福州洋里污水處理自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展

福州洋里污水處理有限公司 林 宇

1 項目簡介

（1）企業(yè)簡介

福州市洋里污水處理有限公司是福州市目前最大的城市污水處理廠，其遠期規(guī)劃工程規(guī)模為日處理污水60萬噸。一期工程處理能力為20萬噸/日，采用A-C工藝，自動化控制系統(tǒng)采用西門子S7-400控制器加本地擴展的方式。二期工程處理為10萬噸/日，采用AAO處理工藝，自動化系統(tǒng)同樣采用S7-400控制器，使用了遠程擴展的方式。

（2）城市污水處理工藝介紹

一期工程進水以分流制城市污水為主，并混有部分合流制污水和工業(yè)廢水，工程推薦采用Carrou2sel氧化溝工藝，考慮一期改造后出水標準的提高，與二期共用部分構(gòu)筑物，工藝流程，如圖1所示。為了滿足出水新標準， 二期工程采用多模式AAO工藝，如圖2所示 ，通過對生物反應(yīng)池進水點和混合液回流點的合理設(shè)置，該工藝對水質(zhì)水量變化及沖擊負荷適應(yīng)性強、處理效果穩(wěn)定可靠、運行模式靈活，可以實現(xiàn)不同運行工況，充分發(fā)揮各種處理工藝的特點，對污水進行有針對性的處理。

圖1 一期工程工藝流程

圖2 二期工程工藝流程

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

（1）一期工程自動化控制系統(tǒng)

一期自動化控制系統(tǒng)采用西門子S7-400系列控制器和本地擴展方式，如圖3所示。

圖3 一期自動化控制系統(tǒng)

本地擴展模式，即采用S7-400系列高性能CPU 412-2DP（CPU型號），處理中央18槽機架的S7-400 I/O模塊信號，通過IM460-1擴展P總線，連接擴展機架的IM461-1模塊，處理擴展機架的S7-400 I/O模塊，通訊距離可達1.5m，完全適合在柜內(nèi)擴展的集中鏈接方式。

從控制工藝角度出發(fā)，采用這種連接方式，一方面不僅完全滿足當前工藝流程下的信號處理，而且為將來擴展也留有很大裕量。另一方面，將現(xiàn)場采集和控制信號完全引入控制柜，降低了周圍環(huán)境變化對自動化控制系統(tǒng)的影響。

從過程控制信號角度出發(fā)，當前控制系統(tǒng)的循環(huán)響應(yīng)周期可以達到毫秒級。S7-400控制系統(tǒng)是西門子SIMATIC家族的高端產(chǎn)品，其優(yōu)勢無可比擬。背板總線集成在機架內(nèi)，擴展機架和中央機架集中擴展的背板總線比遠程擴展的方式對信號的處理速度更快。而且對于S7-400信號模塊的單通道隔離，也為現(xiàn)場信號的精確控制提供保障。根據(jù)模塊信號指示燈判斷故障點，利用模塊支持熱插拔的功能，降低故障處理時間。

（2）二期工程自動化控制系統(tǒng)

一期工程穩(wěn)定運行五年后，為了配合福州市長期發(fā)展的需要，提高福州市中心區(qū)污水處理率，二期工程進入籌備期。自動化系統(tǒng)在設(shè)計初期，綜合考慮當時自動化發(fā)展趨勢，總結(jié)一期項目經(jīng)驗，做了很大改動。

在控制網(wǎng)絡(luò)層，為了防止各個控制站之間的數(shù)據(jù)通訊鏈路出現(xiàn)故障，自動化系統(tǒng)各個控制器采用以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)的方式互聯(lián)，如圖4所示，通過光交換機模塊OSM ITP62連接各個控制站的以太網(wǎng)卡，將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，通訊速率可達100Mbit/s。

圖4 自動化控制系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)中的交換機對數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)是建立在MAC地址基礎(chǔ)上的，通過數(shù)據(jù)包中的目的地址，交換機將相應(yīng)數(shù)據(jù)包送到擁有目的MAC地址的端口。而交換機學(xué)習(xí)和維護MAC地址表，是通過逆向?qū)W習(xí)算法來完成的。這就決定了以太網(wǎng)上的設(shè)備是不可能連接成環(huán)網(wǎng)的，因為環(huán)網(wǎng)會引發(fā)網(wǎng)絡(luò)的廣播風暴。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路的冗余，同時又能避免廣播風暴的發(fā)生，就必須用特殊的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來實現(xiàn)通訊。通過OSM將各個站點的以太網(wǎng)卡互聯(lián)，采用西門子專有環(huán)網(wǎng)協(xié)議HSR（High Speed Redundancy，高速冗余協(xié)議），最多可以連接50個站點。當一條通訊鏈路時，網(wǎng)絡(luò)自動重構(gòu)時間小于300ms，保證數(shù)據(jù)正常傳輸，滿足控制系統(tǒng)需求。

在現(xiàn)場總線層，考慮到一期本地擴展的處理方式布線太多布局較亂，不利于維護，選擇西門子S7-400系列CPU，I/O信號選擇接入分布式遠程站ET200M分布式遠程站，很好地解決了這種問題。在各個工藝段控制現(xiàn)場安裝電氣柜，ET200M的接口模板將I/O信號通過PROFIBUS-DP總線發(fā)送到主控CPU集中處理。二期自動化控制器與遠程控制柜如圖5、圖6所示。

圖5 二期自動化控制器

圖6 二期遠程控制柜

現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)選用PROFIBUS，它是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標準之一，是眾多廠商支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，這也使PROFIBUS已經(jīng)成為最重要的現(xiàn)場總線標準。支持線型、樹形及環(huán)形結(jié)構(gòu)。使用PROFIBUS-DP連接分布式I/O，最多可以連接126個站點，總線傳輸速率可以達到12Mbit/s，網(wǎng)絡(luò)規(guī)格可達90公里。PROFIBUS-DP以其開放的標準和優(yōu)秀的擴展能力，成為污水處理工藝的首選。PROFIBUS-DP速率與總線長度關(guān)系如表1所示。

表1 PROFIBUS-DP速率與總線長度關(guān)系

同時，從全部I/O信號引入柜內(nèi)到采用PROFIBUS-DP擴展分布式I/O帶來兩方面的問題：

（1）分布式I/O站的診斷方法。相比柜內(nèi)接線的方式，PROFIBUS-DP總線擴展診斷要求用戶有一定的相關(guān)知識基礎(chǔ)。洋里污水處理二期項目使用了西門子觸摸屏。除了采用傳統(tǒng)的應(yīng)用廣泛的在線CPU模塊信息方式外，通過STEP7的自帶功能“報告系統(tǒng)錯誤”，使STEP7自動生成必要的功能塊和消息文本，可以輕松將系統(tǒng)診斷信息上報到觸摸屏，而觸摸屏無需組態(tài)報警信息，就可以讀取CPU上報的系統(tǒng)信息。診斷內(nèi)容包括中央機架信息、遠程站信息、模塊信息、通道信息及通訊鏈路信息。

報警信息處理機制采用主動上報的方式，不僅能保證尖峰脈沖的信息也可以被捕捉到，即使更換觸摸屏之后，CPU也可以將診斷緩沖區(qū)的歷史數(shù)據(jù)發(fā)送到觸摸屏，保證報警信息不丟失。而且不需要觸摸屏主動輪訓(xùn)各個站點，降低通訊負荷。這項功能應(yīng)用在日常巡檢和維護過程中，達到快速準確定位、降低故障處理時間的目的。上報系統(tǒng)錯誤組態(tài)如圖7所示。

圖7 上報系統(tǒng)錯誤組態(tài)

（2）防腐問題。在各個工藝段周圍室外安裝ET200M遠程柜，不僅要考慮到福州地區(qū)環(huán)境條件對控制系統(tǒng)的影響，而且要充分考慮城市污水處理工藝對周邊設(shè)施的影響。

福州地處中南沿海，極端條件下溫度最高達到42.3℃，最低-2.5℃，年相對濕度77%。對于自動化系統(tǒng)的需求相對較高。西門子SIMATIC 控制器符合IEC 60721-3-3的氣候環(huán)境條件等級3K3，完全符合福州地區(qū)自然環(huán)境條件。S7-400控制系統(tǒng)環(huán)境要求如表2所示。

表2 S7-400控制系統(tǒng)環(huán)境要求

3 自動化設(shè)備防腐

（1）洋里污水處理水質(zhì)現(xiàn)狀（如表3所示）

表3 進水水質(zhì)現(xiàn)狀

（2）處理工藝選用具有除磷脫氮功能的A2/O工藝，排放標準為一級B標準，具體如表4所示。

表4 排放水質(zhì)現(xiàn)狀

（3）自動化設(shè)備防腐等級

在使用過程檢測和控制設(shè)備的工業(yè)，污染物的分級取決于環(huán)境等級的劃分，根據(jù)是對無氧高導(dǎo)熱銅的腐蝕率的測試，如表5所示。

表5 污染物分級標準

當相對濕度小于50%時，可近似用上述的銅反應(yīng)表示。對于一個已知的氣體污染物，當相對濕度大于50%時，每增加10%的相對濕度或者當相對濕度變化率每小時大于60%時，嚴重等級（銅反應(yīng)程度）應(yīng)認為增加一個等級。氣體污染物濃度劃分如表6所示。

表6 氣體污染物濃度劃分

嚴重程度G1。弱——環(huán)境得到很好的控制，在確定設(shè)備可靠性時，可不必考慮腐蝕因素。

嚴重程度G2。中——環(huán)境腐蝕作用是可測知的，并可能是確定設(shè)備可靠性的因素之一。

嚴重程度G3。強——環(huán)境會引起腐蝕破壞，應(yīng)對環(huán)境做進一步的評價，以確定是否對環(huán)境進行控制或引入特殊設(shè)計的密封裝置。

嚴重程度GX。嚴重——在該環(huán)境中，只有特殊設(shè)計的密封設(shè)備才能使用，設(shè)備的規(guī)格應(yīng)由用戶與廠家共同協(xié)商。

西門子SIMATIC系列控制器，達到美國儀表協(xié)會標準ISA-S71.04 G3等級，在現(xiàn)場安裝在控制柜內(nèi)，運行五年期間，情況良好。西門子防腐等級標準如表7所示。

表7 西門子防腐等級標準

4 應(yīng)用體會

洋里污水處理其遠期規(guī)劃工程規(guī)模為日處理污水60萬噸，是福州市實施水環(huán)境治理的核心工程，同時也是福建省重要環(huán)保教育基地之一。結(jié)合福州地域氣候環(huán)境和自動化發(fā)展趨勢，三期工程規(guī)劃將會采用更加適合自身發(fā)展狀況的先進的控制系統(tǒng)，滿足規(guī)劃需求。