北部水廠超濾膜系統自動控制技術的分析與應用

吳志金 賴源平

廣州市自來水有限公司 廣東 廣州 510000

1 工藝流程介紹

北部水廠超濾膜系統采用國際領先的城市凈水技術——超濾膜處理技術。系統主要運行流程為：常規處理工藝的砂濾后水經提升加壓后經過自清洗過濾器，進入超濾膜堆，由壓力差驅動沿徑向由外向內滲透過中空纖維膜絲，進入膜纖維內腔，再經每個膜組件的產水端匯集到產水總管，最后輸送至清水池。膜堆定期進行氣洗、反沖洗、維護性清洗和恢復性清洗。維護性清洗和恢復性清產生的酸堿廢水進入中和池后加藥中和，然后排入到廠區的生產排放水處理系統[1]。如圖1所示：

圖1 超濾膜車間工藝流程圖

2 控制系統介紹

超濾膜過濾系統分為四個系列，共40個膜堆，各系列可以獨立運行；超濾膜運行全過程均由PLC控制，實現系統全自動運行。

2.1 原水提升系統

共設12臺進水提升泵。每臺進水泵均配有變頻器、進水壓力計、出水壓力計、電機震動模塊、泵軸溫度傳感裝置，使每臺進水泵的運行得到有效監控。水泵全變頻調速，保持總管壓力一定，并保持吸水井在一定的水位變幅下穩定出水量。每臺泵組設一個PLC子站控制。

2.2 預處理系統

自清洗過濾器作為膜前預處理系統，對經過提升后的原水在進入膜堆前進行過濾，共28臺，分為兩組。PLC根據壓差變送器的壓力設定值或過濾時間設定值全自動調節過濾/清洗的頻次。每組自清洗過濾器由一個PLC子站控制。

2.3 超濾裝置系統

超濾膜處理車間共有40個膜堆，分為4個相互獨立UF系列（每個系列含10個膜堆），每個膜堆均配有進出水流量計、進出水壓力計、濁度儀、顆粒儀，使每個膜堆的運行得到有效監控。在保持總管壓力一定的范圍內通過調節每套UF裝置的進水閥門開度，分配各組膜堆進水量，進而控制每個膜堆的產水量。每2個膜堆由一個PLC子站控制。

另外，4個相互獨立UF系列各設一個PLC控制主站，負責各自系列總管相應閥門的控制和在線監測儀表的數據采集，同時用于各自系列下的膜堆PLC控制子站與中央監控管理系統之間的數據傳輸通信。

PLC控制主站采用冗余機制方式，兩個獨立工作的冗余CPU通過同步光纖進行實時的數據同步，任何一方出現硬件或通信故障，另一方仍可接管整個控制任務，最大限度地降低生產停機風險。

2.4 物理清洗系統

共設8臺反洗泵、4臺反洗過濾器和8臺羅茨風機，反洗泵和羅茨風機均為變頻控制。為保持合理的運行跨膜壓差，膜堆需定期進行物理清洗。

每2臺反洗泵（1用1備）和1臺反洗過濾器設一個PLC子站控制。共4套反洗泵控制子站，分別對應4個膜系列。

每2臺羅茨風機（1用1備）設一個PLC子站控制。共4套羅茨風機控制子站，分別對應ABCD 4個膜系列。

2.5 配藥投加系統

共設5種藥劑儲液罐（脫氯劑、氫氧化鈉、次氯酸鈉、檸檬酸、鹽酸）用于配制膜堆化學清洗所用藥劑，并通過加藥泵輸送至化學清洗罐或中和池。配藥由PLC根據配藥濃度自動完成。

每種藥劑儲液罐、2臺卸藥泵和4臺加藥泵輔以液位計、液位開關、流量計等設備組成一套配藥投加系統，設一個PLC子站控制。

2.6 化學清洗系統

共4個化學清洗罐、8臺UF清洗泵和4套清洗過濾器，用于將配藥投加系統過來的藥劑儲存調合后，輸送至膜元件或中和池。化學清洗分為維護性清洗（CEB）和恢復性清洗（CIP），由PLC定期自動啟動完成。共4套化學清洗系統，分別對應4個膜系列。

2.7 公用設備系統

公用設備控制系統主要實現兩個進水吸水井相關儀表設備、兩臺空氣壓縮機及相關儀表設備以及提升泵房內排水泵的監控，同時負責對原水水質監測的余氯儀、濁度儀、pH計、電導儀等在線儀表的數據采集。

另外，公用設備控制系統作為一個PLC控制主站，實現其下級PLC控制子站（主要為進水提升泵控制子站和配藥投加控制子站）與中央監控管理系統之間的數據傳輸通信。

公用設備PLC控制主站采用冗余機制方式，兩個獨立工作的冗余CPU通過同步光纖進行實時的數據同步，任何一方出現硬件或通信故障，另一方仍可接管整個控制任務，最大限度地降低生產停機風險。

2.8 中和池設備控制系統

超濾膜堆在化學清洗后，廢液排入中和池，進行在線加藥中和處理。設一個PLC控制子站，主要實現中和池排水泵、電動閥門的監控和相關儀表的數據采集。

各個控制系統結構上由應用層、控制層、設備層共三層模型構建。各層間具有相對獨立性，應用層與控制層之間通過TCP/IP標準工業以太網連接進行數據交換；控制層與現場設備之間的輸出控制和信號反饋通過電氣接線物理連接；控制層與在線檢測儀表主要通過MODBUS RTU和4至20mA等方式進行信號采集和數據傳輸；通過多種通信方式構成信息化、智能化、綜合化的自動化控制系統。

3 PLC設備選型

上述控制系統中共計5個PLC控制主站和52個PLC控制子站[2]。其中，控制主站選用PCS 7 SMART產品系列，控制子站選用S7-1200產品系列。

3.1 控制主站

PCS 7 SMART產品系列，是一款高經濟性、功能強大的過程控制系統[3]。本項目5個PLC控制主站中，中央處理單元選用AS 410 SMART，在線儀表數據采集選用通信模塊CP 341-RS422/485，I/O設備選用由接口模塊IM650和專用ET 200PA SMART I/O模塊組成。

3.1.1 中央處理單元：AS 410 SMART

AS410 SMART為冗余控制器，具有以下優勢：功能強大——高達450MHz的運算主頻、48MB的裝載內存和 8MB的工作內存，輕松應對各種復雜的控制任務；靈活組網——兩個獨立的PROFINET IO接口提供冗余環網管理RM功能，一個PROFIBUS DP接口可連接多達48個PROFIBUS DP從站，可輕松滿足系統總線和現場總線的各種組網需求[3-4]。

基于AS410 SMART靈活組網這一優點，通過兩個獨立的PROFINET IO接口連接兩層環網，通過PROFIBUS DP接口連接現場I/O模塊，組成一個高性能、多功能的控制主站系統。

3.1.2 通信模塊：CP 341-RS422/485

通信模塊CP 341-RS422/485通過點到點連接進行快速高性能數據交換，可加載Modbus RTU協議，作為主站或從站進行通信。控制主站中選用通信模塊CP 341-RS422/485，通過Modbus RTU通信方式，采集濁度儀、顆粒儀、pH計、電導儀等在線儀表數據。

3.1.3 I/O設備模塊

ET200PA分布式I/O站，通過PROFIBUS-DP現場總線與AS 410 SMART連接。本項目控制主站中選用接口模塊IM650，I/O模塊根據信號點數分布和30%備用配置考慮。

3.2 控制子站

S7-1200系列是一款小型可編程邏輯控制器產品，設計緊湊、組態靈活、具有功能強大的指令集和可擴展性，充分滿足中小型自動化的系統[5-6]。

本項目52個PLC控制子站中，中央處理單元選用S7-1200 1215C，在線儀表數據采集選用通信模塊CM 1241-RS485，I/O設備根據信號點數分布和30%備用配置考慮。

4 通信網絡

在多個獨立的自動控制系統中，如何組建安全可靠的通信網絡，對于實現中央監控管理系統一體化監控有著十分重要意義。

4.1 網絡組成

北部水廠超濾膜自動控制系統組成了一個雙層的100M冗余型光纖工業以太環網，保證系統數據通信的快速穩定性。第一層為主站環網，第二層為子站環網，兩層環網通過具有雙CPU雙網絡冗余機制的控制主站PLC（AS 410 SMART）進行連接。

第一層環網由5個控制主站（公用設備主站和4個超濾系列控制主站）與連接超濾中央監控管理系統的環網冗余型光纖交換機組成。

第二層子站環網包括有：5個超濾膜堆控制子站、1個反洗泵控制子站、1個氣洗風機控制子站和1個化學清洗控制子站。

各個環網均設置冗余，各控制主站的下級環網相對獨立，當某個下級環網子站設備故障時，其余下級環網子站不受影響；當某個上級主站設備故障時，下級各環網子站設備仍可繼續工作而不影響整個工藝過程控制。

4.2 控制主站雙CPU冗余機制

控制主站PLC配置2個AS 410 SMART,具有雙CPU雙電源雙網絡的雙機熱備/容錯系統。雙控制器熱備為硬件冗余，主從機架的IP地址、總線地址設置完全相同，不隨主從機架切換而改變。冗余切換條件：機架電源斷電、CPU故障、機架內任何模塊故障、以太網模塊斷線連接、總線模塊斷線連接、人工手動切換[3-5]。冗余模塊間通過高速光纖進行同步，冗余功能完全靠硬件冗余完成，不需要人工任何干預。

各控制主站監控相應設備外，還負責下級控制子站與中央監控管理系統的數據傳輸通信。控制主站雙CPU冗余機制為網絡通信穩定和數據存儲提供了可靠的保證。

4.3 與廠內現有工控網絡通信

超濾膜控制系統作為北部水廠現有生產監控系統的一個子系統，需與原有生產監控系統實現數據通信。

在超濾膜中央監控管理系統的環網（主站環網）交換機上，設置一個AB Contrologix 1756系列的PLC處理器，配備雙網口，其中一個IP設原有工控網段，另一個IP設超濾膜系統網段，接入至我廠生產監控原有光纖主干環網，用作我廠現有生產監控系統（AB）與超濾膜控制系統（西門子）通信用PLC，成為北部水廠一期工程生產監控系統的一個組成部分。

整體上，北部水廠超濾膜系統與廠現有生產監控系統組成一個三層環網的拓撲架構，系統通信快速穩定、安全可靠。

5 中央監控管理系統

中央監控管理系統包含有1臺工程師站、2臺操作員站和2臺數據庫服務器。各控制主站向中央監控管理系統傳送數據，并接受監控管理系統發出的開停機命令。

5.1 數據庫管理

中央監控管理系統采用客戶端/服務器的系統方案，2臺數據庫服務器互為冗余機制，如果其中一臺服務器發生故障，另一臺將接管整個系統控制。發生故障的服務器恢復正常運行時，所有的消息和過程值歸檔都將復制到恢復運行的伙伴服務器中。確保了客戶端操作控制與畫面顯示的連續性保證數據存儲安全。服務器采用三網卡連接方法，分別用于連接上位機、控制站和作為冗余服務器同步接口。

5.2 監控軟件介紹

超濾膜中央監控管理系統的監控軟件為PCS7下的WinCC 7.3完全版。WinCC采用基本系統+選件方案，具有強大的可擴展性。WinCC 基本系統已集成過程監控、與PLC等設備通信、報警功能、趨勢功能、歸檔系統、報表系統、用戶管理系統等。功能擴展選件主要有[7-8]：

·WinCC/Server，用于組態功能強大的客戶端/ 服務器系統；

·WinCC/Redundancy ，通過冗余構架提升系統可用性；

·WinCC/IndustrialDataBridge，通過組態方式實現WinCC系統與IT系統的數據交換；

·WinCC/Web Navigator，通過Internet、公司內網或局域網，對工廠進行監控；

·SIMATIC ProcessHistorian ，對整個工廠的數據進行統一的、集中的長期歸檔；

·SIMATIC Information Server，基于Web網絡，通過歸檔數據生成各種報表。

5.3 上位機監控界面

該系統采用SIMATIC WinCC Explorer7.3數據采集與監視控制系統，人機界面友好，構筑物和設備模型以3D形式展示，整體畫面風格與現有生產監控系統一致。

5.3.1 畫面組成

超濾膜中央監控系統上位機監控界面為一個三級界面監控流程，一級界面包括膜工藝流程、提升泵過濾器（2組）、超濾膜組（4組）、反洗泵、氣洗風機、清洗系統、投加系統、中和系統、儀表空壓系統、排水系統、網絡拓補、電量監控、趨勢系統、歷史報警、實時報警、報表系統共二十個。

5.3.2 趨勢曲線

上位機監控界面可查看設備運行數據和水質工藝參數的趨勢曲線。操作人員可以在界面中可選取需要分析的數據，靈活調整趨勢顯示的時間和范圍，在界面生成趨勢曲線。這些數據以表格的形式在趨勢圖下方顯示并可輸送至打印機上打印。

5.3.3 報警功能

上位機監控界面中可查看系統運行過程中出現的報警，包括實時報警和歷史報警。報警可根據安全等級發出報警聲音通知值班人員。報警根據時間順序降序排列，以列表形式顯示。

5.3.4 報表功能

上位機監控界面可將數據庫系統的數據以報表形式進行查詢，操作人員可以選擇時間日期和所需查詢的數據，以日報表、月報表、年報表形式輸送至打印機打印出來。

6 結論

北部水廠超濾膜系統采用先進的自動化控制技術，生產過程全工藝由PLC全自動控制，各項硬件和軟件功能完善，由中央監控管理系統實行集中統一監控，自2019年9月投入使用以來，運行穩定可靠，是一個高效、先進、智能的自動化監控管理系統。