基于現場總線的PLC在污水處理裝置中的應用

孫明

(中海石油投資控股有限公司 大同煉制氣項目籌備組，山西 大同 037100)

隨著中國對環保標準的逐年提高，現代煤化工污水處理的技術不斷成熟完善，某煤化工項目為了驗證污水處理零排放工藝技術的可行性，實施了污水處理全流程的中試裝置。為便于統一管理與操作，該中試裝置中采用了基于現場總線技術的可編程控制器(PLC)，現場總線控制系統采用數字化信號取代傳統的4～20 mA模擬信號，通過高速的通信方式對設備及工藝進行監控，該系統具有信號采集精度高、控制靈活、準確的優點。實際使用過程中，基于現場總線的PLC安裝調試過程簡便，成本較低，在水處理行業得到了廣泛應用[1]。

1 污水處理工藝流程簡介

該中試裝置根據處理對象和功能，工藝流程劃分為生化處理段、中水回用水處理段、膜濃縮處理段和蒸發結晶分鹽段。

1) 生化處理段由調節池、水解酸化、A/O生化池、二沉池、臭氧氧化、曝氣生物濾池(或P-MBR膜生物反應器)等組成。

2) 中水回用水處理段由“混凝沉淀、多介質過濾、超濾、反滲透”組成。

3) 膜濃縮處理段由“軟化澄清池、多介質過濾、離子交換樹脂、超濾、反滲透、電解氧化、納濾分鹽、氯化鈉反滲透”組成。

4) 蒸發結晶分鹽段由“氯化鈉TVR結晶系統、硫酸鈉TVR熱法結晶系統”組成。

2 控制系統介紹

2.1 PLC硬件設計及配置

2.1.1PLC硬件設計思路

該中試裝置對控制系統提出的要求，包括對生產過程實施檢測、數據處理、過程控制、用電設備狀態顯示等，要確保各關鍵試驗數據的獲取，為裝置的工業化應用提供第一手資料。由于該中試裝置流程長、操作設備多，因而在裝置試驗過程中，為達到優化工藝流程的目的，則需要對裝置進行改造。為保證中試裝置工藝生產過程的可靠性和高效性，要求控制系統能盡量簡單、快速地完成相應的擴展改造，并可實現生產過程的信息化管理及調度[2]。

為滿足中試裝置對控制系統提出的要求，設計中采用了易于實現系統擴展、兼容性強的現場總線技術，PLC則采用西門子公司的SIMATIC S7-1500，其CPU配有Profinet以太網接口，通過該接口可以實現與Profinet-I/O設備及其他PLC的通信；支持多種通信協議，還可以實現Profibus-DP通信。S7-1500不是通過擴展機架，而是通過分布式I/O擴展。

傳統控制系統的結構一般分為三個層級： 操作層、控制層、現場層，其中操作層一般采用以太網通信，控制層采用各自動化廠商自己的專有通信或者Modbus等串口通信，現場層則是采用模擬量的4～20 mA信號和開關量信號。而采用了現場總線技術的控制系統，特別是采用工業以太網技術后，由于通信協議的統一，則網絡結構變得簡單，更加扁平和優化。該中試裝置所采用的基于現場總線的PLC在使用功能上雖然仍為三個層次： 操作層(上位機)、控制層(CPU)、現場層(分布式I/O及變頻器)，但這三個層次均采用了Profinet工業以太網技術，通過TCP/IP協議通信，在網絡結構上實際是融合在一個大的層級里，從而大幅提高了數據通信的速度和效率。該中試裝置控制系統網絡結構如圖1所示。

圖1 污水中試裝置控制系統網絡結構示意

2.1.2PLC硬件配置

該中試裝置的污水處理部分設置了4個工藝單元，其中的生化處理單元、中水回用單元、膜濃縮單元分別有公用的和獨立的加藥系統，而蒸發結晶裝置屬于專有設備，自配了2套S7-200PLC。根據上述工藝單元的空間布置，考慮到水處理生產現場噪音較低且粉塵較少，環境較好，可以充分發揮現場總線通信的技術優勢。該中試裝置運行時間要求不超過0.5 a，所以設計中沒有設置集中的機柜室，而是采用就近原則，將該中試裝置的PLC劃分為9套控制子站,對應9面控制柜，即1號站控制生化段各池及設備，2號站控制生化段加藥設備，3號站控制曝氣生物濾池(BAF)及臭氧設備，4號站控制公用加藥設備，5號站控制中水回用段加藥設備，6號站控制中水回用段設備，7號站控制膜濃縮段設備，8號站控制膜濃縮段加藥設備，9號站控制生化段P-MBR設備。各子站的PLC機柜布置于各單元現場附近，各子站間通過Profinet高速以太網通信。蒸發結晶分鹽單元的2套PLC原計劃擬采用OPC或增加Profinet以太網通信模塊的方式接入中試裝置的控制系統，但由于實施期間工期緊張的原因未能實現。整個中試裝置的 I/O點數約800點，其中AI點約占100點，DI和DO點約占700點。由于工藝管道上沒有設置調節閥，而是采用變頻水泵調節流量，變頻器的控制通過Profinet以太網通信實現，故沒有AO點。各PLC子站的CPU通過通信模塊與分布式I/O模塊單元實現通信，CPU由供電模塊提供配電，各I/O模塊安裝在通信背板上，由基座供電并支持熱插拔。每個PLC子站機柜內配有2 kVA的UPS、電源避雷器，以提高供電的可靠性。配置的8口交換機可實現子站與變頻器、各子站間的級聯。

中心控制室為滿足中試裝置全流程的監控需要，在上位機設置了2臺工作站，配備了寬屏液晶顯示器，主機配置了英特爾I5四核處理器、1T硬盤、8G內存，既作為操作員站也作為工程師站，通過“用戶名+密碼”可切換不同的工作管理權限。系統具備打印、記錄、儲存、顯示等功能，可查詢歷史工藝數據的運行記錄，為保證工藝數據不因斷電丟失，配備了3 kVA不間斷電源。操作員站對整個工藝系統進行監控，采用全中文圖形界面，全自動化動態顯示；操作員站兼具工程師站的功能，可完成系統組態、調試及控制參數的在線修改和設置等功能。整個系統的Profinet中心網絡交換機也設置在中心控制室內，由于與各子站通信距離不超過50 m，用帶屏蔽層的超五類雙絞網線與各子站組成星型連接結構形式。

2.2 PLC軟件配置

PLC的軟件采用西門子的TIA博途V15，該軟件是一套全集成的自動化軟件工程平臺，與SIMATIC S7-1500實現無縫銜接。該軟件的安裝環境及硬件配置要求較高，需要CPU為Intel I5 3.4 GHz以上，至少8 G的內存，50 G的硬盤空間，操作系統為Windows 7(64位)以上版本。該中試裝置在實施中使用的是單一授權許可的工程組態版，在實際運行中發現該軟件系統的啟動時間較長，但在項目實施過程中，由于組態和監視平臺的統一化，從而使調試組態的工作方便、高效。

監控操作畫面按照工藝及用途劃分，包括： 3組工藝主畫面，7個程控子畫面，2個專用畫面，各畫面均可以通過頁眉按鈕進行切換。3個主畫面分別顯示生化處理單元、中水回用單元、膜濃縮單元；而生化處理單元的P-MBR，中水回用單元的超濾、反滲透裝置，膜濃縮單元的超濾、反滲透、納濾及納濾產水裝置，均需進行順序控制操作，其自動運行的過程均單獨做了程控畫面，一共7個程控子畫面。為方便運行人員監控，如水質在線分析、液位、流量、壓力等主要工藝參數單獨做了1個綜合報警專用畫面。由于整套中試裝置的機泵較多，為方便調試及維護需要，如風機、水泵等主要轉動設備也單獨做了1個專用畫面。而蒸發結晶分鹽單元屬于供應商的專有設備，其畫面為隨機配套的觸摸屏監控，具有報警及趨勢功能，因此在中心控制室內沒有監控畫面。該污水中試裝置PLC監控組態如圖2所示。

圖2 污水中試裝置PLC監控組態示意

2.3 PLC的接地

PLC接地按照HG/T 20513—2104《儀表系統接地設計規范》[3]執行，將各機柜內電氣保護地與儀表系統工作地分別接至各自的匯流排上，各機柜的工作接地匯流排和保護接地匯流排分別通過各自接地分干線接至不同接地匯總板，再通過接地干線接入總接地板，最后通過接地總干線接入電氣等電位接地網，接地電阻值應小于4 Ω。

3 PLC的使用情況

3.1 主要控制邏輯及監控組態簡介

該中試裝置的運行按自動運行方式設計，運行人員在中心控制室內通過上位機對污水處理系統主設備進行控制、監視，對異常工況發出報警并采取措施及時處理。PLC主要的控制方式包括： 自動方式、半自動方式(成組單步)、遠程手動操作、就地手動操作。PLC正常運行時采用自動控制方式，對于加藥系統PLC則設置了自動和手動控制方式。

3.1.1生化處理單元的主要控制邏輯

生化處理單元的主要控制邏輯包括： 一、二級A/O池的溶解氧濃度自動控制程序；P-MBR的順序控制程序，P-MBR順序控制與各類膜裝置的類似；調節池及二沉池的液位聯鎖控制。其中，溶解氧濃度的PID常規控制及模糊控制的相關文章論述較多，本文不再贅述，但實際操作時由于溶氧反饋信號的滯后太大，因此導致自動調節切換為手動操作的情況較為普遍，還需進一步積累經驗[4]。

3.1.2中水回用單元和膜濃縮單元的控制邏輯

中水回用單元和膜濃縮單元的主要控制邏輯以程序控制為主，主要有中水回用單元的超濾順序控制、反滲透順序控制；膜濃縮單元的超濾順序控制、海水反滲透順序控制、納濾順序控制、納濾產水反滲透順序控制。聯鎖控制主要有各裝置出口pH值聯鎖、各水箱和加藥箱的液位聯鎖等。

上述幾種順序控制程序中的超濾和反滲透順序控制邏輯涉及的泵及閥門的控制程序較多，同時順序控制還要與相關的加藥量進行比較來選擇判斷程序的不同進展，因此程序組態工作較復雜，其余的順序控制邏輯基本與兩者相似，但內容簡單了許多。另外，在順序控制設計中，加入必要的步進、步延、暫停、復位、急停等功能，對順序控制調試和保證特殊工況下的設備安全運行非常有必要。

3.2 調試及運行情況

基于現場總線的PLC在安裝及調試期間，PLC與變頻器均采用總線通信，節省了大量的儀表及電氣電纜。

1) 由于采用了Profinet以太網通信接口，使用屏蔽的雙絞網線即可滿足組網的通信需求，實際使用過程中，該PLC在通信環節運行良好。

2) 在進行單機調試和聯動調試時，尤其是變頻器的調試，無須工程師在現場設定變頻器參數，只需在工程師站中通過TIA博途軟件組態便可完成對所有變頻器參數的設定。調試過程中，普通的設備運行故障可根據上位機顯示的設備故障代碼對故障進行診斷、分析，大幅提高了工作效率。

3) 高速的Profinet現場總線技術和西門子TIA博途軟件系統的結合，使整個裝置的9套子站間通信速度快、數據處理高效、組態工作便捷，當各子站間需要進行數據訪問時，各子站組態定義的變量均可視為全局變量，各子站CPU可以直接通過讀取I/O地址進行調用，無需像以前那樣將所需變量映射到專用服務器才能進行數據的共享和交換。

4) PLC 2臺上位機監控畫面的組態、9套子站的組態、各子站CPU的下裝工作均在博途軟件系統創建的一個項目里完成，無須再分別對上位機和下位機進行組態，從而大幅提高了組態工作的效率。

4 結束語

基于現場總線的PLC在污水處理裝置設計、安裝、調試及運行的各個階段中的應用，體現了現場總線技術的便捷、高效以及處理大量數據的優勢。隨著現場總線技術的不斷成熟和完善，對水處理行業及其他行業的安全、高效生產，以及實現“數字化、智能化”的工廠建設等方面，必將發揮重要作用。