天津石化污水處理工程電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

周永華

摘 ?要：針對中石化天津分公司已有廢水處理設(shè)施中高濃度、難降解COD廢水，采用高效生物反應(yīng)器（ABR）進(jìn)行處理，使廢水凈化，達(dá)到排放指標(biāo);文章針對此廢水處理系統(tǒng)，設(shè)計一套全自動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過S7-400冗余控制器對工藝設(shè)備進(jìn)行控制，中控制室設(shè)置SCADA遠(yuǎn)程監(jiān)控站，對整套污水處理系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制，實(shí)現(xiàn)污水處理系統(tǒng)自動化控制，有效減輕操作人員工作負(fù)荷。

關(guān)鍵詞：ABR;COD;冗余控制器;SCADA系統(tǒng)

中圖分類號：X74 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）18-0092-03

Abstract： Aiming at the high concentration and difficult to degrade COD wastewater in the existing wastewater treatment facilities of Sinopec Tianjin Branch， the Anaerobic Biological Reactor （ABR） is used to purify the wastewater and reach the discharge target. A set of automatic control system is designed， in which the process equipment is controlled by S7-400 redundant controller， and the SCADA remote monitoring station is set up in the control room to monitor and control the whole sewage treatment system， thus realizing the automatic control of sewage treatment system and effectively reducing the workload of operators.

Keywords： ABR; COD; redundant controller; SCADA system

1 項(xiàng)目背景

為了響應(yīng)天津市政府建設(shè)美麗天津號召，中石化天津分公司將對已有廢水處理設(shè)施進(jìn)行改造以滿足更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。由于系統(tǒng)廢水由烯烴回用設(shè)施排水，烯烴循環(huán)水排污水，熱電化學(xué)水處理站中和排水，熱電化學(xué)水處理站淡化海水精制濃水混合而成，該混合廢水中COD具有高濃度（68.8ppm）、難降解特點(diǎn)，故采用ABR特效菌分解難降解COD，使得出水COD能夠達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)目控制設(shè)備較多，控制可性要求高，系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)全自動控制，遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，降低操作維護(hù)人員的工作強(qiáng)度，充分發(fā)揮ABR污水處理系統(tǒng)的效能，提高系統(tǒng)COD處理能力，引出針對以上要求設(shè)計出一套全自動控制系統(tǒng)。

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

ABR廢水處理控制系統(tǒng)是一個較復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)，便于有效提高系統(tǒng)設(shè)計效率，縮短開發(fā)周期，采用模塊化設(shè)計，將此系統(tǒng)劃分為5個功能模塊單元，以便分步設(shè)計，單獨(dú)調(diào)試，最后進(jìn)行系統(tǒng)集成;5個功能模塊分別為上位機(jī)監(jiān)控模塊，PLC控制模塊，控制柜模塊、動力柜及現(xiàn)場操作控制模塊。

2.2 系統(tǒng)各模塊功能設(shè)計

2.2.1 上位機(jī)監(jiān)控模塊設(shè)計

該模塊選用WinCC系統(tǒng)軟件完全版V7.3（亞洲版8192外部變量），利用WinCC開發(fā)版軟件編制出污水處理系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控畫面，其主要功能是顯示污水處理系統(tǒng)工藝控制過程、污水處理設(shè)備間的聯(lián)鎖關(guān)系、設(shè)備動態(tài)工作狀態(tài)、現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)顯示、現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)的實(shí)時及歷史趨勢、現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)的實(shí)時及歷史報警、生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)報表功能;系統(tǒng)中控室共配2臺上位監(jiān)控系統(tǒng)，一臺為操作員站，主要用于現(xiàn)場設(shè)備操作及生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)設(shè)定，另外一臺為工程師站，主要用于ABR廢水處理系統(tǒng)人機(jī)界面開發(fā)及運(yùn)行維護(hù)、報表打印和數(shù)據(jù)庫的更新維護(hù)，同時兼?zhèn)洳僮鲉T站所有操作功能。

2.2.2 PLC控制模塊設(shè)計

（1）硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用西門子S7-400H冗余控制器+ET200M分布子站控制架構(gòu)，冗余控制器與IO子站間采用PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)冗余連接;冗余IO站采用西門子專利MTA模塊技術(shù)。該污水處理工藝中硬件設(shè)計過程中，應(yīng)用了如下關(guān)鍵性技術(shù)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性：

a.控制器冗余：通過兩個并行的中央控制器實(shí)現(xiàn)，控制器間通過冗余光纖連接，當(dāng)主控制器發(fā)生故障，未受影響的備控制器將在中斷處繼續(xù)執(zhí)行而不丟失任何信息，主備CPU沒有切換時間;該同步方式給客戶帶來的好處是用戶不需要考慮如何實(shí)現(xiàn)同步，無命令限制;冗余控制器具有隱藏冗余性，采用透明的編程方法（同非冗余方法一樣），標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)參數(shù)化，標(biāo)準(zhǔn)的處理方法。

b.ET200M分布子站及PROFIBUS-DP總線：廢水處理系統(tǒng)采用ET200M分布式子站，每個分布子站采用一對標(biāo)準(zhǔn)IM 153-2 總線接口模塊，采用PROFIBUS-DP總線與冗余控制器連接，實(shí)現(xiàn)IO容錯功能;系統(tǒng)所采用西門子PROFIBUS-DP總線，是經(jīng)過優(yōu)化的高速而便宜的通訊連接，主要應(yīng)用于自動化控制系統(tǒng)與分散IO站間的通信，具有如下主要功能優(yōu)勢：

DP主站與從站間循環(huán)交換用戶數(shù)據(jù);具有強(qiáng)大的診斷功能;靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，支持線型、樹型、環(huán)型結(jié)構(gòu)以及冗余的通信模型;每個DP從站最多246B的數(shù)據(jù)輸入和輸出。

c.MTA模塊技術(shù)：為滿足業(yè)主對系統(tǒng)可靠性要求，關(guān)鍵性設(shè)備采用IO輸入/輸出模塊冗余，冗余IO模塊出接線采用西門子MTA鎧裝端子板，可以簡單、快速且可靠地將現(xiàn)場設(shè)備、傳感器和執(zhí)行器連接到ET200M遠(yuǎn)程I/O站的I/O模塊。它們有助于大大降低布線和調(diào)試的工作量及費(fèi)用，并可避免接線錯誤。

（2）軟件設(shè)計

廢水處理控制系統(tǒng)采用西門子Step75.5編程軟件，該軟件是一個用于西門子S7-300/400PLC組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，主要應(yīng)用于對PLC的硬件和PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組態(tài)，具有簡單、直觀、方便易學(xué)習(xí)等特點(diǎn)。通過采用Step7編程軟件，根據(jù)廢水處理系統(tǒng)控制描述文件、工藝聯(lián)鎖表、控制工藝說明，采用梯形圖（LAD）編程語言編制控制程序，由冗余控制器自動執(zhí)行后實(shí)時監(jiān)測和控制現(xiàn)場工藝設(shè)備;過程數(shù)據(jù)經(jīng)冗余控制器處理后，通過西門子以太網(wǎng)通訊模塊CP443-1傳輸至上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，通過上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)控廢水處理系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行、故障報警信息顯示，并對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)歸檔處理及報表打印。

2.2.3 控制柜功能模塊設(shè)計

廢水處理控制系統(tǒng)采用分布式子站硬件架構(gòu)，根據(jù)工藝設(shè)備重要性及業(yè)主備用點(diǎn)數(shù)要求（不低于25%），系統(tǒng)共配置11個ET200M分布式子站，其中3個非冗余IO子站，8個為冗余IO子站。

控制柜體采用威圖TS柜體，柜體尺寸：2000（mm）*800（mm）*800（mm），柜體顏色：RAL7035，柜體結(jié)構(gòu)：前后雙開門結(jié)構(gòu)，雙安裝板設(shè)計，增加元器件布置空間，解決業(yè)主電控室內(nèi)空間小的難題;經(jīng)合理規(guī)劃，廢水控制系統(tǒng)共設(shè)置4臺控制柜：1臺為CPU控制柜，1臺非冗余IO子站控制柜，2臺冗余IO子站控制柜。

2.2.4 動力柜功能模塊子站設(shè)計

系統(tǒng)采用MNS抽屜柜，該模塊主要作用是為工藝設(shè)備電動機(jī)配電，并采用施耐德配電元器件，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)進(jìn)行過載、電氣短路等保護(hù)功能;控制器通過控制電機(jī)接觸器或變頻器來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)設(shè)備的操作。

2.2.5 現(xiàn)場操作功能模塊子站設(shè)計

水泵等轉(zhuǎn)動設(shè)備設(shè)置有就地操作柱，該模塊主要功能是切換設(shè)備遠(yuǎn)程/本地控制功能，當(dāng)設(shè)備調(diào)試和檢修時，切換為本地控制模式，實(shí)現(xiàn)就地操作;當(dāng)切換為遠(yuǎn)程控制模式，則現(xiàn)場設(shè)備操作權(quán)限移交到上位機(jī)，由PLC遠(yuǎn)程控制。

2.3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計中的主要過程

2.3.1 系統(tǒng)可靠性計算

系統(tǒng)可靠性計算公式為As=MTBF/（MTBF+MDT）（MDT平均故障時間）。

為確保系統(tǒng)可靠性，采用國外知名品牌SIMATIC控制器和信號采集模塊，模塊平均無故障時間（由西門子官方提供數(shù)據(jù)）：

冗余控制器平均無故障時間：15年;

信號采集模塊：50年;

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，故障平均故障時間約4小時，工廠按照10年1次大修設(shè)計，更換部件，由此計算，能夠滿足系統(tǒng)可靠性要求;另從系統(tǒng)可靠性公式來看，增加系統(tǒng)可靠性需從提高M(jìn)TBF（平均無故障時間）和降低MDT兩方面進(jìn)行，故設(shè)計階段由如下幾個方面進(jìn)行充分考慮：

（1）選用系統(tǒng)西門子S7-400H冗余控制器;

（2）控制器與子站間采用PROFIBUS-DP冗余網(wǎng)絡(luò)架構(gòu);

（3）關(guān)鍵工藝設(shè)備采用冗余IO模塊;

（4）元器件安裝空間及環(huán)境符合產(chǎn)品要求。

2.3.2 模擬信號轉(zhuǎn)換計算

廢水處理系統(tǒng)中配置很多過程儀表，如壓力、溫度、流量、液位、PH、ORP、溶解氧等檢測儀表，實(shí)時監(jiān)測廢水處理系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，所有儀表傳感器均采用模擬量電流輸出信號（4-20mA DC），采用屏蔽雙絞電纜將模擬量信號傳輸至信號采集模塊，經(jīng)信號采集模塊將輸入電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，經(jīng)內(nèi)部程序塊（FC105）運(yùn)算后，轉(zhuǎn)換成與實(shí)際工程量對應(yīng)的浮點(diǎn)數(shù);控制系統(tǒng)根據(jù)外部輸入信號，經(jīng)內(nèi)部程序循環(huán)運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果經(jīng)內(nèi)部程序塊（FC106）后，經(jīng)模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)換成電流信號（4-20mA DC），采用屏蔽雙絞線將模擬量信號傳輸至控制現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)時調(diào)節(jié)閥門開度和水泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

如一個PH節(jié)回路中，PH變送器輸出4-20mA DC 信號到 SM331模擬量采集模塊轉(zhuǎn)換成0-27648的整形數(shù)，經(jīng)程序中要調(diào)用FC105功能塊將該值轉(zhuǎn)換成0-14數(shù)值，經(jīng)PID運(yùn)算后得到的結(jié)果仍為實(shí)數(shù)，調(diào)用FC106功能塊轉(zhuǎn)換為對應(yīng)硫酸計量泵轉(zhuǎn)速0-100%，經(jīng)SM332模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)換處理后，輸出4-20mA DC信號至硫酸計量泵，實(shí)時調(diào)節(jié)硫酸加藥泵轉(zhuǎn)速。

2.4 電氣系統(tǒng)的可靠性設(shè)計

2.4.1 供電可靠性

本設(shè)計控制柜電源分為3路電源進(jìn)線，1路為普通進(jìn)線電源，僅供控制柜照明及風(fēng)扇用電;另外2路為UPS電源，為控制系統(tǒng)及儀表回路供電。其中冗余控制器采用西門子雙電源模塊供電設(shè)計;ET200M接口模塊、冗余信號MTA模塊采用雙開關(guān)電源設(shè)計;信號隔離柵電源，采用獨(dú)立冗余電源模塊設(shè)計，實(shí)現(xiàn)信號隔離模塊供電。

2.4.2 系統(tǒng)可靠性

在設(shè)計中采用國際知名品牌西門子S7 412-5H冗余控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)冗余，冗余系統(tǒng)中兩個CPU同時工作，采用西門子專利事件同步方式，不增加CPU運(yùn)行負(fù)荷，保證同步有效性，無擾動主從切換;控制器與ET200M分布式IO子站間采用Profibus-DP協(xié)議建立介質(zhì)冗余通訊。

2.4.3 信號采集系統(tǒng)可靠性

信號采集根據(jù)工藝設(shè)備控制重要性，分為非冗余信號采集子站和冗余信號采集子站，冗余信號采集子站采用IO模塊硬件冗余設(shè)計，冗余IO模塊接線采用西門子專用MTA模塊，大幅降低柜內(nèi)布線和現(xiàn)場調(diào)試工作量;開關(guān)量（DI/DO）信號采集采用中間繼電器隔離;模擬量（AI/AO）信號采用信號隔離器，同時信號隔離同時實(shí)現(xiàn)對2線制儀表進(jìn)行饋電，進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性。

2.4.4 監(jiān)控系統(tǒng)可靠性

組態(tài)軟件采用西門子Wincc 7.3，共配置2臺SCADA監(jiān)控系統(tǒng)，兩臺監(jiān)控系統(tǒng)同時具有操作員站所有功能，確保任何一臺發(fā)生故障，系統(tǒng)能夠正常操作;工程師站與控制器間配置多芬諾硬件防火墻，消除控制器中毒風(fēng)險;SCADA系統(tǒng)與控制器之間采用雙網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，即每個控制器配置2塊CP443-1以太網(wǎng)通訊模塊，分別接至2臺冗余交換機(jī)（EDS-308），上位機(jī)采用西門子專用網(wǎng)卡（CP1623），同冗余交換機(jī)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通訊。

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

廢水處理系統(tǒng)整體調(diào)試運(yùn)行后，經(jīng)過5個月試運(yùn)行后，實(shí)現(xiàn)如下設(shè)計目標(biāo)：

（1）系統(tǒng)控制過程實(shí)現(xiàn)全自動化，減少操作人員數(shù)量，降低了勞動成本。

（2）系統(tǒng)自動反洗（系統(tǒng)壓差或者運(yùn)行時間兩種模式，由操作員手動選擇），極大提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率。

（3）實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)報表自動生成，減少操作員數(shù)據(jù)整理工作量，提高生產(chǎn)效率。

（4）工藝設(shè)備操作過程，自動存檔操作記錄，有效提高設(shè)備操作運(yùn)行溯源性。

4 結(jié)論

整個控制系統(tǒng)中應(yīng)用冗余、多重隔離等設(shè)計技術(shù)，并吸收應(yīng)用了安全控制的設(shè)計思想，從而確保控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)長期穩(wěn)定運(yùn)行。達(dá)到現(xiàn)場智能儀表設(shè)備、控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)無縫傳送，實(shí)現(xiàn)工廠智能化、管控一體化。為廢水處理系統(tǒng)自動控制提供全面的解決方案，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、設(shè)備和安全三大目標(biāo)的最佳協(xié)調(diào)，幫助客戶實(shí)現(xiàn)最短的全生命周期維護(hù)成本、最佳的設(shè)備投資回報。

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