污水處理廠PLC控制系統升級改造

李墨洋，高曉光，李少鵬，丁玉美

（天津創業環保集團股份有限公司，天津 300381）

自控系統能夠保證污水處理系統可靠運行、降低能耗、節約人力[1]；因此完整的自動化控制系統成為工業控制領域的重要話題。由于污水處理廠原有自控系統已運行多年且歷經多次改造，存在系統老化、設備配置不統一、無法在同一框架下進行控制管理等問題，對工藝運行和設備管理造成很多不利影響。為此，本文以實際工程為例，提出一種自控系統改造方案，將新增系統融入原有工業控制以太網并使用新軟件對控制系統進行組態整合，可以實現對廠區新建及原有設備的監視、控制，最大程度將新老系統融合在一起，滿足工藝運行要求。

1 系統現狀及存在問題

1.1 污水處理廠概況

某污水處理廠升級改造后處理規模為15×104m3/d，新增的主要運行生產類設備包括：二級提升泵、磁絮凝裝置、三級提升泵、纖維轉盤濾池、臭氧催化氧化裝置、次氯酸鈉加藥裝置等。

現狀自控系統采用計算機和PLC組成的集散型分布控制系統，網絡結構采用快速環狀以太網結構，由中央控制室的監控工作站及4座分控站組成。中央控制室設置一套監控工作站，用于對污水處理廠工藝過程進行集中管理。

1.2 存在問題

1）原自控系統已運行多年，經歷多次維修改造，存在設備老化、現場設備接口繁多雜亂、設備型號和通訊方式不統一等諸多問題，需要對原有自控系統進行整理，清除停用點位、對系統中老化損壞的點位進行維修。

2）新增工藝，特別是一些流程復雜的工藝段，如磁絮凝裝置、纖維轉盤濾池等均由自身集成的子系統獨立控制，要考慮如何將這些子系統妥善對接，盡可能提高系統整體的穩定性與可靠性。

3）現狀和新增系統集成在統一的框架下集中管理，需要考慮多種特殊情況，如新舊系統數據通信、控制任務分配、整體結構精簡、人機交互便捷等。

2 自控系統改造方案

2.1 設計原則

1)應具有較高的可靠性，服務器可備份保存數據、具有主備雙工等技術，確保發生故障時可快速啟動備用系統。

2)應具有較高的可維護性，支持自診斷、遠程調試和下載等功能[2]。

3)應具有較高的自由度，兼容多種標準模塊和接口，支持多種標準協議的數據通訊[3]。

4)應具有較高延伸性，在統計好資源配置的基礎上適當擴充，便于后期運行設備、監控儀表的更換和增加。

5)充分利用現狀控制系統，盡可能保留網絡、信號，不得對現狀控制柜及配電柜進行大幅拆改。

2.2 硬件部分

采用“集中監控、管理，分散控制”的集散型系統[4]。新系統與現狀自控系統各自獨立，在中控室內實現信息互傳，組態整合。綜合污水處理工藝過程、構筑物布局、設備和檢測儀表分布等相關因素，由一個中央控制室、四個現場控制站、聯結各層之間的全廠實時工業控制網絡組成集散型控制系統。

中央控制室由工程師站、操作員站和組態軟件組成?，F場控制站由PLC、HMI和遠程I/O站組成，既可以受到上位機的監視與控制，也可以獨立運行，確保運行生產過程的安全穩定。

2.2.1 自控設備

1）西門子S7-1500PLC。采用模塊式PLC結構，各部分模塊可根據實際需求自由組合，大大提高了現場硬件布置的便捷性和靈活性；具有CPU現實模塊，可直接查詢CPU狀態、CPU診斷信息，也可以對PLC進行簡單的參數設置、查看和修改變量，降低調試和故障檢查的難度；可使用博圖TIA作為編程軟件，可應用一切軟件專為此設備設計的新功能，包括硬件組態、網絡連接、上位機組態和軟件編程等，最大程度共享HMI/PC與PLC之間的資源。

2）博圖TIA作為組態軟件，可將simaticS7體系內的大多數設備統一集成在一款軟件中進行相應的配置、編程和調試。各設備組態、配置和編程工作高度集成，各部分在組態環節中出現的參數、變量以及在編程過程中使用的數據可以高度共享[5]；各部分的數據集成并統一管理，確保信息層、控制層、設備層之間所有數據成為一個整體；所有部件的通信集成配置和管理，使得通信更為高效，因全部信息集成在一款軟件中，因此在編譯過程中可自動匹配通信雙方的相關協議和配置。

2.2.2 自控系統硬件布置

中央控制室在綜合樓內，設置中央監控計算機2臺，數據存儲服務器1臺，另設通用接口裝置、網絡通訊系統、不間斷電源、系統監控軟件、綜合信息化管理軟件等相關設備。

現場控制站布置在運行生產設備附近，每個控制站均配備網絡通訊系統及不間斷電源，見表1。

表1 控制站分布

進水區IO站主要負責采集進水水質、進水泵運行情況、進水流量等數據。生物區IO站負責采集回流污泥泵運行情況、剩余污泥泵運行情況、推流攪拌器運行情況、二沉池刮泥機運行情況、回流流量、剩余流量、空氣管流量、溶解氧、ORP、污泥濃度數據。

控制系統網絡以工業以太網交換機為核心，采用1 000 M光纖工業以太網建立環形網絡，每個PLC子站之間使用全雙工通信，主站與遠程IO站之間使用半雙工通信控制系統。見圖1。

圖1 控制系統以太網結構

2.2.3 自控系統硬件組態

硬件組態是在計算機軟件中配置與硬件有關的所有信息，包括各模塊IP地址、設備名、各種參數以及其中各個輸入輸出通道的地址等；這些信息需要編譯并下載到CPU模塊中并根據這些組態信息識別各模塊，配置各模塊參數、關聯映像存儲器與各模塊中的輸入/輸出通道上的數據以及通過CPU獲知總線上的各設備和需要通信的數據格式，在總線上周期性地訪問各設備，進行數據交互。

2.3 PLC程序設計

2.3.1 主要環節的控制邏輯

設備的控制邏輯需要針對特定的被控對象單獨設計，不過對于任何被控對象，都遵循“輸入決定狀態，狀態決定輸出”的原則{6}。

2.3.2 舊系統數據讀取

舊系統使用S7300系列PLC作為控制器，部分獨立子站使用S7200SMART系列PLC作為控制器。前者雖可以使用博圖平臺組態，但舊系統設備點位多，工程量大且不符合新舊系統獨立的設計原則；后者不屬于博圖平臺，無法直接組態，使用KEPSERVER作為OPC服務器，通過OPC中轉建立博圖WINCC與PLC變量的關聯。

2.4 人機界面組態設計

所有人機界面的配置與設計均由博圖TIA實現。設置HMI設備與PLC之間的連接，根據實際情況選擇HMI設備與PLC的通信方式，確保PLC與HMI設備正常通訊。定義HMI變量，將提前規劃好的需要在人機界面顯示的變量統一輸入并將這些變量與PLC變量進行關聯。繪制HMI界面、設置控件報警和配方等，將其與HMI變量相關聯，使用畫面管理及控件實現畫面切換、數據顯示、報警動畫等功能。

設計好的監控界面包括工藝流程、各工藝段監控、歷史數據、報警和事件管理?？梢酝ㄟ^各工藝段監控完成對運行設備的狀態監視和遠程操作；在歷史數據界面查看運行數據并可以生成導出數據報表；在報警和事件管理界面可以查看設備狀態。

3 結論

1）系統可以準確讀取、顯示污水處理廠原有設備與新增設備的數據、狀態，可實時記錄數據，可按需求生成數據質量報表供運行人員參考或導出。

2）具備故障報警功能，可針對設備故障和PLC處理器故障做出報警，可生成設備運行臺賬方便運行人員排查故障。

3）運行人員可以通過中控室操作員站或現場觸摸屏遠程操作設備、調整工藝運行參數。

4）在自動運行模式下可實現纖維轉盤濾池的自動運行、三級提升泵池及出水泵池的液位自動控制。

未來要繼續以污水處理廠降低能耗、改善水質、節約人力成本為目標、在設備運行的精準控制方面做進一步研究。