FF總線技術在藥企污水處理過程控制中的應用

洪景學

摘要：目前藥企污水處理過程大都采用計算機控制系統，但污水處理場區域面積大，設備及儀表分散，與控制室距離較遠，為降低施工成本，縮短施工時間，提出一種采用DCS系統與FF總線技術結合的系統架構。通過對FF總線的硬件結構及控制功能的闡述，介紹了其在污水處理過程中的實際應用情況，并說明了FF網段的安裝和調試過程。實際應用表明，DCS系統與FF總線技術相結合為大型污水處理廠提供了經濟可靠的系統架構實例。

關鍵詞：控制系統 污水處理 DCS系統 FF總線

中圖分類號：TH89 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）05-0000-00

藥企由于工藝要求，生產過程產生的污水量大，污水處理的各種池的容積較大，因此污水處理場所占地較廣。國家環保部門對藥企污水的排放有嚴格的標準管理，藥企的污水處理彰顯尤為重要。隨著近幾年計算機技術的發展，工業控制系統DCS、儀器儀表的價格下降幅度很大，計算機控制系統在大多藥企的污水處理過程得到了應用。但常規DCS控制系統架構與現場儀表是通過I/O總線方式檢測或傳輸電流信號，每塊儀表都要連接信號線。這給施工中帶來繁雜的鋪線、架線、檢測線工作，因此需要既能縮短施工時間，又能降低施工費及安裝材料量的控制系統架構。合理組織控制系統架構，滿足上述問題，是藥企污水處理過程中必須解決的計算機控制技術問題。

隨著FF總線技術在石油、化工、醫藥等領域的應用[1-5]，相當部分的FF儀表已國產化，國產DCS控制系統也已具有FF功能，為藥企污水處理過程的計算機控制系統的應用帶來了性價比更高的系統架構[6-7]。浙江湖州一家生物制藥和合成制藥的藥企2012年改造8000+4000噸/天污水處理中心，配套的計算機控制系統是中控ECS700系統，并應用了FF技術。其計算機控制系統的基層通訊架構是I/O和FF總線，很好的解決了控制設備遠且稀疏的問題。

1項目簡介

1.1項目介紹

某藥企現建有集中污水處理1座，包括4000 m3/d廢水生物預處理系統和8000 m3/d廢水生物處理系統。采用物化、水解酸化和好氧生物工藝進行處理。由于企業現旗下的分公司廢水COD和氨氮負荷高，加大了集中污水處理工程的負荷，影響工程的穩定運行，給廢水外排達標帶來較大難度。

針對分公司排放廢水高COD、高氨氮的特征，擬先進行厭氧預處理去除其中的大量有機物，然后進行脫氮。鑒于原有集中污水處理工程厭氧酸化負荷低的現狀，現確定采用UASB為核心的厭氧預處理系統，包括廢水調節池、UASB塔、出水沉降罐、沼氣脫硫系統，沼氣利用系統等。同時將已有的污水處理控制系統進行改造，滿足污水處理過程的控制要求。

1.2控制系統工程要求

（1）4000T/D、8000T/D是已運行的污水處理系統，這次內容是將各控制測量點接入DCS系統，并將轉動設備啟停控制并入到控制系統中，要求轉動設備有就地和DCS系統兩地控制啟停功能。

（2）厭氧工程是這次改造新增工程，流程圖上的遠傳儀表，接入DCS系統，并根據現場設備布置，采用FF技術，降低施工費用，減少安裝材料，縮短工程時間。

（3）控制室設置三臺操作站，一臺兼工程師站，打印機一臺。

1.3工藝簡要介紹

生產廢水中含有苯酚等難降解物質，為提高廢水B/C比，節約原料消耗，目前企業采用萃取方法回收廢水中的苯酚，萃取后的污水和其它高濃度的生產廢水混合后進入高濃度廢水預處理工程調節池，池內設穿孔管預曝氣，起到快速均質作用。調節后的廢水進入氣浮槽去除SS和部分COD，再進入兼氧池，通過池中兼氧菌的分解，使污水中的大分子難降解有機物降解為小分子易生化物質，提高廢水的B/C比。經兼氧沉淀后出水進入HCR池中進行好氧處理，去除污水中大部分有機物和氨氮，HCR池出水進入中間水池后，再泵入臭氧氧化塔氧化，進入過濾池進行曝氣、加粉末活性炭去除剩余臭氧后，出水進入分廠污水處理站調節池，與企業其它污水（包括公用工程廢水、地面沖洗水、稀污水等）、生產廢水、生活污水充分混合集中處理。混合廢水首先進入水解池，在兼氧菌的作用下，使污水中的大分子難降解有機物降解為小分子易生化物質，然后進入LD-PACT池，通過定期往曝氣池內投加粉末活性炭，強化對污水中有毒有害物質的去除效果，同時該處理單元設置缺氧區，通過系統污泥內回流，提高該系統的脫氮效率，經好氧處理后的出水進入接觸氧化池，進一步去除殘留COD和氨氮。

8000T/D工藝流程如下：

調節池→水解池→LD-PACT池→二沉池→接觸氧化池→終沉池→化學氧化池→出水達標排放

4000T/D工藝流程如下：

調節池→氣浮池→兼氧池→沉淀池→HCR池→中間池→化學氧化池→過度池→排水

2項目控制系統架構

由于8000噸、4000噸老系統的儀表設備不是FF儀表，采用I/O總線，新增厭氧項目采用FF儀表及FF技術。HCR池PLC控制系統通過光纖接入交換機，監控系統及現場設備的運行數據。系統構架如圖1。

3總線技術

現場總線又稱現場控制網絡，它屬于一種特殊類型的計算機網絡，是用于完成自動化任務的網絡系統。從現場控制網絡節點的設備類型、傳輸信息的種類、網絡所執行的任務、網絡所處的工作環境等方面。IEC（國際電工委員會）定義：一種應用于生產現場，在現場設備之間、現場設備與控制裝置之間進行雙向、串行、多節點、數字式的數據交換的通信技術。

基金會現場總線（FOUNDATION fieldbus）是上世紀九十年代發展起來的新型自動化控制技術，目前，正以迅猛的勢頭快速發展。現場總線控制系統之所以受到國內外自動化設備制造商和用戶越來越強烈的關注。其根源在于它是在前人自動化控制技術基礎之上，吸收了DCS及PLC控制系統的優勢，提出的全數字的控制系統。

3.1 FF總線特點

基金會現場總線控制系統的特點：（1）系統是全數字化的、智能的，通信是自上而下和自下而上的雙向通信，系統完全透明，網絡管理和系統提升隨時可以進行。（2）系統可以是非本安、但也可以是本安的，應用場合廣泛。（3）網絡通信和供電用同一根電纜連接，可以大量節約電纜、敷設裝置等設備。（4）系統是互聯的、開放的，網絡規模變更更加方便。（5）控制功能可下裝在現場設備（控制在現場CIF），完善的鏈路調度功能、冗余功能確保了系統具有極大的可靠性。（6）系統是全數字的，系統為采用先進的管理如安全功能儀表、設備故障診斷、系統瞻前維護等提供了施展平臺。

3.2 FF總線技術優點

FF現場總線控制技術的優點已被實踐所證明，其主要的優點是：（1）縮短施工時間，降低施工費，節省安裝材料量。（2）FF現場總線使得預防性維護成為可能，在FF現場設備真正出故障之前可以發出維護請求信息，并提醒儀表維護人員進行維護。在FF現場設備真正出故障之后可以發出故障的詳細診斷信息，來自FF現場設備的豐富的信息可以有限地縮短查找故障的時間、大大減少儀表維護人員到現場設備所在地進行一些不必要的測試和檢修，十分顯著的減少儀表維護人員的維護工作量、 從而降低了裝置的維修費用。（3）現場總線采用全數字通信技術，全數字信號傳輸時不易受外界干擾，有利提高系統的可靠性。

3.3 FF總線控制系統在制藥行業應用前景

基金會現場總線除了適用于石油與天然氣、煉油、石化和“早期介入的行業”外，ARC明確了其在混合工業及食品飲料和制藥行業的一個有效的價值主張，特別是當它開始使確認和法規符合性的過程以及批處理分程序運行與連續過程實現集成輕松自如時，基金會技術的功能塊結構非常適宜于這些過程。在生物制藥行業采用現場總線可實現真正的分層、分布式系統結構，這種結構極大的提高了整個系統的可靠性，靈活性和可擴展性，符合生物制藥自動化的發展趨勢。

基金會現場總線技術在生物制藥行業中有非常廣闊的應用前景，特別是在當今新建項目中能在可靠性、高精度、經濟性等諸多方面獲得最大的效益。同時現場總線系統與IT網絡實現資源共享，無縫鏈接，大大提高了該企業的信息化水平和管理水平。相信通過國內外現場總線廠家和設計研究部門的共同努力，基于現場總線的控制系統必將分系統、分階段地逐步取代現有的分散式控制系統[8-10]，在未來定將成為我國制藥行業自動化的主導技術。

在國內，近五年來，從上海賽科、南海殼牌煉油、天津乙烯到2009年投運的福煉一體化，FF已經逐步發揮了技術上的優勢，也被越來越多的用戶認可，尤其是在中石化、中海油、中石油三大能源企業。但這些應用基本上全部引進進口FF儀表、控制系統、通訊配件等，國內產品幾乎沒有應用，因此必須盡快改變這種現狀，加快基金會現場總線系統國產化進程。

4 中控ECS700系統

本方案中采用ECS-700系統是浙江中控技術股份有限公司WebField控制系統，是基于國際標準和行業規范進行了設計和研制。保證了系統的可用性、可靠性和開放性。系統所有部件都支持冗余，具有故障安全功能，輸出模塊在網絡故障情況下，進入預設的安全狀態，保證人員、工藝系統和設備的安全。

4.1中控ECS700系統特點

基于WebFieldTM ECS-700的基金會現場總線系統，符合現場總線基金會主機系統的61b標準，可以滿足基金會現場總線項目應用需求，該系統在ECS-700基礎之上增加了基金會現場總線的H1網段組態接口、控制功能塊、控制策略組態接口、控制策略下放現場設備功能、系統報警和事件、系統診斷以及SAMS備管理等系統功能，形成基金會現場總線一體化的系統解決方案，實現了真正的過程工業總線控制系統FCS，幫助用戶數字化管理工廠。

4.2 FF總線控制系統具體配置（圖2）

4.3 FF總線功能的組態

4.3.1 軟件組態

FF組態軟件VFFFBuilder是完成總線系統硬件設備組態的圖形化界面，該軟件大量采用Windows的標準控件。FF組態可完成對控制器下連接所有硬件進行組態，包括H1接口模塊（AM712-S），網段、網段上連接的設備，完整并最新的設備描述庫（DD）。

（1）H1接口模塊組態。在硬件配置界面中，添加H1接口模塊，并設置H1模塊屬性。

（2）進入VFFFBuilder組態。在AM712-S模塊下的兩個網段配置中，添加包括設備廠家、地址、設備類型及版本號等配置，同時完成網段信息配置，如網段使能、宏周期等。

（3）設備上線。設備接入系統后，系統自動掃描網段上設備。系統自動對上線設備屬性進行解析（前提是系統已具備該設備DD文件，如無DD需導入相應版本的設備DD文件），上線設備默認為就緒狀態（Standby）或備用狀態（Sqare）。

（4）設備匹配。在硬件組態中拖曳或右鍵匹配設備，選擇讀取或下寫設備參數，匹配后的設備在線組態或修改參數。右鍵同時可以解除設備匹配，解除匹配后，用戶可以重新選擇設備匹配。

（5）網段調度組態。硬件組態中可以對網段的紅周期調度進行配置，包括宏周期及子宏周期。

（6）設備遠程組態和在線診斷。VFFFBuilder 硬件組態軟件中提供了設備遠程組態的接口，通過該接口，用戶可以直接對設備的參數進行在線瀏覽或修改。對于EDDL描述的設備，系統可以直接對設備進行METHOD操作組態，對溫度、壓力、流量等測量輸入的零點校準和傳感器的設置組態。同時可以再線對連接的設備進行直接診斷，診斷信息包含了現場總線設備報警及塊報警信息。

4.3.2 監控、報警、診斷組態

ECS-700的實時監控軟件與現場所有H1網段及設備進行實時訪問及監督、監控現場總線設備的通訊情況，處理系統獲取的數據，并就現場運行情況及時有效控制。

（1）實時監控軟件。監控軟件為所有現場總線功能塊提供系統封裝的FF操作面板及詳細面板，除了常規的操作功能外，還提供了所有數據的質量嗎先生和功能塊的診斷信息，可定位準確的回路錯誤或問題根源。

（2）FF報警及事件軟件。軟件報警分為過程報警、塊報警和設備報警，對過程報警提供實時報警顯示和歷史報警記錄，對塊報警和設備報警僅提供歷史報警記錄并存儲在數據庫中。

（3）系統狀態診斷軟件。AM712診斷包含類型、硬件版本、冗余和狀態，以及其下網段和設備（只包含經過FF組態軟件組態過的設備）狀態的顯示。點對點的通訊（在AM712、網段和FF設備界面時）5秒鐘刷新一次診斷信息。網段診斷包含網段狀態、其下設備數量和通訊統計等。設備診斷包含設備基本信息（廠商、型號和版本）、位號、ID號、地址和狀態等信息。

4.4 FF總線功能的實現

FF網段的安裝和調試基本上需要三個步驟來完成并使其工作。接下來的圖表展示的就是這三個主要步驟；

開始→FF 網段安裝→FF 網段安裝及線路確認→FF 網段調試及操作確認→結束

4.4.1 FF設備的安裝

FF網段安裝由許多安裝工作組成，實際上包括部分DCS到FF儀表的部分。本文的重點是FF電纜、FF接線箱及FF儀表接線的安裝。對于傳統儀表和FF儀表的機械安裝基本都是相同的。FF系統的屏蔽接地對于FF的通訊性能異常重要，通常使用系統屏蔽單點接地的方式。

（1） FF儀表安裝：FF儀表的安裝/連接與傳統儀表相似。

1）儀表接地：通過在FF儀表上安裝接地線/條的方式來確保儀表外殼的可靠接地。

2）儀表調試標簽：每個FF儀表都有一張調試標簽。儀表安裝好之后，調試標簽必須一直掛在FF儀表上。

（2）DCS機柜中的FF主干線的端接：在DCS機柜的現場接線側，通過網段浪涌保護器接入系統，在進入機柜之前，對于使用鎧裝的FF電纜，其鎧裝層需被加緊在金屬框架/條棒上。

（3）FF電纜在FF接線箱內的端接：在FF接線箱內部，所有電纜葛蘭都被連接到了金屬板上接地連接。

（4）FF分支電纜在FF儀表內的端接：FF分支電纜安裝在FF現場接線箱和FF儀表之間。

4.4.2 FF網段線路驗證

執行線路驗證程序以確認FF網段電纜上的線纜電阻和絕緣正確。測定電阻是為了確認在網段上沒有短路存在，測定電容是為了驗證FF網段滿足了基金會現場總線規范（IEC 61158-2）的要求。網段線路驗證在外觀檢查結束后進行。

（1）電纜電阻測試。電纜電阻測定在DCS接線柜側進行，斷開兩個端子塊將網段電纜與浪涌保護器斷開。

信號線正負斷的測量應當在50KΩ～20MΩ，信號正與屏蔽、接地，信號負與屏蔽、接地，屏蔽與接地測量電阻阻值>20MΩ。

（2）電纜電容測定。在接線柜里，斷開端子塊連接器，測量H1網段線路的電容。信號（+）到信號（—）開路，電容值為1microF；其他測量均應開路，電容值<300nF。

4.4.3 FF網段調試及運行

安裝及線路驗證結束后，FF網段及FF設備已經具備了設備調試條件。網段的調試，FF設備必須全部掛接并且網段已供電。在調試階段，FF設備將被置于運行狀態。

（1） 網段上電程序：FF網段調試第一步是掛接全部FF設備，網段上電。如果所有的FF設備都已經通訊上了（顯示為未調試設備），則可執行下一步驟。

（2）網段通訊驗證：一旦FF設備顯示為未調試設備，FF的H1接口模塊與FF儀表的通訊就被建立了，可以被檢驗了如表1所示。

（3）FF網段及設備通訊統計的驗證。FF網段和設備從DCS組態數據庫下載后，使用DCS的診斷工具監視網段的全部通訊。通訊統計被測量并且存儲在H1接口模塊的存儲器中。VF的系統診斷程序可以讀取并將診斷參數顯示在DCS工作站的屏幕上。網段投用后，這些診斷參數要至少被檢查兩次。

5項目運行情況

4000T/D、8000T/D污水處理自動造化改工程自2012年5月投運使用，目前系統整體運行穩定，測量準確控制可靠。在中控室調用現場儀表運行狀態數據，修改儀表量程等，極大方便了維護工作。使用單位對系統的可靠性、實用性給予了充分肯定。在整個改造項目實施中，FF總線系統與常規I/O總線相結合的架構，對于節省安裝材料、縮短施工和調試時間起到了至關重要的作用，其技術的優越性在實踐得到了驗證。

參考文獻

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