導(dǎo)語：石化污水處理電氣控制系統(tǒng)設(shè)計研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

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)

1項目背景

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，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)。該項目控制設(shè)備較多，控制可性要求高，系統(tǒng)需實現(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)的實時及歷史趨勢、現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)的實時及歷史報警、生產(chǎn)運行數(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。2.2.2PLC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)IM153-2總線接口模塊，采用PROFIBUS-DP總線與冗余控制器連接，實現(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。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)，實時監(jiān)控廢水處理系統(tǒng)設(shè)備運行、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?？刂乒耋w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，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，實時監(jiān)測廢水處理系統(tǒng)運行參數(shù)，所有儀表傳感器均采用模擬量電流輸出信號（4-20mADC），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）運算后，轉(zhuǎn)換成與實際工程量對應(yīng)的浮點數(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)運算，運算結(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（4-20mADC），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)，實時調(diào)節(jié)閥門開度和水泵運轉(zhuǎn)速度。如一個PH節(jié)回路中，PH變送器輸出4-20mADC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運算后得到的結(jié)果仍為實數(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4-20mADC信號至硫酸計量泵，實時調(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，采用獨立冗余電源模塊設(shè)計，實現(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S7412-5H冗余控制器實現(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Wincc7.3，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)試運行后，經(jīng)過5個月試運行后，實現(xiàn)如下設(shè)計目標(biāo)：（1）系統(tǒng)控制過程實現(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)壓差或者運行時間兩種模式，由操作員手動選擇），極大提高了系統(tǒng)運行效率。（3）實現(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?？刂葡到y(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)長期穩(wěn)定運行。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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作者:周永華 單位:上海盛劍環(huán)境系統(tǒng)科技股份有限公司