profibus-dp现场总线在污水处理厂中的应用

profibus-dp现场总线在污水处理厂中的应用

1现场总线技术的发展历程随着污水处理厂日处理规模的逐渐扩大，废水处理厂的运营重要性越来越受到关注。成功的自控系统,应能做到在无人值守时使生物浓度、反应时间、流量顺序等主要指标符合特定生产工艺的要求,生产过程长时间连续稳定地运行。每运营一段时间,技术人员根据污水水质、生产设备等要素的变化,修订控制逻辑,适应新的情况,达到契合工艺、节能降耗、减少操作人员的目的。检测数据和控制信号的传输是自动化系统的关键环节。它依赖于遵循各种协议的网络,主要指现场总线网和以太网。现场总线技术肇始于20世纪80年代,按照国际电工委员会的标准,现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。它是用于制造自动化和过程自动化中的,实现智能化现场设备与高层设备之间互联的,全数字串行双向的通信系统。自20世纪90年代后,现场总线技术迅猛发展,全世界产生的现场总线多达数十种。国际电工委员会历时12年,于2000年1月正式公布了IEC61158现场总线的全部技术标准。受各大厂商商业利益争夺的制约,该标准并未实现现场总线技术的完全统一,而是容纳了8种应用最多的现场总线通信协议,它们之间几乎是互不兼容的。现场总线协议长期难以统一,迟滞了它的发展。而以太网以其成熟的技术、低廉的成本、开放而且统一的标准和高传输速率,弥补了现场总线技术的一些缺陷。以之为基础衍生的工业以太网迅速确立了在自动化领域的地位,在自动化系统的车间监控层及工厂管理层现场总线具有明显的优势,现已成为首选的应用技术。由于现场总线是专为工业现场层设备通信而设计的,是为自动化量体裁衣的技术,因此在实时性、确定性和可靠性要求高的场合,现场总线的位置仍不可替代。所以,从目前至可预见的未来,现场总线和工业以太网相结合是工厂自动化的最佳方案。1.1profibus-dp概述污水处理是一种每周期持续时间长、多周期连续的物理—化学—生物反应过程,对这种比较复杂,物理和化学、生物待测指标较多的工艺过程,哪一种现场总线标准更加适合它呢?Profibus-DP是最优答案之一。它有以下特点:1.1.1Profibus-DP是完整的、开放的、领先的国际现场总线标准之一,具有高速实时、通信距离远、廉价等突出的优点,在世界范围内得到了广泛的应用。1.1.2现场级的Profibus-DP是ISO定义的现场总线国际标准,具备良好的开放性,符合Profibus-DP协议的任何设备均可以方便地接入该总线网络。1.1.3与常规技术相比,使用Profibus过程现场总线技术可以使硬件(其中包括电缆)、设计、安装调试和维修费用节省40%以上。Profibus-DP的性能使它可以应用于工业自动化的一切领域。除了安装简单外,它在各种现场总线中有几乎最高的传输速率,最高可达12Mbit/s。1.1.4Profibus的技术使得现场变送器或其他现场设备(如执行机构)可以以总线方式连接。Profibus-PA同时实现了对变送器或其他现场设备(如执行机构)等的供电和信号传输。通过DP/PA耦合器,将Profibus-DP和Profibus-PA有机地联在一起,从而构成了完整的Profibus过程现场总线体系。在这一点上,目前只有Profibus能实现,而其他类型的现场总线,由于技术上的局限性,只能实现Profibus的部分功能。1.2主要设备自动控制以Profibus-DP应用于现场设备层,光纤介质的工业以太网应用于车间监控层和工厂管理层的自控系统网络结构,在我国近几年建设的污水处理厂中获得了广泛的应用。于2005年设计,近期投入运营的河北省昌黎县污水处理厂,所采用的就是这样一条路线。该厂第一期处理规模为4万吨/日,含约60千米的市政配套管网。处理方式采用SBR法中的CASS法工艺。SBR即序列间歇式活性污泥法(SequencingBatchReactorActivatedSludgeProcess),在常见的污水处理技术中,该工艺对主要设备的自动控制水平要求较高。自控系统是否完善可靠,直接影响出水水质,间接影响设备使用寿命和工厂总能耗水平。全厂由粗格栅间、进水泵房、细格栅间、沉砂池、SBR池、鼓风机房、加氯间、接触池及污泥脱水机房等构成。该厂控制系统符合工厂自动化信息网络的分层结构,即分为工厂管理级、车间监控级和现场设备级。每一级(层)包括节点和网关,每一层的网关又构成上面一层的节点。现场设备级的节点就是位于整个工厂自动化系统最底层的各种检测仪表和生产设备上的通讯模块。该级采用上述的Siemens的Profibus-DP现场总线,车间监控级采用100M光纤冗余的工业以太网;工厂管理级采用部分光纤和部分双绞线为介质的标准以太网。整个系统由1个中心控制室、1个现场PLC控制主站及4条Profibus-DP远程I/O链路组成。具体是:DP(1)、DP(2)、DP(3)、本地DP链路。现场控制站对全厂各过程进行分散控制,再由中心控制室实行集中管理。现场PLC主站与4条Profibus-DP远程I/O链路之间通过环形Profibus-DP现场总线进行通讯,光纤介质传输速率为9.6k到12Mbps。2独立系统的组成2.1监控系统性能要求昌黎县污水处理厂自控系统的设计,基于“集中管理,分散控制”的模式,着眼于“管控一体化”,建立一个稳定、高效、安全且便于进一步扩充的集过程控制、监视和计算机调度管理于一体的监控系统,完成对整个工艺过程及全部生产设备的监测与自动控制,达到“现场无人值守,总站少人值班”的目标。整体性能满足如下要求:(1)可靠性。整个系统采用模块化设计,分层分布式结构,控制、保护、测量之间既互相独立又互相联系。(2)经济性。系统具有较高的性能价格指标,主要设备全部进口国际上的成熟产品,国产设备也选用一线大品牌的主流产品,价格适中。(3)实用性。系统设计多个控制层面,既考虑正常工作时的全自动化运行,又考虑了多种非正常运行状态下的配置策略。2.2远程控制策略本厂自控系统控制原则为:就地手动控制优先。在此基础上,设置远程遥控和自动控制。控制级别由高到低为:现场手动控制、就地检修控制、遥控控制、自动控制。使用时间最多的是自动控制方式。2.3数、电气设备运行状态监测和报警昌黎县污水处理厂自控系统对全厂工艺参数、电气参数和设备运行状态进行监测、控制、连锁和报警以及报表打印。系统提供了友好的人机界面,具备如下功能:2.3.1显示总工艺流程图实时采集各个终端站传送的各类数据和信号;在彩色监视器(TFT)上显示总工艺流程图、分段工艺流程图、供电系统图、工艺参数、电气参数、电气设备运行状态等;调节回路显示,包括所有调节回路,可修改设定值、控制方式、调节参数等,并有实时趋势图便于进行PID回路整定。2.3.2控制站plc程序启动前控制装置开/停或无响应报警按控制程序对所辖工段内的工艺过程、电气设备进行自动控制,同时采集工艺参数,电气参数及电气设备运行状态;通过通信网络与中央控制室的监控管理系统进行通信,向监控管理系统传送数据,并接受监控管理系统发出的开停机命令;在操作屏上显示所辖工段的工艺流程图、工艺参数、电气参数及设备运行状态,通过键盘设定工艺参数,控制电气设备;现场控制站提供方便的自动控制,临界报警和连续的回路控制;非“自动”位置报警,在运行任何设备前,控制站PLC要检查设备的选择开关是否在“自动”位置,如果开关不在“自动”位置,控制站要设置一个错误信号,并暂停设备的控制,直到选择开关在“自动”位置;无响应报警,在任何时候,如果现场设备对控制站PLC的输出无响应(开/停或开/关超时不响应),控制站PLC要发出一个错误信号;为控制站PLC程序预置的值,可以通过中央监控站调整;设不间断电源,保证在停电故障时系统仍能安全可靠地运行。3操作和操作方式SBR法污水处理工艺具有以下特点:工艺过程简洁,基本实现无需搬运操作,进水、曝气、沉淀、排水、闲置5道程序可由PLC实现逻辑控制,运行的程序也可根据水质变化情况重新编排,使本来比较繁琐的操作变成全自动运行;造价低,占地少,不设置一沉池、二沉池,没有污泥回流系统,多数情况下也可不设调节池,因此可减少占地,降低造价;耐冲击负荷,污水逐渐进入池内,被池内的水缓慢稀释,污水与原池内的水的比例是逐渐提高的,所以耐水质变化的冲击;出水水质好,池内水在水平流速为零的理想静止状态下沉淀,沉淀效果好,沉淀排水时溶解氧接近零,抑制了丝状菌的生长,污泥沉淀性能好;SBR可实现连续进水,污水量较小时只需设置一个池子即可运行,省去了污水流量随时间变化分配的自动控制阀门,只设一台滗水器,池子结构形式也更为简单。3.1泵的运行控制逻辑正常情况下,有PLC控制定时(时间可人为设定)开停,粗格栅机运行之前先启动压榨机和皮带机,粗格栅机停止运行后皮带运输机继续运行30~60秒时间(可调),当压榨机或皮带运输机发生故障时粗格栅停止工作(见图1)。潜水泵受设置在粗格栅后的超声波液位计控制,由PLC根据液位信号控制污水泵的开停,根据每台泵运行时间实现轮换运行。另外在前液位设置高低浮球液位开关,前液位超高时报警,超低时报警并全部停泵。PLC接收所有故障信号,报警后做出相应处理(见图2)。在笔者所在公司运营的秦皇岛污水处理厂曾发现进水泵连续运行几小时后水泵的输出能力下降,通过重新启动水泵可以恢复原来的流量曲线。因此在提升泵的控制逻辑中加入泵的轮换开启和关闭是必要的,即需要增加运行泵时,优先开启累计运行时间最短的无故障泵;需要增加关闭泵时,优先关闭累计运行时间最长的泵,使所有泵的运行时间尽量平均化,避免长时间连续使用一台或几台泵。减少故障,延长泵的使用寿命。3.2砂水分离控制系统细格栅与螺旋压榨机、皮带输送机的联动顺序为:螺旋压榨机——螺旋输送机——细格栅;停止时,细格栅停运行后螺旋压榨机及螺旋输送机继续运行30~60秒时间(可调),当螺旋输送器或螺旋压榨机发生故障,报警并顺次停止细格栅运行(见图3)。完成砂水分离控制方法如下:正常情况下,定时开启排砂泵;当储砂池砂位到达设定值时,随时开启排砂泵。砂水分离器应与砂泵联动,排砂泵启动后,相应的砂水分离器随之启动,排砂泵停止运行后,砂水分离器也随之关闭。排砂泵和刮渣机由PLC完成一体化操作。2台吸砂桥由PLC控制间歇运行(运行间隔时间可人工设定)。砂水分离器与吸砂桥连锁:启动时,顺序依次为砂水分离器、吸砂桥,停车时相反;在吸砂桥停止运行之后砂水分离设备继续运行1~5分钟(可调),当砂水分离设备发生故障时停止运行吸砂桥。3.3控制系统主要的控制和检测设备有:滗水器、回流污泥泵、剩余污泥泵、潜水搅拌器、电动调节堰门、电动蝶阀等。滗水器设备自成系统,并与控制器通讯,实现设备启停,也可设定运行时间间隔。在远程自动模式下,回流污泥泵在曝气、沉淀、空闲阶段启动;在手动控制模式下,回流污泥泵在整个循环过程中都可运行,并可通过调节回流污泥管上的控制闸门开启度来调整回流污泥量的大小。在自动模式下,剩余污泥泵在滗水之后启动,15分钟后停止工作。此时可根据MLSS值更新排泥程序。在手动控制模式下,剩余污泥泵在整个循环过程中都可运行。3.4出风机及时启动鼓风机共3台,二用一备,每一组反应池对应一台鼓风机,PLC根据反应池中测得的DO值调节曝气池进气阀的开度,鼓风机的频率则根据出风压力进行调节。当某一鼓风机出现故障,自动报警通知管理人员,人工启动备用鼓风机。PLC接收所有故障信号,报警后做出相应处理。3.5检测仪器管道泵按设定的时间程序由PLC启动,亦可手动控制。在加氯间中设一台漏氯检测仪,漏氯检测仪有高低浓度开关输出,当检测到空气中氯气含量超标但仍为低浓度时开轴流风机;高浓度时启动氯气吸收装置并关闭轴流风机,同时发出报警信号,现场报警仪启动。PLC接收所有故障信号,报警后做出相应处理。3.6污泥泵的抑制此过程共设有1个贮泥池,采用长时曝气,PLC监测贮泥池的液位。4主要硬件设备昌黎污水处理厂由国内在给水排水技术上处于领先地位的华北市政设计研究院设计,首创爱华公司投资建设并运营。在我国近几年建设的污水处理厂中具有一定的代表性,尤其在自控系统上更为典型。笔者将自己所在公司运营的和收集到的其他近3年来建成的共8座污水处理厂的处理规模、现场总线类型、PLC、组态软件等资料列表(见表1)。这8家污水处理厂,基本都使用了A/A/O或SBR两种主流工艺,日处理量从4万吨到12万吨。由表1可见,组态软件的选用则呈现出相当分散的特征。8座污水处理厂几乎使用了8种不同的组态软件,没有一种占明显优势。这应该与各种上位机组态软件功能极为相似,对现场层和工艺过程的直接影响较小有关。检测仪表、PLC、工控机(PC机)和组态软件是污水处理厂自控系统中最主要的4部分。Profibus-DP现场总线和光纤工业以太网确定下来以后,就该选择这4部分设备了。检测仪表由工艺决定。PLC方面,SiemensS7-300/400系列在市场占有率上有绝对优势,这意味着该型号的PLC在国内备品、备件充足,没有断货之虞。同时,Profibus-DP的提出