套子灣污水廠自控系統升級改造研究

摘要：對套子灣污水廠原有自控系統與其升級改造方案進行對比分析研究，闡述方案中關鍵技術要點·并就自控系統備件管理進行分析。

關鍵詞：污水處理；系統升級；備件管理

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3198(2010)11-0363-02

套子灣污水處理廠自1998年10月開始運行，隨著國家污水處理標準的提高于2007年準備進行二級處理擴建工程，該工程對治理城市水體，保護和改善市區及近海生態環境具有重要的意義。該工程是利用德國政府貸款的環境項目，擴建工程規模日二級處理16萬噸污水，加上原有二級處理4萬噸／日的處理規模，全部日處理污水為二級處理20萬噸／天。為了在這次升級改造過程中能夠徹底解決目前自控系統存在的問題，更好的服務于現場生產運行，現對套子灣污水處理廠自控系統結構做一分析，并對相關改造工作、備件的管理進行分析、研究。

1 套子灣污水廠原有自控系統分析及相關升級方案

煙臺市套子灣污水處理廠一期工程采用了二級分布式計算機控制管理系統，對污水處理廠的工藝過程進行分散控制，集中管理。一期工程設一座中央控制室、五座現場控制站(包括機械處理單元、排海單元、二級處理單元、污泥處理單元、深度處理單元)。相應的自控系統主要由中控室、現場五個處理區PLC控制站、現場具體設備的微處理器、現場儀表、現場各個設備的傳感器等幾部分組成。中控室屬中央監控管理級，現場五個PLC控制站屬現場PLC控制級，現場的微處理器屬就地控制級，而現場儀表、各設備傳感器負責現場區域內信號參數和狀態數據采集、監控。

我廠的整個控制網絡，總分為監控通信層網絡和控制層網絡，采取冗余性光纖環網，以確保信息準確安全的采集、傳輸。所有連接系統采用802.3標準的工業以太網系統，802.3定義了信息幀格式，信息采用曼徹斯特編碼；現場控制信號采取Profibus／DP／Devicenet／Modibus等通訊協議，以基帶方式傳輸，傳輸介質主要有10BASE5(粗纜)、10BASE2(細纜)、10BASE—T(雙絞線電纜)、10BASE—F(光纖)，我廠根據信息傳輸距離的要求在不同的區域使用。

2 套子灣污水廠自控系統升級方案

在本次煙臺市套子灣污水處理廠二級處理擴建工程中將在自動化設計方面包括兩方面任務，一方面為本次擴建16萬噸二級處理單元新建一套計算機控制管理系統，另一方面吸取一期工程的經驗，本著盡可能利用一期工程已有的設備前提，改造更換一期工程中使用的現在已較為落后和已損壞的自動化的軟硬件設備，改造完善一期工程的自動化系統。把兩套自動化系統融合為一體，新建上位計算機自動化管理系統和數據管理系統。

2.1 主體自控系統設計思路

中控室上層監測系統控制系統全部換掉，根據實際要求重新設置硬件、軟件系統，將局域網、監控系統重點納入。

現場除了已有的五個PLC工作站，由于我廠二期擴建。需要增加四個PLC工作站，我們可以把這九個PLC工作站納入一個整體來考慮。按統一配置全部更換軟、硬件，可以方便以后管理、維護。

現場設備微處理器也可以同二期工程一起來規范考慮全部更換、統一配置，采取統一軟件管理，方便以后管理、維護。

現場儀表、現場設備傳感器按工藝運行要求標準進行更換，達到要求。

總體來說，該系統的硬件升級組網由于有相應的模型要求標準，相對容易一些，由于相關硬件系統全部更換，原先的軟件系統已無法滿足要求，其難點主要在于根據工藝要求來對軟件進行要求設置；現場大部分原有設備不換，新的自控系統與原有的設備兼容問題。其目標要求是，在新的操作系統完成后，一期、二期工程溶為一體，一期原有設備能夠按工藝運行標準安全穩定運行。

2.2 具體自控實施方案

(1)中控室：所有設備構成局域以太網系統，采取TCP／IP協議現場接人方式：采取100M光纖以太網運行標準，現場PLC工作站單光纖同上部雙交換機接人、單環網冗余方式。由于現場電纜溝接人是固定線路的，在同一電纜溝到現場PLC站走雙光纖接人，一旦電纜溝出現問題，雙光纖可能同時出現問題，另外增加了上層網絡節點，所以沒有設雙光纖接人的必要。

(2)雙服務器：為了防止服務器故障，采取雙服務器系統，為了防止單服務器出現故障。服務器最后采取RIAD5矩陣硬盤系統，即一個運行硬盤同時向幾個硬盤備用做熱備冗余，其操作系統可采取WIN2003 Server版本，均有自身數據庫網絡管理系統、建網系統，而且還有相關的網絡模型模擬測試系統，并且大多數數據庫操作軟件易操作。開放性源代碼，便于修改管理。

(3)雙操作站：做好操作站監測軟件的制作，相應的PLC產品都有自帶的模擬運行組態軟件，建網時可相關的組態軟件庫選取模型，然后按九個PLC工作站重新設置，按實際工藝要求將相關儀表、現場設備傳感器的相關參數顯示在工藝操作流程上。

(4)工作師程站：可以用便攜式電腦通過串口對現場PLC工作站進行相關運行程序的輸入和更改。

(5)監控操作站：可將目前已有的監控信號通過局域網連接人操作站，并且可將二期擴建區域內新設點的監控納入局域網系統，連接入操作站，并根據連接點、控制要求，設置新的監控軟件。在將來，根據運行控制的需要，也可將泵站的監控信號接人。

(6)PLC工作站：相對獨立，采取802.3標準的工業以太網標準雙接點接人上網，雙交換機節點接入主要避免因現場交換機故障而影響整個區域的通信。

2.3 通訊控制分析

由通訊系統和運行服務器、監控計算機組成的中控室對全廠實施集中管理，由分布在現場的現場自動化控制器及現場儀表組成的檢測控制系統(分控站)對污水處理廠各個處理過程進行分散控制。各分控站與中央控制室之間由千兆工業以太網進行數據通信。現場控制站與現場測控儀表之間由標準4～20 mA信號連接。現場控制站根據污水處理廠所采用的工藝和構筑物的平面分布，設置在控制對象和信號源相對集中的建筑物中。

從污水處理自動控制系統的構成和分布來看，控制系統具有系統檢測點多、執行機構分散、連鎖性控制要求高等特點。為適應以上特點，將整個通訊系統劃分為2個層次，分為現場檢測層(現場控制網絡系統)和現場管理層(以太網層網絡系統)。同時可以通過以太網擴展接受上一級網絡(廠級管理網)的調度，實現PLC控制系統、污水廠管理系統的整體結合。

根據現場設備的分布情況，本方案在現場分區域設置9套可編程邏輯控制器PLC，采用超級冗余環的單環雙節點連接結構模式連接各站，這樣就將整個污水廠的控制系統構成一個有機的整體。本網絡方案特點：

(1)本方案的現場監控系統采用超級冗余環的單環雙節點連接結構模式，保證了控制系統的最大可靠性。當主干鏈路或節點發生故障的情況下，備份鏈路在500毫秒內啟用，不會對監控系統的正常工作造成影響。

(2)辦公樓和現場監控系統通過工業級百兆VPN企業防火墻隔離，從根本上保證了兩地的安全通訊。

(3)本系統中，網絡不僅用于控制數據的傳輸，同時也可作為視頻的傳輸平臺，實現了“雙網合一”既充分利用了以太網的高帶寬，又降低了維護網絡的費用。

(4)整個方案采用了管控一體化的網絡平臺，實現了管理網絡和控制網絡的無縫連接，使管理層可以直接訪問控制層的適時數據和視頻監控。實現了企業的信息化管理。

工廠網絡系統采用客戶／服務器模式，總線拓撲網絡結構，光纖網，客戶／月艮務器(Client／Server)模式的分布式實時關系數據庫，自適應10／1000Mbps傳輸速率，全雙工通信，網絡連接設備采用交換機或集線器，網絡傳輸介質有光纜、雙絞線，主網絡系統布線、子網絡系統布線統一考慮、綜合利用，配置網絡操作系統及相關應用軟件。3二期升級改造工作中。自控系統維護管理方案的選擇

自控設備的管理在我國目前許多方面都存在空白，在套子灣新建自控系統，通過恰當的措施對其維護方法的改善，可以最大限度的提高自控產品的運行性能，增強單位設備效能，增加企業的經濟效益。

總的來說，維護方案主要包括：預防型、響應型兩種，企業根據自身的實際情況不同，采取不同的維護方案，找出自控安全穩定運行性與費用投入的最佳結合點。

我們在具體應用上可以采用與廠家聯合實行全過程預防性維護方案的形式，下面結合本廠的實際情況，就全過程預防性維護方案基本操作程序作如下分析。

全過程預防性維護方案通常包括三個主要步驟：對使用單位自控系統現場狀況綜合分析一制定完備的即時備件庫存管理方案一全方位的維護服務。

(1)與廠家一起對自控系統現場運行狀況分析，主要包括：所有自控設備系統詳細列表；同類系統的一般工作壽命周期；基本的通常庫存情況分析；潛在的設備故障可能造成的生產損失分析；現場工作環境對自控系統運行的具體影響分析；同類產品發生故障的歷史記錄；年度維護費用概算及費用增減情況分析等，通過上述各項要素的分析，對目前系統狀況作一基本了解，并可以通過相關關鍵參數計算出目前系統的危險指數，作為一步工作的基礎。

(2)即時備件庫存管理方案是由目前流行提出的新型管理方案，是指生產廠家在一定區域內或客戶廠區范圍內建立專用的備件存儲區，廠家對該備件存儲區擁有所有權，客戶支付固定的服務費用，一旦發生故障，客戶即時提用備件，然后再支付備件費用，廠家隨時補充，再根據客戶使用情況每年重新更換補充備件的管理方式。

即時備件庫存管理方案除了在費用略有節約外，它還包括其它優勢：由于每年更新備件，保證了所用備件的先進性，最大可能減少因自控系統更新而造成的備件無法再使用而造成的損失；由于廠家是從備件劃出使用時計算備件的保修期，不像以前備件的保修期是從購買時計算，延長了設備的保修期，廠家在安裝時必須親臨指導，減少了備件被淘汰所造成的損失。

(3)全方位的維護服務是指所用產品的廠家技術人員通過全方位跟蹤維修部件使用情況；定期與客戶技術人員進行溝通，持續了解新的情況的發生；向客戶提供必要的技術支持和軟件支持等手段，讓使用產品的客戶生產效率更高，以達到降低費用的目的。

套子灣二期擴建項目的白控系統自2009年改造完畢運行至今，徹底解決了原有自控系統的問題，改善了生態環境，為煙臺市經濟發展和對外開放締造了優良的外部環境。我們將不斷提高自控系統管理水平，加強管理，安全生產運行，更好地為煙臺市的城市建設和人民生活服務。