城市污水處理自控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

摘 要:通過對LIER-POOLK工藝深入研究，針對其自動化程度要求高的特點(diǎn)，在自控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)中根據(jù)污水處理工藝流程，綜合運(yùn)用自動化技術(shù)#65380;計(jì)算機(jī)技術(shù)#65380;網(wǎng)絡(luò)技術(shù)#65380;數(shù)據(jù)庫技術(shù)#65380;管控一體的設(shè)計(jì)思路，開發(fā)“基于LIER-POOLK工藝的城市污水處理自控系統(tǒng)”#65377;

關(guān)鍵詞:城市污水處理;自控系統(tǒng);方案

1 城市污水處理自控系統(tǒng)總體方案概述

(1)在污水處理過程中要求整個系統(tǒng)必須安全#65380;可靠運(yùn)行，在工藝設(shè)備#65380;儀表#65380;電氣自控系統(tǒng)#65380;計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)#65380;電視監(jiān)控系統(tǒng)的選型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)#65380;軟件設(shè)計(jì)等方面，系統(tǒng)的可靠性是設(shè)計(jì)考慮的第一原則，作為控制系統(tǒng)核心設(shè)備的PLC，選用德國西門子公司的S7-300系列產(chǎn)品及其相應(yīng)的開發(fā)軟件#65377;

(2)污水處理處理廠的自控系統(tǒng)采用PC+PLC分級分布式控制形式，以集中監(jiān)測為主，分散控制為輔，在中控室運(yùn)行監(jiān)控計(jì)算機(jī)上可對全廠的各工序進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，生產(chǎn)的工藝過程自動控制采用就地單獨(dú)控制的原則進(jìn)行，并在污水處理過程關(guān)鍵工序配置西門子MP 270B觸摸面板(人機(jī)界面HMI )作為現(xiàn)場工程師操作站#65377;

(3)為保證污水處理廠的安全運(yùn)行，自控系統(tǒng)設(shè)立三級控制層:就地手動控制#65380;現(xiàn)場控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控#65377;就地手動控制是指通過設(shè)備本地控制箱手動控制設(shè)備的開啟或關(guān)閉;現(xiàn)場控制是指由現(xiàn)場各分控站PLC執(zhí)行自己的控制程序，完成控制功能;遠(yuǎn)程監(jiān)控是指由中控室通過工業(yè)以太網(wǎng)高速冗余光纖環(huán)網(wǎng)對全廠的生產(chǎn)過程進(jìn)行控制#65380;監(jiān)測和記錄，對工藝現(xiàn)場設(shè)備對象實(shí)現(xiàn)狀態(tài)遷移管理#65377;三級控制層的關(guān)系如下:中控室上位機(jī)可通過各現(xiàn)場的PLC子站直接控制有關(guān)設(shè)備和主要設(shè)備，如果中控室或網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，不會影響各PLC分站的控制功能，如果PLC網(wǎng)絡(luò)中某個PLC子站發(fā)生故障，操作員可通過就地控制箱對設(shè)備進(jìn)行控制#65377;

(4)設(shè)備發(fā)生異常#65380;故障或報警時，系統(tǒng)可自動切除相關(guān)故障設(shè)備或切換到現(xiàn)場手動操作方式，同時記錄事故內(nèi)容，并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行事故追憶#65377;

(5)上位計(jì)算機(jī)綜合應(yīng)用程序開發(fā)選用德國西門子公司的WINCC 5.1組態(tài)軟件，以監(jiān)控工藝運(yùn)行的圖形界面#65380;控制網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行參數(shù)和指令的通信#65380;運(yùn)行和歸檔數(shù)據(jù)庫開發(fā)為重點(diǎn)#65377;

(6)一體化生物反應(yīng)器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)生產(chǎn)工藝的具體要求，監(jiān)控一體化生物反應(yīng)器各個工藝設(shè)備的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)處理過程的時間及空間控制，形成好氧#65380;厭氧或缺氧條件，以完成具體工藝處理目標(biāo)#65377;

(7)為了對生產(chǎn)現(xiàn)場和重要設(shè)備實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)視，在鼓風(fēng)機(jī)房#65380;一體化生物反應(yīng)器#65380;污泥脫水機(jī)房#65380;廠區(qū)環(huán)境等重要部位安裝攝像機(jī)，構(gòu)成遠(yuǎn)程電視監(jiān)視系統(tǒng)，在中控室可全廠重要設(shè)備進(jìn)行全天24小時監(jiān)視#65377;

2 城市污水處理自控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本工程項(xiàng)目二期工程中控室和各工段的地理位置分布示意圖如圖1所示#65377;中控室的建筑物使用一期工程己建設(shè)好的設(shè)施，與一期工程的中央監(jiān)控設(shè)備共用一個監(jiān)控大廳#65377;

工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE 802.3 (Interment)的強(qiáng)大的區(qū)域和單元網(wǎng)絡(luò)#65377;作為西門子T.I.A(全集成自動化構(gòu)架)重要組成部分，SIMATIC NET基于經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證的技術(shù)，用于嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境，包括有高強(qiáng)度電磁千擾的區(qū)域#65377;

3 SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)組件

典型的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，有以下三類網(wǎng)絡(luò)器件:

(1)網(wǎng)絡(luò)部件#65377;

包括:連接部件#65380; FC快速連接插座#65380; ELS(工業(yè)以太網(wǎng)電氣交換機(jī))#65380;ESM(工業(yè)以太網(wǎng)電氣交換機(jī))#65380;SM(工業(yè)以太網(wǎng)光纖交換柳#65380;MC TPll(工業(yè)以太網(wǎng)光纖電氣轉(zhuǎn)換模塊)#65377;

(2)通信介質(zhì):普通雙絞線，工業(yè)屏蔽雙絞線和光纖#65377;

SIMATIC PLC控制器上的工業(yè)以太網(wǎng)通訊外理器#65377;用于將SIMATIC PLC連接到工業(yè)以太網(wǎng)#65377;

(3)PG/PC上的工業(yè)以太網(wǎng)通訊外理器，用于將PG/PC連接到工業(yè)以太網(wǎng)#65377;

利用工業(yè)以太網(wǎng)，SIMATIC NET提供了一個無縫集成到全業(yè)務(wù)功能(管控一體化及綜合信息處理)的途徑#65377;

4 工藝過程控制PLC控制站組成

(1)組成#65377;

S7-300系列產(chǎn)品是模塊化中小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用#65377;大范圍的各種功能模塊可以非常好地滿足和適應(yīng)自動控制任務(wù)，由于簡單實(shí)用的分散式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力，使得應(yīng)用十分靈活，方便用戶和簡易的無風(fēng)扇設(shè)計(jì)，當(dāng)控制任務(wù)增加時，可自由擴(kuò)展，由于大范圍的集成功能使得它功能非常強(qiáng)勁#65377;

如果用戶的自控系統(tǒng)任務(wù)需要多于8個信號模塊或通訊處理器模塊時，則可以擴(kuò)展s7-300機(jī)架((CPU314以上):(1)在4個機(jī)架上最多可安裝32個模塊:最多3個擴(kuò)展機(jī)架(ER)可以接到中央機(jī)架(CR)上，每個機(jī)架(CR/ER)可以插入8個模塊#65377;(2)通過接口模塊連接:a.每個機(jī)架上(CR/ER)都有它自己的接口模塊#65377;它總是插在CPU旁邊的槽內(nèi)，負(fù)責(zé)與其他擴(kuò)展機(jī)架自動地進(jìn)行通訊;b.通過IM365擴(kuò)展，可擴(kuò)展1個機(jī)架，最長1米，電源也是由此擴(kuò)展提供#65377;C.通過IM360/361擴(kuò)展，可擴(kuò)展3個機(jī)架，中央機(jī)架(cR)擴(kuò)展機(jī)架但擴(kuò)展機(jī)架之間的距離最大為10米#65377;(3)獨(dú)立安裝海個機(jī)架可以距離其他機(jī)架很遠(yuǎn)進(jìn)行安裝，兩個機(jī)架間(主機(jī)架與擴(kuò)展機(jī)架，擴(kuò)展機(jī)架與擴(kuò)展機(jī)架)的距離最長為10米#65377;(4)靈活布置:機(jī)架(CR/ER)可以根據(jù)最佳布局需要，水平或垂直安裝#65377;

(2)診斷#65377;

通過診斷可以確定模板所獲取的信號(如數(shù)字量模板)或模擬量處理(例如模擬量模板)是否正確#65377;在診斷評估中，可參數(shù)化的診斷信息與不可參數(shù)化的診斷信息有區(qū)別#65377;①可參數(shù)化的診斷信息:通過相應(yīng)的參數(shù)始能診斷信息的發(fā)送;②不可參數(shù)化的診斷信息:不管是否參數(shù)化均可發(fā)送診斷信息#65377;

如果發(fā)送診斷信息(如無編碼器電源)，則模板執(zhí)行一個診斷中斷#65377;此時CPU中斷執(zhí)行用戶程序，或中斷執(zhí)行低優(yōu)先級的中斷，來處理相應(yīng)的診斷中斷功能塊(OB82) #65377;

5 PLC運(yùn)行程序設(shè)計(jì)

PLC自動工序工藝運(yùn)行程序有四大主要功能模塊，即:時鐘模塊#65380;運(yùn)行參數(shù)更新#65380;綜合故障判定和自動工序模塊#65377;

(1)變量設(shè)計(jì)#65377;

我們的變量設(shè)計(jì)盡量遵循節(jié)省的原則#65377;

建立時間計(jì)數(shù)變量Tcount

32個工序采用統(tǒng)一的時間計(jì)數(shù)，每個工序分配一個運(yùn)行時間變量Tn (n=1，2，……32)#65377;PLC自動工序工藝運(yùn)行程序根據(jù)運(yùn)行時間變量來確定每個工序步驟運(yùn)行的時間#65377;

為27臺(套)工藝設(shè)備的每一臺(套)分配一個32位的運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志，分別對應(yīng)于32個工序步驟#65377;PLC自動工序工藝運(yùn)行程序根據(jù)每一臺(套)工藝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志和設(shè)備運(yùn)行互鎖(故障和手動控制)確定該設(shè)備是否運(yùn)行#65377;

為27臺(套)工藝設(shè)備的每一臺(套)建立一個故障狀態(tài)標(biāo)志位(綜合故障)和控制狀態(tài)標(biāo)志位(手動/自動)#65377;

建立工藝運(yùn)行參數(shù)二維表，包含32個工序的運(yùn)行時間參數(shù)和27臺(套)工藝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志參數(shù)#65377;

建立工藝運(yùn)行參數(shù)變更標(biāo)志位，如果工藝運(yùn)行參數(shù)發(fā)生改變并經(jīng)過運(yùn)行監(jiān)控上位計(jì)算機(jī)上授權(quán)確認(rèn)，程序?qū)⒏鶕?jù)工藝運(yùn)行參數(shù)二維表刷新32個工序的運(yùn)行時間變量和27臺(套)工藝設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志#65377;

建立工藝運(yùn)行當(dāng)前狀態(tài)變量，包括當(dāng)前工序步驟，當(dāng)前工序運(yùn)行剩余時間#65377;

(2)自動工序程序設(shè)計(jì)#65377;

時鐘模塊用一個計(jì)時器，對時間的增長自動計(jì)數(shù)，其值存放在變量Tcount中，供自動工序模塊使用#65377;

如果工藝運(yùn)行參數(shù)發(fā)生改變并經(jīng)過運(yùn)行監(jiān)控上位計(jì)算機(jī)上授權(quán)確認(rèn)，工藝運(yùn)行參數(shù)變更標(biāo)志位設(shè)置為1，程序?qū)⒏鶕?jù)工藝運(yùn)行參數(shù)二維表刷新32個工序的運(yùn)行時間變量和27臺(套)工藝設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志，并將工藝運(yùn)行參數(shù)變更標(biāo)志位復(fù)位為0#65377;

綜合故障判定模塊綜合工藝設(shè)備的各種故障(比如泄露#65380;短路#65380;斷路等)和報警(比如過熱#65380;過力矩等)，確定設(shè)備是否可以正常投入工藝運(yùn)行，設(shè)置故障狀態(tài)標(biāo)志位為0/1#65377;

自動工序模塊實(shí)時更新工藝運(yùn)行當(dāng)前狀態(tài)，包括當(dāng)前工序步驟，當(dāng)前工序運(yùn)行剩余時間#65377;當(dāng)前工序運(yùn)行剩余時間為0，就切換到下一個工序步驟，重新設(shè)置當(dāng)前工序步驟和運(yùn)行剩余時間，并根據(jù)設(shè)備故障狀態(tài)標(biāo)志位(0/1 )#65380;控制狀態(tài)標(biāo)志位(自動/手動)和運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志(1/0)，啟動或停止相應(yīng)的工藝設(shè)備#65377;

6 結(jié)果

LIER-POOLK法城市生活污水處理5000噸/日中試裝置全部建成并投入運(yùn)行以來，具體出水效果(各項(xiàng)指標(biāo)去除率)為:BODS 85-98%， CODCr 85-95%.，SS80-90%， TN 50-70%， TP 80-97%，完全達(dá)到了GB8978-1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級標(biāo)準(zhǔn);經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為:單位投資1000元/噸水#65380;占地面積0.40平方腳噸水#65380;直接運(yùn)行費(fèi)用0.25元/噸水#65380;職工人數(shù)8人/萬噸水#65377;自工程正式投產(chǎn)運(yùn)行以來的情況表明，自控系統(tǒng)運(yùn)行可靠，自動化程度高，控制軟件設(shè)計(jì)先進(jìn)，完全滿足工藝運(yùn)行和日常管理的要求#65377;

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