污水處理廠SCADA系統反相序保護

2013-12-01 07:28:00王明軍

設備管理與維修 2013年2期

王明軍袁鵬

作者通聯：淮安同方水務有限公司江蘇淮安市延安東路1號 223002

E-mail：wangminjun118@163.com

在現代化污水處理廠SCADA（監督控制及數據獲取）系統中，操作人員在總控制室通過上位PC控制閘門、閥門、污水泵及粗/細格柵撈污機等污水處理工藝設備運行或停止。PH值、進水流量、進水COD及生物池中溶解氧含量等工藝流程上各種在線儀表數據實時傳送到總控制室上位PC，同時運行/停止、故障等工藝設備狀態，實時地反映在上位PC機上。一般只有在檢修或保養設備時，由維護人員現場手動操作設備。

一、問題的提出

漣水污水處理廠SCADA系統見圖1，其中PLC1、PLC2為帶有以太網模塊CP343-1的西門子S7 300系列PLC。PLC1負責預處理段（進水泵、粗/細格柵撈污機、旋流除砂機等）監督控制及該區域在線儀表數據采集；PLC2負責氧化溝推進器、回流/剩余污泥泵及曝氣鼓風機等設備監督控制及該區域在線儀表數據采集。上述所有工藝設備電控柜中均沒有反相序保護，建廠自動化控制系統集成時也未考慮工藝設備反相序保護問題。

2012年6月24日，污水處理廠主供電源停電，工作人員立即投運備用電源，總控制室值班人員觀察設備運行正常。2h后，值班人員發現氧化溝上20余臺水下推進器全部停運且故障報警，維護人員未發現故障原因，相關技術人員現場檢查確認是電源反相序。污水提升泵、水下推進器及曝氣鼓風機等大多數污水處理工藝設備不允許反轉，否則會造成設備機械損壞。據污水處理廠事故損失調查，20余臺推進器葉片全部脫落，葉片輪箍軸瓦、推進器電機軸頭磨損嚴重，推進器導桿及脫架與基礎連接脫開，部分推進器機封損壞，電機進水，直接維修成本6萬余元。由于同時運行的1#進水泵及3#曝氣鼓風機均由變頻器驅動，變頻器未設置反相序保護功能，雖然供電電源相序相反，但經過變頻器整流及逆變，變頻器輸出相序沒有反相，因此進水泵及曝氣鼓風機沒有損壞，故總控制室工作人員未及時發現異常。

圖1 漣水污水處理廠SCADA系統

事故發生后，將氧化溝污水全部排掉，修復設備，重新培養活性污泥，前后共用時一個月，該廠目前商業運營每噸污水0.8元，每日處理水量3萬t，共造成經濟損失78萬元。為此，恢復生產后考慮給不允許反向運行的設備增加反相序保護功能。

二、設備反相序保護

1.方案選擇

（1）在每臺設備電控柜加裝一個相序控制器，只有相序正常時才允許設備運行，反之，立即切斷設備。

（2）全廠只裝一只相序控制器，相序控制器信號接入就近PLC。在PLC站原梯形圖程序基礎上，編寫相序保護功能程序并加到原PLC主程序OB1中最后一個NETWORKS，一旦檢測到反相序信號，通過PLC程序立即封鎖設備的運行控制命令。對于其他PLC站所轄設備相序保護，首先利用PLC之間以太網通信，將相序檢測信號送到相應的PLC，再用同樣方法在本臺PLC做相應保護程序。同時在上位機畫面做一報警，一旦電源相序相反告知值班人員。

方案（1）的特點是無論現場手動控制還是調度人員在上位機通過PLC遠程控制設備，電源相序反都能切斷設備運行，相序控制器需求量多及敷設大量電纜，成本很高。考慮到污水處理廠工藝設備多數時間是調度人員在上位機通過PLC遠程手動或自動控制，因此選擇方案（2）。

2.電氣接線（圖 2）

選用具有逆相序、缺相等保護功能的無錫產臺灣ANLY相序控制器，將相序控制器直接接到低壓配電室母線，控制器輸出就近接入PLC2。應避免相序控制器與母線之間有一級或多級開關設備，否則若開關跳閘，則無法實現保護。調整相序控制器輸入檢測端接線，使正常相序時ANLY繼電器常開點閉合，將該常開點信號接入PLC2數字量輸入端口。此時試驗，一旦對調相序輸入端任意兩相或少接一、二相，該常開點即斷開。

圖2 反相序保護電氣接線

3.編程

（1）在S7300 PLC2中插入一個FC塊，在符號表中給該塊取名為 phase-protection，在該FC塊中編制梯形圖程序（圖3），其中ANLY繼電器常開點接入S7300 I20.0，Q0.0、Q0.1及Q0.2等是PLC2原梯形圖程序中控制設備運行的命令，即現場、遠程、運行及故障等設備輸入條件再結合工藝要求的邏輯輸出；在NETWORK2中，當 M0.0為 1時，將PLC2輸出的、不允許反相運行的設備命令用復位指令復位，即使設備停止運行。

（2）將該 FC塊加到 PLC2的OB1中且一定要放在OB1的最后一個 NETWORK 中（圖 4），否則有可能起不到應有的保護作用。這樣Q0.0、Q0.1及Q0.2等形成雙線圈輸出，既是原梯形圖程序的邏輯輸出，也是新加入的相序保護功能phase-protection的邏輯輸出。由于PLC程序是順序掃描，對Q0.0、Q0.1及Q0.2等的輸出總以最后一次為準，因此只有當相序反時會封鎖這些設備的運行控制命令；相序正常時，由于M0.0為0，新加的相序保護功能phaseprotection對 Q0.0、Q0.1及 Q0.2等不產生任何影響。

圖3 FC塊中的梯形圖程序

圖4 OB1中的梯形圖程序

對于PLC1所轄設備相序保護問題，首先要將PLC2中相序信號I20.0利用以太網傳送給PLC1，西門子S7300 PLC可選用基于以太網的S7連接或S5兼容連接進行以太網通信。當I20.0傳送給PLC1后，PLC1中按同樣原理編制相序保護梯形圖程序。