李墨洋，高曉光，李少鵬，丁玉美

（天津創(chuàng)業(yè)環(huán)保集團(tuán)股份有限公司，天津 300381）

自控系統(tǒng)能夠保證污水處理系統(tǒng)可靠運(yùn)行、降低能耗、節(jié)約人力[1]；因此完整的自動(dòng)化控制系統(tǒng)成為工業(yè)控制領(lǐng)域的重要話題。由于污水處理廠原有自控系統(tǒng)已運(yùn)行多年且歷經(jīng)多次改造，存在系統(tǒng)老化、設(shè)備配置不統(tǒng)一、無(wú)法在同一框架下進(jìn)行控制管理等問(wèn)題，對(duì)工藝運(yùn)行和設(shè)備管理造成很多不利影響。為此，本文以實(shí)際工程為例，提出一種自控系統(tǒng)改造方案，將新增系統(tǒng)融入原有工業(yè)控制以太網(wǎng)并使用新軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)整合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)廠區(qū)新建及原有設(shè)備的監(jiān)視、控制，最大程度將新老系統(tǒng)融合在一起，滿足工藝運(yùn)行要求。

1 系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

1.1 污水處理廠概況

某污水處理廠升級(jí)改造后處理規(guī)模為15×104m3/d，新增的主要運(yùn)行生產(chǎn)類設(shè)備包括：二級(jí)提升泵、磁絮凝裝置、三級(jí)提升泵、纖維轉(zhuǎn)盤(pán)濾池、臭氧催化氧化裝置、次氯酸鈉加藥裝置等。

現(xiàn)狀自控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)和PLC組成的集散型分布控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用快速環(huán)狀以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由中央控制室的監(jiān)控工作站及4座分控站組成。中央控制室設(shè)置一套監(jiān)控工作站，用于對(duì)污水處理廠工藝過(guò)程進(jìn)行集中管理。

1.2 存在問(wèn)題

1）原自控系統(tǒng)已運(yùn)行多年，經(jīng)歷多次維修改造，存在設(shè)備老化、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接口繁多雜亂、設(shè)備型號(hào)和通訊方式不統(tǒng)一等諸多問(wèn)題，需要對(duì)原有自控系統(tǒng)進(jìn)行整理，清除停用點(diǎn)位、對(duì)系統(tǒng)中老化損壞的點(diǎn)位進(jìn)行維修。

2）新增工藝，特別是一些流程復(fù)雜的工藝段，如磁絮凝裝置、纖維轉(zhuǎn)盤(pán)濾池等均由自身集成的子系統(tǒng)獨(dú)立控制，要考慮如何將這些子系統(tǒng)妥善對(duì)接，盡可能提高系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性與可靠性。

3）現(xiàn)狀和新增系統(tǒng)集成在統(tǒng)一的框架下集中管理，需要考慮多種特殊情況，如新舊系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信、控制任務(wù)分配、整體結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、人機(jī)交互便捷等。

2 自控系統(tǒng)改造方案

2.1 設(shè)計(jì)原則

1)應(yīng)具有較高的可靠性，服務(wù)器可備份保存數(shù)據(jù)、具有主備雙工等技術(shù)，確保發(fā)生故障時(shí)可快速啟動(dòng)備用系統(tǒng)。

2)應(yīng)具有較高的可維護(hù)性，支持自診斷、遠(yuǎn)程調(diào)試和下載等功能[2]。

3)應(yīng)具有較高的自由度，兼容多種標(biāo)準(zhǔn)模塊和接口，支持多種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的數(shù)據(jù)通訊[3]。

4)應(yīng)具有較高延伸性，在統(tǒng)計(jì)好資源配置的基礎(chǔ)上適當(dāng)擴(kuò)充，便于后期運(yùn)行設(shè)備、監(jiān)控儀表的更換和增加。

5)充分利用現(xiàn)狀控制系統(tǒng)，盡可能保留網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)，不得對(duì)現(xiàn)狀控制柜及配電柜進(jìn)行大幅拆改。

2.2 硬件部分

采用“集中監(jiān)控、管理，分散控制”的集散型系統(tǒng)[4]。新系統(tǒng)與現(xiàn)狀自控系統(tǒng)各自獨(dú)立，在中控室內(nèi)實(shí)現(xiàn)信息互傳，組態(tài)整合。綜合污水處理工藝過(guò)程、構(gòu)筑物布局、設(shè)備和檢測(cè)儀表分布等相關(guān)因素，由一個(gè)中央控制室、四個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站、聯(lián)結(jié)各層之間的全廠實(shí)時(shí)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)組成集散型控制系統(tǒng)。

中央控制室由工程師站、操作員站和組態(tài)軟件組成?，F(xiàn)場(chǎng)控制站由PLC、HMI和遠(yuǎn)程I/O站組成，既可以受到上位機(jī)的監(jiān)視與控制，也可以獨(dú)立運(yùn)行，確保運(yùn)行生產(chǎn)過(guò)程的安全穩(wěn)定。

2.2.1 自控設(shè)備

1）西門(mén)子S7-1500PLC。采用模塊式PLC結(jié)構(gòu)，各部分模塊可根據(jù)實(shí)際需求自由組合，大大提高了現(xiàn)場(chǎng)硬件布置的便捷性和靈活性；具有CPU現(xiàn)實(shí)模塊，可直接查詢CPU狀態(tài)、CPU診斷信息，也可以對(duì)PLC進(jìn)行簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)置、查看和修改變量，降低調(diào)試和故障檢查的難度；可使用博圖TIA作為編程軟件，可應(yīng)用一切軟件專為此設(shè)備設(shè)計(jì)的新功能，包括硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)連接、上位機(jī)組態(tài)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(tài)軟件，可將simaticS7體系內(nèi)的大多數(shù)設(shè)備統(tǒng)一集成在一款軟件中進(jìn)行相應(yīng)的配置、編程和調(diào)試。各設(shè)備組態(tài)、配置和編程工作高度集成，各部分在組態(tài)環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的參數(shù)、變量以及在編程過(guò)程中使用的數(shù)據(jù)可以高度共享[5]；各部分的數(shù)據(jù)集成并統(tǒng)一管理，確保信息層、控制層、設(shè)備層之間所有數(shù)據(jù)成為一個(gè)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(guò)程中可自動(dòng)匹配通信雙方的相關(guān)協(xié)議和配置。

2.2.2 自控系統(tǒng)硬件布置

中央控制室在綜合樓內(nèi)，設(shè)置中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)2臺(tái)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器1臺(tái)，另設(shè)通用接口裝置、網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)、不間斷電源、系統(tǒng)監(jiān)控軟件、綜合信息化管理軟件等相關(guān)設(shè)備。

現(xiàn)場(chǎng)控制站布置在運(yùn)行生產(chǎn)設(shè)備附近，每個(gè)控制站均配備網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)及不間斷電源，見(jiàn)表1。

表1 控制站分布

進(jìn)水區(qū)IO站主要負(fù)責(zé)采集進(jìn)水水質(zhì)、進(jìn)水泵運(yùn)行情況、進(jìn)水流量等數(shù)據(jù)。生物區(qū)IO站負(fù)責(zé)采集回流污泥泵運(yùn)行情況、剩余污泥泵運(yùn)行情況、推流攪拌器運(yùn)行情況、二沉池刮泥機(jī)運(yùn)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(shù)據(jù)。

控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)為核心，采用1 000 M光纖工業(yè)以太網(wǎng)建立環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)PLC子站之間使用全雙工通信，主站與遠(yuǎn)程IO站之間使用半雙工通信控制系統(tǒng)。見(jiàn)圖1。

圖1 控制系統(tǒng)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.2.3 自控系統(tǒng)硬件組態(tài)

硬件組態(tài)是在計(jì)算機(jī)軟件中配置與硬件有關(guān)的所有信息，包括各模塊IP地址、設(shè)備名、各種參數(shù)以及其中各個(gè)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(jù)這些組態(tài)信息識(shí)別各模塊，配置各模塊參數(shù)、關(guān)聯(lián)映像存儲(chǔ)器與各模塊中的輸入/輸出通道上的數(shù)據(jù)以及通過(guò)CPU獲知總線上的各設(shè)備和需要通信的數(shù)據(jù)格式，在總線上周期性地訪問(wèn)各設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2.3 PLC程序設(shè)計(jì)

2.3.1 主要環(huán)節(jié)的控制邏輯

設(shè)備的控制邏輯需要針對(duì)特定的被控對(duì)象單獨(dú)設(shè)計(jì)，不過(guò)對(duì)于任何被控對(duì)象，都遵循“輸入決定狀態(tài)，狀態(tài)決定輸出”的原則{6}。

2.3.2 舊系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取

舊系統(tǒng)使用S7300系列PLC作為控制器，部分獨(dú)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(tái)組態(tài)，但舊系統(tǒng)設(shè)備點(diǎn)位多，工程量大且不符合新舊系統(tǒng)獨(dú)立的設(shè)計(jì)原則；后者不屬于博圖平臺(tái)，無(wú)法直接組態(tài)，使用KEPSERVER作為OPC服務(wù)器，通過(guò)OPC中轉(zhuǎn)建立博圖WINCC與PLC變量的關(guān)聯(lián)。

2.4 人機(jī)界面組態(tài)設(shè)計(jì)

所有人機(jī)界面的配置與設(shè)計(jì)均由博圖TIA實(shí)現(xiàn)。設(shè)置HMI設(shè)備與PLC之間的連接，根據(jù)實(shí)際情況選擇HMI設(shè)備與PLC的通信方式，確保PLC與HMI設(shè)備正常通訊。定義HMI變量，將提前規(guī)劃好的需要在人機(jī)界面顯示的變量統(tǒng)一輸入并將這些變量與PLC變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)。繪制HMI界面、設(shè)置控件報(bào)警和配方等，將其與HMI變量相關(guān)聯(lián)，使用畫(huà)面管理及控件實(shí)現(xiàn)畫(huà)面切換、數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警動(dòng)畫(huà)等功能。

設(shè)計(jì)好的監(jiān)控界面包括工藝流程、各工藝段監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警和事件管理。可以通過(guò)各工藝段監(jiān)控完成對(duì)運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視和遠(yuǎn)程操作；在歷史數(shù)據(jù)界面查看運(yùn)行數(shù)據(jù)并可以生成導(dǎo)出數(shù)據(jù)報(bào)表；在報(bào)警和事件管理界面可以查看設(shè)備狀態(tài)。

3 結(jié)論

1）系統(tǒng)可以準(zhǔn)確讀取、顯示污水處理廠原有設(shè)備與新增設(shè)備的數(shù)據(jù)、狀態(tài)，可實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，可按需求生成數(shù)據(jù)質(zhì)量報(bào)表供運(yùn)行人員參考或?qū)С觥?/p>

2）具備故障報(bào)警功能，可針對(duì)設(shè)備故障和PLC處理器故障做出報(bào)警，可生成設(shè)備運(yùn)行臺(tái)賬方便運(yùn)行人員排查故障。

3）運(yùn)行人員可以通過(guò)中控室操作員站或現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏遠(yuǎn)程操作設(shè)備、調(diào)整工藝運(yùn)行參數(shù)。

4）在自動(dòng)運(yùn)行模式下可實(shí)現(xiàn)纖維轉(zhuǎn)盤(pán)濾池的自動(dòng)運(yùn)行、三級(jí)提升泵池及出水泵池的液位自動(dòng)控制。

未來(lái)要繼續(xù)以污水處理廠降低能耗、改善水質(zhì)、節(jié)約人力成本為目標(biāo)、在設(shè)備運(yùn)行的精準(zhǔn)控制方面做進(jìn)一步研究。