陸宏宇

（大慶油田水務(wù)公司，黑龍江 大慶 163451）

1 工藝概況

本設(shè)計(jì)為大慶油田用水深度處理工程超濾膜裝置及系統(tǒng)配套項(xiàng)目。超濾裝置由超濾膜處理主系統(tǒng)、輔助工藝系統(tǒng)：包括原水提升系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、物理清洗系統(tǒng)、化學(xué)清洗系統(tǒng)、儀表空氣系統(tǒng)、中和系統(tǒng)組成。其中主系統(tǒng)由10 ～20 套膜堆組成，每套膜堆額定處理能力均為標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)，出力5000m3/h，輔助工藝系統(tǒng)為多套膜堆公用。

2 性能描述及系統(tǒng)構(gòu)成

超濾控制系統(tǒng)的總體功能包括兩個(gè)方面：一是實(shí)現(xiàn)超濾機(jī)組工藝過程的全自動(dòng)進(jìn)行，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)和處理故障，根據(jù)工藝要求調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)；二是作為水廠工藝鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)超濾出水水質(zhì)和水量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)上下游運(yùn)行方式。自控系統(tǒng)在整體架構(gòu)上分三層：設(shè)備層、控制層、信息層。超濾車間中控室設(shè)上位操作員站1 臺(tái)，工程師站1 臺(tái)，數(shù)據(jù)服務(wù)器1 臺(tái)，并開發(fā)相應(yīng)的超濾裝置運(yùn)行智能分析軟件系統(tǒng)，中央控制室還需配備網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、UPS 電源等附屬設(shè)備。

超濾車間設(shè)PLC 一套，采用冗余配置，組成雙機(jī)熱備系統(tǒng)，下設(shè)遠(yuǎn)程I/O 站。每個(gè)遠(yuǎn)程I／O 站設(shè)一12.1英寸彩色觸摸屏，作為現(xiàn)場人員監(jiān)控操作的人機(jī)接口，觸摸屏與本地I/O 站通過工業(yè)以太網(wǎng)相連；整個(gè)超濾車間的全部遠(yuǎn)程I/O 站通過工業(yè)以太網(wǎng)相連組成環(huán)網(wǎng)，該環(huán)網(wǎng)通過超濾車間PLC 柜內(nèi)的光纖交換機(jī)與超濾車間中控室操員站、工程師站、數(shù)據(jù)服務(wù)器和整個(gè)廠區(qū)工業(yè)以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)的連接，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程I/O 站、超濾車間PLC、中控室操員站、工程師站、數(shù)據(jù)服務(wù)器和廠區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.1 設(shè)備層

設(shè)備層按不同的控制區(qū)域分為：主控室PLC（冗余配置）、超濾膜處理主系統(tǒng)I/O 站（5個(gè)站）、原水提升系統(tǒng)I/O 站、預(yù)處理系統(tǒng)I/O 站、物理清洗系統(tǒng)I/O 站、化學(xué)清洗系統(tǒng)I/O 站、儀表空氣系統(tǒng)I/O 站、中和系統(tǒng)I/O 站等12個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)。每一獨(dú)立子系統(tǒng)由PLC 控制單元構(gòu)成，形成功能完整的工作環(huán)節(jié)。

2.2 控制層

設(shè)備層的上層是以中控室為核心的控制層，控制層主要功能是完成超濾工藝區(qū)域的生產(chǎn)過程自動(dòng)化，包括實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)和反饋設(shè)備狀態(tài)，控制生產(chǎn)進(jìn)程和效率，及時(shí)處理運(yùn)行故障，對(duì)工藝設(shè)備和自控執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。在WindowsNT 的開發(fā)環(huán)境下，通過Vijeo Citect 工控平臺(tái)開進(jìn)行組態(tài)，超濾上位機(jī)作為人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控。

控制層包括1 臺(tái)中心操作站、1 臺(tái)中心工程師站、1臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器及相應(yīng)的傳輸交換設(shè)備。數(shù)據(jù)服務(wù)器可生成Vijeo Citect 實(shí)時(shí)工況及歷史曲線，工作站則通過基于MODBUSTCP 協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)與水廠的控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器調(diào)取數(shù)據(jù)并生成歷史趨勢圖，其優(yōu)點(diǎn)是：（1）工作站曲線一致。（2）監(jiān)控工作站退出Vijeo Citec RunTime 進(jìn)行維護(hù)、調(diào)整運(yùn)行時(shí)，趨勢曲線并不因此中斷。

超濾系統(tǒng)的控制可通過以下三種方式完成：（1）就地手動(dòng)：優(yōu)先級(jí)最高，當(dāng)現(xiàn)場轉(zhuǎn)換開關(guān)處于“手動(dòng)操作”時(shí)，PLC 的控制被屏蔽。設(shè)備的運(yùn)行操作通過現(xiàn)場操作按鈕和開關(guān)人工完成。（2）半自動(dòng)控制：利用PLC 的邏輯控制功能，提供超濾各子系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行，及關(guān)聯(lián)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)、連鎖及閉環(huán)控制。（3）全自動(dòng)控制：通過主控室的上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)超濾系統(tǒng)的運(yùn)行與全廠上下游工藝整體調(diào)節(jié)，處理突發(fā)故障，協(xié)調(diào)生產(chǎn)，保證運(yùn)行順暢。在全自動(dòng)狀態(tài)下，可實(shí)現(xiàn)超濾裝置的無人值守運(yùn)行。超濾系統(tǒng)所有的輸入輸出指令及數(shù)據(jù)將上傳至水廠其他中控室。超濾控制室向下通過工業(yè)以太網(wǎng)IO 處理器接口模塊與以太光纖環(huán)網(wǎng)中各遠(yuǎn)程I/O 子站通訊；向上通過140NOE77101 模塊與全廠光纖以太環(huán)網(wǎng)中各上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)通訊?？刂普綪LC在手動(dòng)／自動(dòng)／中控切換中要具有無擾動(dòng)切換功能。

2.3 信息層

系統(tǒng)最上層是MIS 信息管理層，通過RSSQL 以數(shù)據(jù)服務(wù)器作為數(shù)據(jù)源從數(shù)據(jù)服務(wù)器采集數(shù)據(jù)，包含基于SQL Server 的Web 服務(wù)器，以及基于Net Framework 的Web服務(wù)功能，建有完整的歷史數(shù)據(jù)庫，主要承擔(dān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的高級(jí)處理功能，并提供日常生產(chǎn)報(bào)表生成模塊，該部分是自控系統(tǒng)功能的延伸。其主要功能如下：

（1）自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與備份。

（2）自動(dòng)/手動(dòng)打印生產(chǎn)運(yùn)行班報(bào)、日?qǐng)?bào)、月報(bào)和年報(bào)等。

（3）可以對(duì)定制生成運(yùn)行報(bào)表或定制查詢數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)并打印。

（4）可以對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行后臺(tái)維護(hù)管理，并在客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢。

（5）具有智能控制管理系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可以對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)給出最優(yōu)的運(yùn)行方案，如：水質(zhì)、膜運(yùn)行差壓和膜能量變化的預(yù)判；根據(jù)清水池液位變化和來水水量情況給出最優(yōu)通量運(yùn)行方案；根據(jù)歷年運(yùn)行數(shù)據(jù)預(yù)測未來水質(zhì)變化情況及給出最優(yōu)運(yùn)行方案；根據(jù)膜的運(yùn)行污染情況給出最優(yōu)化洗周期、化洗時(shí)間等；根據(jù)對(duì)膜斷絲率的在線監(jiān)測變化情況預(yù)判膜未來的斷絲情況和膜的壽命等。

3 設(shè)備配置

3.1 監(jiān)控中心

主要控制設(shè)備包括操作員站、工程師站、運(yùn)行數(shù)據(jù)服務(wù)器、配套儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)、打印機(jī)、以太網(wǎng)主干交換機(jī)。操作員站分散布置于相應(yīng)工藝單元內(nèi)，其他設(shè)備布置在中心控制室內(nèi)。

（1）操作員站。本系統(tǒng)中，操作員站根據(jù)工藝構(gòu)筑物的平面布置、工藝設(shè)備、電氣設(shè)備的設(shè)置地點(diǎn)以及設(shè)備監(jiān)控的需要設(shè)置。在中心控制室設(shè)置PLC 控制主站，在膜堆、泵房、化學(xué)清洗間處設(shè)置PLC 控制站。PLC 控制主站固化監(jiān)控程序和應(yīng)用程序，通過上位機(jī)可進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置；各PLC 控制站以觸摸屏作為人機(jī)界面，可單獨(dú)對(duì)相應(yīng)I/O 工藝單元進(jìn)行控制和參數(shù)調(diào)整，操作面板采用多級(jí)訪問保護(hù)，以確保系統(tǒng)的安全。操作員站通過光纖以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)與工程師站 PLC(熱備)交換數(shù)據(jù)并上傳至上位機(jī)和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

（2）過程控制站（工程師站）。在控制室設(shè)置工程師站，其配有多種工具軟件，具有與操作員站一樣的人機(jī)界面，能進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障的記錄、查詢和顯示。工程師站的核心是高性能的控制器，它允許將應(yīng)用分段，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化?？刂破骶哂腥缦绿攸c(diǎn)：模塊化內(nèi)存卡節(jié)省您的內(nèi)存開支、處理器之間的通信無需編寫應(yīng)用代碼、I/O 能力不再受固定內(nèi)存區(qū)域的限制。

3.2 配套儀表及執(zhí)行器

為了能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠地檢測、顯示超濾裝置工藝各系統(tǒng)的物理參數(shù)及便于與控制系統(tǒng)的連接和維修管理的方便，系統(tǒng)配套儀表應(yīng)選用精度高、穩(wěn)定性好、帶現(xiàn)場液晶顯示單元的智能儀表。儀表的安裝附件及傳感器與轉(zhuǎn)換器的連接專用電纜等有關(guān)配件均應(yīng)配套供應(yīng)。儀表支架、儀表保護(hù)箱等安裝附件應(yīng)同儀表一齊配備。儀表配置應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）考慮設(shè)備及設(shè)計(jì)的整體統(tǒng)一性。配套儀表應(yīng)提供為達(dá)到規(guī)定功能所需的各種部件，如信號(hào)隔離器、濾波器、保護(hù)裝置、放大器、轉(zhuǎn)換器及其他相關(guān)部件。

（2）應(yīng)對(duì)所有儀表電氣線路及設(shè)備提供保護(hù)。以免受雷擊、感應(yīng)電流、過電壓的影響以及其他外力的損壞。

（3）如有實(shí)際需要，須對(duì)某些輸入/輸出信號(hào)采取適當(dāng)?shù)男盘?hào)隔離措施。

（4）變送器輸出信號(hào)為4 ～20mA 的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)，繼電器標(biāo)準(zhǔn)輸出接點(diǎn)為無源常開接點(diǎn)，接點(diǎn)容量為220VAC/5A 以上。

（5）應(yīng)搜集全部儀表自控系統(tǒng)的詳細(xì)技術(shù)說明書及產(chǎn)品樣本；對(duì)工藝所要求的儀表自控系統(tǒng)及各部分組成、技術(shù)性能、系統(tǒng)功能、控制原理、操作方式等進(jìn)行詳細(xì)的描述，闡明系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)結(jié)果和技術(shù)。

（6）頻繁開關(guān)的進(jìn)出水閥門采用氣動(dòng)glob 調(diào)節(jié)閥或設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥串聯(lián)氣動(dòng)開關(guān)閥兩種方式氣動(dòng)閥須設(shè)置合理的速率和運(yùn)行阻尼。

4 軟件配置

4.1 軟件功能設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件采用統(tǒng)一軟件平臺(tái)，其主要功能包括控制、可視化、信息管理等，能與PLC 系統(tǒng)緊密集成。其中，生產(chǎn)過程控制功能是軟件功能的核心。在編制過程中，首先要做出膜擔(dān)保使用壽命期內(nèi)不同階段膜堆的物理清洗及化學(xué)步序表，并分別根據(jù)一年試運(yùn)行期及膜使用壽命期末的物理清洗及化學(xué)清洗步序表的參數(shù)，梳理膜堆進(jìn)行物理清洗、CEB 清洗和CIP 清洗的運(yùn)行排隊(duì)及恢復(fù)過濾運(yùn)行機(jī)制。做出相應(yīng)的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)序控制圖。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行PLC 邏輯編程及系統(tǒng)組態(tài)。繪制時(shí)序圖應(yīng)全面考慮多膜堆長期運(yùn)行條件下的各種運(yùn)行工況，應(yīng)特殊考慮下述非常規(guī)工藝進(jìn)程：

（1）故障單元自動(dòng)離線和修復(fù)后恢復(fù)過濾插隊(duì)機(jī)制。

（2）CIP 清洗條件的判斷與CEB 清洗觸發(fā)機(jī)制。

（3）關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定值限值的變化趨勢預(yù)置及設(shè)定值改變后的系統(tǒng)無縫切換運(yùn)行機(jī)制。

（4）模塊化擴(kuò)展機(jī)制。如圖2 所示。

圖2 時(shí)序圖

4.2 系統(tǒng)編程環(huán)境

操作系統(tǒng)及基礎(chǔ)軟件：超濾車間中控室上位機(jī)操作員站和工程師站采用Windows NT 或Win 7 專業(yè)版以上版本的操作系統(tǒng)。數(shù)據(jù)服務(wù)器安裝Win7 服務(wù)器版操作系統(tǒng)，安裝專業(yè)的SQL Server 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，并開發(fā)相應(yīng)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用軟件。組態(tài)軟件：采用采用施耐德公司開發(fā)的成熟的產(chǎn)品Vijeo Citect，操作員站安裝運(yùn)行版，工程師站安裝開發(fā)版。超濾中控室上位機(jī)還應(yīng)開發(fā)超濾裝置運(yùn)行智能分析軟件系統(tǒng)?？删幊套詣?dòng)控制器編程軟件采用施耐德Unity Pro XL6.0 產(chǎn)品。

5 結(jié)語

（1）本系統(tǒng)采用成熟技術(shù)及設(shè)備，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，保證生產(chǎn)出達(dá)標(biāo)優(yōu)質(zhì)飲用水，為居民身體健康提供可靠保證，產(chǎn)生巨大社會(huì)效益。隨著信息社會(huì)的發(fā)展，企業(yè)局域網(wǎng)的拓展壯大，本系統(tǒng)的后續(xù)應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

（2）充分考慮水廠超濾膜裝置及與全廠控制系統(tǒng)的通訊需要，采用基于MODBUSTCP 協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)集成構(gòu)架。

（3）儀表系統(tǒng)的配置應(yīng)充分考慮穩(wěn)定性、精度以及水廠管理需要。

（4）控制功能是軟件功能的核心，編制基礎(chǔ)是系統(tǒng)運(yùn)行步序圖。