員分析比較，以便找出汙水處理廠的最佳運行規律，分析事故原因，改進管理方法，保證出水水質，提高經濟效益。

記ji錄lu生sheng產chan所suo要yao求qiu的de所suo有you參can數shu的de曆li史shi數shu據ju，記ji錄lu時shi間jian不bu小xiao於yu三san年nian，並bing可ke根gen據ju要yao求qiu任ren意yi設she置zhi。對dui重zhong要yao的de數shu據ju進jin行xing在zai線xian存cun儲chu。可ke以yi通tong過guo曆li史shi報bao表biao或huo者zhe曆li史shi趨qu勢shi曲qu線xian的de方fang式shi來lai檢jian索suo曆li史shi數shu據ju。

曆史趨勢圖監控畫麵如圖5所示：

圖5 曆史趨勢圖監控

 

4.4      報警功能

baojingsheyouyouxianjiguanli，renyiguanlijunzaipingmushangxianshi，xianshisuoyoubaojingliebiaojibaojingdexiangxineirong。jiankongjisuanjidexianshihuamiandedingbuhuodibuyingshezhiyigebaojingtiao。zaibaojingtiaoneixianshizuijinsangebaojingweixiaoshiweibeiquerenbaojingdexiangxineirong，caozuoyuantongguohuamianqiehuanxuanzebaojingbiao，baojingbiaoneixianshizhongkongcaozuozhanjisuanjizhongpeizhidesuoyoubaojingliebiaojibaojingdexiangxineirong。baojingdexiangxineirongbaokuo：

報警的當前狀態；

每個“未消失”的報警發生時間；

每個“消失”的報警發生時間及“消失”的時間；

每個“已確認”的報警的確認時間和用戶；

當報警出現時，報警打印機立即打印報警信息。係統報警記錄如圖6所示：

 

圖6 係統報警記錄

4.5      操作記錄

係統發生的較大情況（如設備故障
、越限報警、大型設備的啟停等情況）或操作人員對設備的操作
、參數的調整
，可通過事件記錄功能記錄下這些情況和操作過程作為今後分析事故的基礎資料。事件記錄的內容包括各種事件信息
、事件發生時的用戶、事件發生的時間等。

4.6      報表打印

xitongzidongjilugezhonggongyiyunxingshuju
，jiangsuoyoushujuguinahuizongxingchengbaobiao，baobiaokedingshidayinhuozhaohuandayin，caozuoyuanyeketongguocaidanhuoanniujinrubaobiaohuamianzhakanlishibaobiao。

自動生成的生產報表（班/日/月）供生產管理之用，機內存儲六個月的信息量。采用了DDE技術，從而使用戶能夠直接使用Excel編製報表，借助Excel的強大功能，用戶可以隨心所欲地編製各種各樣的報表。無論是實時數據的報表，還是曆史數據的報表均可以實現。

5         汙水處理自控係統的應用特點

基於LK係列PLC的汙水處理係統具有如下特點：

ì       可用性和可靠性

²        係統組件的設計符合真正的工業等級
，控製係統能在嚴格的工業環境下長期
、穩定地運行，盡可能降低控製係統故障風險，保證能源收益，確保水處理廠7×24小時的不間斷供水服務。

²        LK冗餘方案可確保工藝過程高度可靠地運行，如果主CPU模塊出現故障，係統將會自動快速
、穩定地無擾切換到備用CPU模塊
，可以避免因為控製層出現問題而導致的負麵效應以及生產過程停頓。

²        PLC控製站一般設於高電磁幹擾環境，如提升泵房
、鼓風機房、變配電所等，我們的控製係統具有較強的電磁兼容性，係統采用各種隔離、抗幹擾設計，保證係統能在強電磁幹擾環境中穩定運行。

²        PLC控製站與遠程IO站之間距離較遠，本係統PLC鼓風機房控製站與4個生物池遠程IO站采用DP光纖網絡通訊，由於采用光纖通訊，大大提高了通訊的可靠性。LK的DP光纖通訊模塊可以實現PLC控製主站與遠程IO站的4級冗餘通訊
，每一級的通訊距離可以達到5KM，能夠充分滿足大型汙水處理廠PLC控製主站與遠程IO站通訊距離遠的需求。

²        水處理環境可能因遭受汙染並加速設備中電子元件的老化，我們可提供特殊的保護工藝（保護塗層）的模塊，提高元件在腐蝕性化學品和腐蝕性環境中的使用壽命，避免意外停機
，降低維護成本。

ì       節能降耗方案

²        電能成本占水處理設施總運營成本的1/3，主要耗電設備為水泵和風機，我們可提供優化的變頻控製方案，使被損耗的電能可以降低到額定值的50%到80%。

²        對於非變頻電機設備，如格柵
、螺旋輸送器

、jiaobanqi

，womenketigonggongyiyouhuakongzhiku，rudingshikongzhiyushedingcanshuxiangjiehedekongzhi
，shizhexieshebeizaixiangyinggongyitiaojianxia，fahuizuidadexiaolv，zuidachengdudijiangdidiannengdesunhao。

²        在數據采集與監控層（SCADA），可以使用數據分析等工具來創建報告，並分析過程數據，從而對過程進行優化與改進，最終降低電能消耗。

ì       開放性和兼容性

²        基於標準協議的通訊網絡可非常方便地將第三方設備接入，如汙泥脫水機

、加氯加藥係統、bianpeidianxitong
，keyixianzhutigaozhenduifuzagongyiguochengdekongzhinengli
，qieyunxudaliangguochengfankuixinxichuanshu
，zhichishebeicanshufangwengongneng，ketigaoxitongdexingnengyuzhenduannengli。

²        支持與各種上位監控軟件（如iFIX
、INTOUCH
、組態王、MCGS、力控等），以及主流品牌觸摸屏（如Pro-Face、HITECH、eView

、Weinview、nTouch）通訊
，隻要HMI支持標準的通訊協議
，都可以很方便的進行連接。

²        強大的擴展功能可為遠期擴容、升級改造預留接口及容量。

ì       過程診斷和在線維護

²        提供的強大診斷功能

，能夠方便、高gao效xiao訪fang問wen相xiang關guan信xin息xi，發fa現xian導dao致zhi故gu障zhang的de根gen本ben原yuan因yin以yi及ji需xu要yao修xiu正zheng的de過guo程cheng參can數shu等deng，以yi便bian提ti前qian發fa現xian生sheng產chan過guo程cheng中zhong存cun在zai的de問wen題ti
，可ke以yi避bi免mian設she備bei意yi外wai停ting機ji，從cong而er降jiang低di運yun營ying成cheng本ben。

²        所(suo)有(you)模(mo)塊(kuai)支(zhi)持(chi)帶(dai)電(dian)插(cha)拔(ba)，可(ke)以(yi)在(zai)係(xi)統(tong)運(yun)行(xing)狀(zhuang)態(tai)下(xia)更(geng)換(huan)故(gu)障(zhang)模(mo)塊(kuai)
，不(bu)會(hui)因(yin)為(wei)單(dan)個(ge)模(mo)塊(kuai)的(de)更(geng)換(huan)而(er)使(shi)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)停(ting)機(ji)等(deng)待(dai)
，大(da)大(da)降(jiang)低(di)了(le)係(xi)統(tong)的(de)維(wei)護(hu)成(cheng)本(ben)。

²        防混銷設計防止插錯模塊引起不必要的損壞，確保係統順利運行
，且更換模塊時隻需直接更換模塊
，無需重新接線
，維護更方便。

²        支持SD卡功能
，在不方便使用計算機的情況下，可進行係統恢複
、升級，使維護更加方便

、快捷。

²        操作站安裝上位監控組態軟件及LK編程軟件PowerPro V4
，具有強大的功能，可方便、直觀地進行上位機組態和PLC編程
，且支持在線下載、在線修改以及離線仿真調試等功能。

6         結束語

本文論述了基於LK係列PLC的汙水處理廠自動控製係統的設計與實現，充分發揮了LK可編程控製器配置靈活、控製可靠、開放性強和在線維護方便等優點，為整個係統的安全穩定運行提供了可靠保障。基於LK的自動控製係統已在多個汙水處理廠得到實際應用，為企業帶來了可觀的經濟效益和良好的社會效益。

參考文獻

[ 1 ]               陶俊傑，《城市汙水處理技術及工程實例》[M]
，化學工業出版社
，2005

[ 2 ]               夏暢斌

，羅彬，尹奇德《汙水處理機械化與自動化》[M]，化學工業出版社，2008

[ 3 ]               胡壽鬆，《自動控製原理》[M]，科學出版社
，2009