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(tǒng)采用國際領(lǐng)先的城市凈水技術(shù)——超濾膜處理技術(shù)。系統(tǒng)主要運(yùn)行流程為：常規(guī)處理工藝的砂濾后水經(jīng)提升加壓后經(jīng)過自清洗過濾器，進(jìn)入超濾膜堆，由壓力差驅(qū)動(dòng)沿徑向由外向內(nèi)滲透過中空纖維膜絲，進(jìn)入膜纖維內(nèi)腔，再經(jīng)每個(gè)膜組件的產(chǎn)水端匯集到產(chǎn)水總管，最后輸送至清水池。膜堆定期進(jìn)行氣洗、反沖洗、維護(hù)性清洗和恢復(fù)性清洗。維護(hù)性清洗和恢復(fù)性清產(chǎn)生的酸堿廢水進(jìn)入中和池后加藥中和，然后排入到廠區(qū)的生產(chǎn)排放水處理系統(tǒng)[1]。如圖1所示：

圖1 超濾膜車間工藝流程圖

2 控制系統(tǒng)介紹

超濾膜過濾系統(tǒng)分為四個(gè)系列，共40個(gè)膜堆，各系列可以獨(dú)立運(yùn)行；超濾膜運(yùn)行全過程均由PLC控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全自動(dòng)運(yùn)行。

2.1 原水提升系統(tǒng)

共設(shè)12臺進(jìn)水提升泵。每臺進(jìn)水泵均配有變頻器、進(jìn)水壓力計(jì)、出水壓力計(jì)、電機(jī)震動(dòng)模塊、泵軸溫度傳感裝置，使每臺進(jìn)水泵的運(yùn)行得到有效監(jiān)控。水泵全變頻調(diào)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(wěn)定出水量。每臺泵組設(shè)一個(gè)PLC子站控制。

2.2 預(yù)處理系統(tǒng)

自清洗過濾器作為膜前預(yù)處理系統(tǒng)，對經(jīng)過提升后的原水在進(jìn)入膜堆前進(jìn)行過濾，共28臺，分為兩組。PLC根據(jù)壓差變送器的壓力設(shè)定值或過濾時(shí)間設(shè)定值全自動(dòng)調(diào)節(jié)過濾/清洗的頻次。每組自清洗過濾器由一個(gè)PLC子站控制。

2.3 超濾裝置系統(tǒng)

超濾膜處理車間共有40個(gè)膜堆，分為4個(gè)相互獨(dú)立UF系列（每個(gè)系列含10個(gè)膜堆），每個(gè)膜堆均配有進(jìn)出水流量計(jì)、進(jìn)出水壓力計(jì)、濁度儀、顆粒儀，使每個(gè)膜堆的運(yùn)行得到有效監(jiān)控。在保持總管壓力一定的范圍內(nèi)通過調(diào)節(jié)每套UF裝置的進(jìn)水閥門開度，分配各組膜堆進(jìn)水量，進(jìn)而控制每個(gè)膜堆的產(chǎn)水量。每2個(gè)膜堆由一個(gè)PLC子站控制。

另外，4個(gè)相互獨(dú)立UF系列各設(shè)一個(gè)PLC控制主站，負(fù)責(zé)各自系列總管相應(yīng)閥門的控制和在線監(jiān)測儀表的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)用于各自系列下的膜堆PLC控制子站與中央監(jiān)控管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸通信。

PLC控制主站采用冗余機(jī)制方式，兩個(gè)獨(dú)立工作的冗余CPU通過同步光纖進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)同步，任何一方出現(xiàn)硬件或通信故障，另一方仍可接管整個(gè)控制任務(wù)，最大限度地降低生產(chǎn)停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 物理清洗系統(tǒng)

共設(shè)8臺反洗泵、4臺反洗過濾器和8臺羅茨風(fēng)機(jī)，反洗泵和羅茨風(fēng)機(jī)均為變頻控制。為保持合理的運(yùn)行跨膜壓差，膜堆需定期進(jìn)行物理清洗。

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

每2臺羅茨風(fēng)機(jī)（1用1備）設(shè)一個(gè)PLC子站控制。共4套羅茨風(fēng)機(jī)控制子站，分別對應(yīng)ABCD 4個(gè)膜系列。

2.5 配藥投加系統(tǒng)

共設(shè)5種藥劑儲(chǔ)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(xué)清洗所用藥劑，并通過加藥泵輸送至化學(xué)清洗罐或中和池。配藥由PLC根據(jù)配藥濃度自動(dòng)完成。

每種藥劑儲(chǔ)液罐、2臺卸藥泵和4臺加藥泵輔以液位計(jì)、液位開關(guān)、流量計(jì)等設(shè)備組成一套配藥投加系統(tǒng)，設(shè)一個(gè)PLC子站控制。

2.6 化學(xué)清洗系統(tǒng)

共4個(gè)化學(xué)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(tǒng)過來的藥劑儲(chǔ)存調(diào)合后，輸送至膜元件或中和池?；瘜W(xué)清洗分為維護(hù)性清洗（CEB）和恢復(fù)性清洗（CIP），由PLC定期自動(dòng)啟動(dòng)完成。共4套化學(xué)清洗系統(tǒng)，分別對應(yīng)4個(gè)膜系列。

2.7 公用設(shè)備系統(tǒng)

公用設(shè)備控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)進(jìn)水吸水井相關(guān)儀表設(shè)備、兩臺空氣壓縮機(jī)及相關(guān)儀表設(shè)備以及提升泵房內(nèi)排水泵的監(jiān)控，同時(shí)負(fù)責(zé)對原水水質(zhì)監(jiān)測的余氯儀、濁度儀、pH計(jì)、電導(dǎo)儀等在線儀表的數(shù)據(jù)采集。

另外，公用設(shè)備控制系統(tǒng)作為一個(gè)PLC控制主站，實(shí)現(xiàn)其下級PLC控制子站（主要為進(jìn)水提升泵控制子站和配藥投加控制子站）與中央監(jiān)控管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸通信。

公用設(shè)備PLC控制主站采用冗余機(jī)制方式，兩個(gè)獨(dú)立工作的冗余CPU通過同步光纖進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)同步，任何一方出現(xiàn)硬件或通信故障，另一方仍可接管整個(gè)控制任務(wù)，最大限度地降低生產(chǎn)停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

2.8 中和池設(shè)備控制系統(tǒng)

超濾膜堆在化學(xué)清洗后，廢液排入中和池，進(jìn)行在線加藥中和處理。設(shè)一個(gè)PLC控制子站，主要實(shí)現(xiàn)中和池排水泵、電動(dòng)閥門的監(jiān)控和相關(guān)儀表的數(shù)據(jù)采集。

各個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上由應(yīng)用層、控制層、設(shè)備層共三層模型構(gòu)建。各層間具有相對獨(dú)立性，應(yīng)用層與控制層之間通過TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；控制層與現(xiàn)場設(shè)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(jìn)行信號采集和數(shù)據(jù)傳輸；通過多種通信方式構(gòu)成信息化、智能化、綜合化的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

3 PLC設(shè)備選型

上述控制系統(tǒng)中共計(jì)5個(gè)PLC控制主站和52個(gè)PLC控制子站[2]。其中，控制主站選用PCS 7 SMART產(chǎn)品系列，控制子站選用S7-1200產(chǎn)品系列。

3.1 控制主站

PCS 7 SMART產(chǎn)品系列，是一款高經(jīng)濟(jì)性、功能強(qiáng)大的過程控制系統(tǒng)[3]。本項(xiàng)目5個(gè)PLC控制主站中，中央處理單元選用AS 410 SMART，在線儀表數(shù)據(jù)采集選用通信模塊CP 341-RS422/485，I/O設(shè)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(yōu)勢：功能強(qiáng)大——高達(dá)450MHz的運(yùn)算主頻、48MB的裝載內(nèi)存和 8MB的工作內(nèi)存，輕松應(yīng)對各種復(fù)雜的控制任務(wù)；靈活組網(wǎng)——兩個(gè)獨(dú)立的PROFINET IO接口提供冗余環(huán)網(wǎng)管理RM功能，一個(gè)PROFIBUS DP接口可連接多達(dá)48個(gè)PROFIBUS DP從站，可輕松滿足系統(tǒng)總線和現(xiàn)場總線的各種組網(wǎng)需求[3-4]。

基于AS410 SMART靈活組網(wǎng)這一優(yōu)點(diǎn)，通過兩個(gè)獨(dú)立的PROFINET IO接口連接兩層環(huán)網(wǎng)，通過PROFIBUS DP接口連接現(xiàn)場I/O模塊，組成一個(gè)高性能、多功能的控制主站系統(tǒng)。

3.1.2 通信模塊：CP 341-RS422/485

通信模塊CP 341-RS422/485通過點(diǎn)到點(diǎn)連接進(jìn)行快速高性能數(shù)據(jù)交換，可加載Modbus RTU協(xié)議，作為主站或從站進(jìn)行通信?？刂浦髡局羞x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(jì)、電導(dǎo)儀等在線儀表數(shù)據(jù)。

3.1.3 I/O設(shè)備模塊

ET200PA分布式I/O站，通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線與AS 410 SMART連接。本項(xiàng)目控制主站中選用接口模塊IM650，I/O模塊根據(jù)信號點(diǎn)數(shù)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(chǎn)品，設(shè)計(jì)緊湊、組態(tài)靈活、具有功能強(qiáng)大的指令集和可擴(kuò)展性，充分滿足中小型自動(dòng)化的系統(tǒng)[5-6]。

本項(xiàng)目52個(gè)PLC控制子站中，中央處理單元選用S7-1200 1215C，在線儀表數(shù)據(jù)采集選用通信模塊CM 1241-RS485，I/O設(shè)備根據(jù)信號點(diǎn)數(shù)分布和30%備用配置考慮。

4 通信網(wǎng)絡(luò)

在多個(gè)獨(dú)立的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，如何組建安全可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，對于實(shí)現(xiàn)中央監(jiān)控管理系統(tǒng)一體化監(jiān)控有著十分重要意義。

4.1 網(wǎng)絡(luò)組成

北部水廠超濾膜自動(dòng)控制系統(tǒng)組成了一個(gè)雙層的100M冗余型光纖工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的快速穩(wěn)定性。第一層為主站環(huán)網(wǎng)，第二層為子站環(huán)網(wǎng)，兩層環(huán)網(wǎng)通過具有雙CPU雙網(wǎng)絡(luò)冗余機(jī)制的控制主站PLC（AS 410 SMART）進(jìn)行連接。

第一層環(huán)網(wǎng)由5個(gè)控制主站（公用設(shè)備主站和4個(gè)超濾系列控制主站）與連接超濾中央監(jiān)控管理系統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)冗余型光纖交換機(jī)組成。

第二層子站環(huán)網(wǎng)包括有：5個(gè)超濾膜堆控制子站、1個(gè)反洗泵控制子站、1個(gè)氣洗風(fēng)機(jī)控制子站和1個(gè)化學(xué)清洗控制子站。

各個(gè)環(huán)網(wǎng)均設(shè)置冗余，各控制主站的下級環(huán)網(wǎng)相對獨(dú)立，當(dāng)某個(gè)下級環(huán)網(wǎng)子站設(shè)備故障時(shí)，其余下級環(huán)網(wǎng)子站不受影響；當(dāng)某個(gè)上級主站設(shè)備故障時(shí)，下級各環(huán)網(wǎng)子站設(shè)備仍可繼續(xù)工作而不影響整個(gè)工藝過程控制。

4.2 控制主站雙CPU冗余機(jī)制

控制主站PLC配置2個(gè)AS 410 SMART,具有雙CPU雙電源雙網(wǎng)絡(luò)的雙機(jī)熱備/容錯(cuò)系統(tǒng)。雙控制器熱備為硬件冗余，主從機(jī)架的IP地址、總線地址設(shè)置完全相同，不隨主從機(jī)架切換而改變。冗余切換條件：機(jī)架電源斷電、CPU故障、機(jī)架內(nèi)任何模塊故障、以太網(wǎng)模塊斷線連接、總線模塊斷線連接、人工手動(dòng)切換[3-5]。冗余模塊間通過高速光纖進(jìn)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(yù)。

各控制主站監(jiān)控相應(yīng)設(shè)備外，還負(fù)責(zé)下級控制子站與中央監(jiān)控管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通信?？刂浦髡倦pCPU冗余機(jī)制為網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供了可靠的保證。

4.3 與廠內(nèi)現(xiàn)有工控網(wǎng)絡(luò)通信

超濾膜控制系統(tǒng)作為北部水廠現(xiàn)有生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，需與原有生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

在超濾膜中央監(jiān)控管理系統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)（主站環(huán)網(wǎng)）交換機(jī)上，設(shè)置一個(gè)AB Contrologix 1756系列的PLC處理器，配備雙網(wǎng)口，其中一個(gè)IP設(shè)原有工控網(wǎng)段，另一個(gè)IP設(shè)超濾膜系統(tǒng)網(wǎng)段，接入至我廠生產(chǎn)監(jiān)控原有光纖主干環(huán)網(wǎng)，用作我廠現(xiàn)有生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)（AB）與超濾膜控制系統(tǒng)（西門子）通信用PLC，成為北部水廠一期工程生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。

整體上，北部水廠超濾膜系統(tǒng)與廠現(xiàn)有生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)組成一個(gè)三層環(huán)網(wǎng)的拓?fù)浼軜?gòu)，系統(tǒng)通信快速穩(wěn)定、安全可靠。

5 中央監(jiān)控管理系統(tǒng)

中央監(jiān)控管理系統(tǒng)包含有1臺工程師站、2臺操作員站和2臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。各控制主站向中央監(jiān)控管理系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)，并接受監(jiān)控管理系統(tǒng)發(fā)出的開停機(jī)命令。

5.1 數(shù)據(jù)庫管理

中央監(jiān)控管理系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器的系統(tǒng)方案，2臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器互為冗余機(jī)制，如果其中一臺服務(wù)器發(fā)生故障，另一臺將接管整個(gè)系統(tǒng)控制。發(fā)生故障的服務(wù)器恢復(fù)正常運(yùn)行時(shí)，所有的消息和過程值歸檔都將復(fù)制到恢復(fù)運(yùn)行的伙伴服務(wù)器中。確保了客戶端操作控制與畫面顯示的連續(xù)性保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全。服務(wù)器采用三網(wǎng)卡連接方法，分別用于連接上位機(jī)、控制站和作為冗余服務(wù)器同步接口。

5.2 監(jiān)控軟件介紹

超濾膜中央監(jiān)控管理系統(tǒng)的監(jiān)控軟件為PCS7下的WinCC 7.3完全版。WinCC采用基本系統(tǒng)+選件方案，具有強(qiáng)大的可擴(kuò)展性。WinCC 基本系統(tǒng)已集成過程監(jiān)控、與PLC等設(shè)備通信、報(bào)警功能、趨勢功能、歸檔系統(tǒng)、報(bào)表系統(tǒng)、用戶管理系統(tǒng)等。功能擴(kuò)展選件主要有[7-8]：

·WinCC/Server，用于組態(tài)功能強(qiáng)大的客戶端/ 服務(wù)器系統(tǒng)；

·WinCC/Redundancy ，通過冗余構(gòu)架提升系統(tǒng)可用性；

·WinCC/IndustrialDataBridge，通過組態(tài)方式實(shí)現(xiàn)WinCC系統(tǒng)與IT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換；

·WinCC/Web Navigator，通過Internet、公司內(nèi)網(wǎng)或局域網(wǎng)，對工廠進(jìn)行監(jiān)控；

·SIMATIC ProcessHistorian ，對整個(gè)工廠的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的、集中的長期歸檔；

·SIMATIC Information Server，基于Web網(wǎng)絡(luò)，通過歸檔數(shù)據(jù)生成各種報(bào)表。

5.3 上位機(jī)監(jiān)控界面

該系統(tǒng)采用SIMATIC WinCC Explorer7.3數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，人機(jī)界面友好，構(gòu)筑物和設(shè)備模型以3D形式展示，整體畫面風(fēng)格與現(xiàn)有生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)一致。

5.3.1 畫面組成

超濾膜中央監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控界面為一個(gè)三級界面監(jiān)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(fēng)機(jī)、清洗系統(tǒng)、投加系統(tǒng)、中和系統(tǒng)、儀表空壓系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)、電量監(jiān)控、趨勢系統(tǒng)、歷史報(bào)警、實(shí)時(shí)報(bào)警、報(bào)表系統(tǒng)共二十個(gè)。

5.3.2 趨勢曲線

上位機(jī)監(jiān)控界面可查看設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和水質(zhì)工藝參數(shù)的趨勢曲線。操作人員可以在界面中可選取需要分析的數(shù)據(jù)，靈活調(diào)整趨勢顯示的時(shí)間和范圍，在界面生成趨勢曲線。這些數(shù)據(jù)以表格的形式在趨勢圖下方顯示并可輸送至打印機(jī)上打印。

5.3.3 報(bào)警功能

上位機(jī)監(jiān)控界面中可查看系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的報(bào)警，包括實(shí)時(shí)報(bào)警和歷史報(bào)警。報(bào)警可根據(jù)安全等級發(fā)出報(bào)警聲音通知值班人員。報(bào)警根據(jù)時(shí)間順序降序排列，以列表形式顯示。

5.3.4 報(bào)表功能

上位機(jī)監(jiān)控界面可將數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以報(bào)表形式進(jìn)行查詢，操作人員可以選擇時(shí)間日期和所需查詢的數(shù)據(jù)，以日報(bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表形式輸送至打印機(jī)打印出來。

6 結(jié)論

北部水廠超濾膜系統(tǒng)采用先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)，生產(chǎn)過程全工藝由PLC全自動(dòng)控制，各項(xiàng)硬件和軟件功能完善，由中央監(jiān)控管理系統(tǒng)實(shí)行集中統(tǒng)一監(jiān)控，自2019年9月投入使用以來，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，是一個(gè)高效、先進(jìn)、智能的自動(dòng)化監(jiān)控管理系統(tǒng)。