ＨＭＩ及ＰＬＣ控制系统 城市污水处理厂的自控系统设计 李晓尚１．２，袁 芳’，王明炜’，李召军’ （１．中环保水务投资有限公司，北京１０００２２；２．中环水务建设有限公司，北京１０００２２） 摘要：结合工程实例，介绍城市污水处理厂自控系统的方案构成、设计原则及技术要求，实现可靠性高、控制灵 活、扩展容易的自动化污水处理系统，以降低污水处理厂直接运行成本，保证水厂的有效运行。 关键词：污水处理；自动控制；ＰＬＣ １设计原则 污水处理厂的自控系统主要由ＰＬＣ和上位机组 成的监控系统、现场仪表采集系统以及防雷接地系统 三部分组成 系统配置和功能设计按各工艺处理阶段 “现场无人值守．中控少人操控”的原则进行．并遵循 如下要求： （１）高可靠性：具有完整的自诊断功能，且上位机 监控软件具有冗余和容错及灾难性恢复等功能．整个 控制系统通信网络采用以太网环网拓扑结构 （２）灵活性：根据污水处理工艺流程，采用模块化 设计．分层分布式结构．各个部分之间既相互又 相互联系；扩展方便，可用性、可维护性好。 （３）实时性：现场所有设备的启停、运行状态以及 整个污水处理厂各工艺环节的运行参数均可由中控 室实时、动态监控，滞后时间短。 ２系统方案 ２．１监控层 ２．１．１ ＰＬＣ控制站 现场ＰＬＣ控制站的主要功能： （１）根据编好的逻辑控制程序，对全场设备的运 行状况进行监控 （２）接收中控人员通过上位机下发的控制指令． 按照已编好的逻辑控制程序对现场设备进行启停控 制。 （３）统计全场各个设备的运行时间和故障次数．以 备技术人员进行分析 （４）采集全场各个工艺环节的运行参数。 ２．１．２上位机监控站 上位机监控站的职能是通过与ＰＬＣ控制站通信． 作者简介：李晓尚（１９６８一），高级工程师，总工，研究方向 为城镇污水处理领域的工艺技术及自动化控制系统。 收稿日期：２０１４一ｌ１—１６ 把ＰＬＣ监控到的现场设备的运行状态和运行参数在 画面中实时、动态地显示出来Ⅲ：同时根据需要。可以 对现场设备进行启停操作和运行参数设定 具体功 能： （１）根据ＰＬＣ控制站采集到的全厂各个工艺环节 的运行参数值和设备运行状态信息．建立信息库并将 相应工艺参数作出趋势曲线（含历史数据），供调度员 分析比较，以便找出事故原因，改进管理方法；保证出 水水质．提高污水处理厂的经济效益。 （２）自动生成生产报表．并可进行打印和存储供 生产管理使用 （３）绘制图标和曲线．如水量及水位变化过程曲 线、参数时序曲线、计量累积曲线、事故报警总表等。 （４）现场设备控制柜的转换开关打到“自动”位置． 可以根据需要对现场设备进行远程启停操作 （５）按照工艺要求有联锁条件的设备．在现场控 制箱在自动的情况下．且已与控制室界面选择的 相应设备联锁时．可以根据工艺设定值自动运行。 ２．２数据采集层 在全场的每个工艺环节安装先进、可靠的仪器仪 表，对相应工艺环节的运行参数进行采集和分析．把 得出的数据值传送给现场ＰＬＣ控制站．并通过ＰＬＣ 控制站传送给上位机系统．从而在上位机画面上实 时、动态地显示出来，供中控人员分析．为中控人员调 整现场的工艺流程提供依据．使污水处理厂更好地运 行。 ２．３防雷接地层 防雷接地分为两个概念：防雷．防止设备因雷击 而造成损坏；静电接地，防止静电产生危害。 全场防雷接地包括： （１）工厂防雷：即主厂房防雷，主要基础打接地 极、接地带，形成一个接地网，接地电阻小于１０ｎ。再 与主厂房的钢筋或钢构的主体连接：水泥混凝土屋顶 接避雷带或避雷针．墙外地面留有接地测试点．钢构 应用镀锌扁铁直接引到屋顶 自动化应用；２０１５ ｉ ４期 ５２ ＨＭｌ及ＰＬＧ控制系统 （２）供电系统接地．分为保护接地和工作点接地。 保护接地为带电设备外壳接地 工作点接地指零线接 地．接地网做法与避雷接地方式一样，接地电阻小于 ４Ｑ。如达不到要求，则应加接地极，条件不好的．应加 电解物及（或）更换土壤。工作接地和保护接地在配电 室引出．系统可并为一个。 （３）仪器仪表接地系统，接地电阻小于１ｎ，不能 与防雷接地连接 （４）防静电接地，如等，每隔（弯头）３５ｍ就得 有一处可靠接地（可系统也可），电阻小于３０Ｑ。 ３网络结构 整个系统的通信主要包括中控上位机和现场 ＰＬＣ控制站之间的通信以及现场ＰＬＣ控制站之间的 通信 控制系统的通信网络采用以太网环网的拓扑结 构［２］．可以保证上位机和ＰＬＣ控制站之间、各ＰＬＣ控 制站之间通信的高安全性和可靠性，如图ｌ所示。 图１控制通信网络拓扑图 ４系统技术概况 ４．１防护等级 在室内地面上的设备的防护等级为ＩＰ ５４．在户 外的设备的防护等级为ＩＰ６５．安装在水中或者井内设 备的防护等级为ＩＰ６８。 ４．２技术要求 （１）整个控制系统采用工业以太网通信，环网拓 扑结构．通信波特率不小于１００Ｍｂｐｓ．系统自恢复时 间小于３００ｍｓ，通信距离（无中继器）不小于１０００ｍ，网 络介质为直埋光缆．在出现故障时。可在线增加或删除 任意一个节点．都不会影响整个网络的通信及稳定。 （２）控制系统具有完整的自诊断功能，可以在运 行中自动地诊断出系统的任何一个部件是否出现故 障．并在上位机监控软件中及时、准确地反应出故障 状态、故障时间、故障地点及故障描述等相关信息。在 系统发生故障后．Ｉ／Ｏ的状态应返回到系统根据工艺 要求预设值的状态上 ５３ 、＾ｎ＾ｎ＾ｆ．ｃｈｉｎａｃａａａ．ｃｏｍ；自动化应用 （３）状态及报警指示数字信号：２４ＶＤＣ或２２０ＶＡＣ。 （４）控制的数字信号：２４ＶＤＣ或２２０ＶＡＣ。 （５）非现场总线型检测、控制仪表或者设备应能 在下列信号类型工作：控制及监控的模拟信号，４～ ２０ｍＡＤＣ电流信号：状态及报警指示的数字信号．０～ ２４ＶＤＣ电压信号；控制的数字信号：０～２２０ＶＡＣ。 （６）为了保证在污水处理厂扩建时满足扩建后整 个控制系统的要求．控制系统应具有较强的扩展能 力：操作系统监控软件具有冗余和容错及灾难性恢复 等功能。 ４－３系统控制功能要求 所有现场设备都具有三种操作模式： （１）就地操作模式：设备的现场操作箱的“就地／远 程”选择开关旋转到“就地”方式时．通过现场操作箱 上的启停操作按钮，可以实现对该设备的启停操作。 （２）远程手动操作模式：现场操作箱的“就地／远 程”开关旋转到“远程”方式时，操作人员通过触摸屏 或者上位机操作站的监控画面用鼠标或者键盘可以 对设备进行启停操作 （３）远程自动操作模式：现场操作箱的“就地／远 程”开关旋转到“远程”方式．且触摸屏的“手动／自动” 设定为“自动”方式时．完全由各ＰＬＣ根据污水处理厂 的工况及生产要求来完成对设备的启停控制 无论现场设备处于上述何种工作模式．现场人员 在任何紧急情况下．都可以在操作箱上拍“急停”按钮 对该设备进行紧急停止 ５工控硬件及软件 ５．１ ＰＬＣ ＰＬＣ采用西门子的Ｓ７系列。ＰＬＣ的输入输出控 制点要留有１５％～２０％的余量。网络配置灵活，除了产 品本身的总线形式之外．还应支持包括Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＤＰ、 ＣＡＮｏｐｅｎ、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ、ＡＲＣＮＥＴ、Ｍｏｄｂｕｓ在内 的多种通信协议．并可以通过多种网络形式和其他系 统连接 ＣＰＵ可以支持６４～２５６ ＫＢ的内存容量．并可以 通过外插ＳＤ存储卡等形式扩展存储空间 ５．２网络交换机 采用具有网管功能的符合ＩＥＥＥ８０２．３标准的模 块化交换机．存储转发交换模式。交换机具有ＳＮＭＰ／ ＷＥＢ网络管理功能．支持ＳＮＭＰ ＴＲＡＰ自动故障报 警，允许采用ＯＰＣ方式将网络设备的状态信息传递到 ＨＭＩ／ＳＣＡＤＡ软件中 （下转第５７页） ＤＣＳ控制系统 塔修复后，需要将其投入正常运行。但投入的时机不 对将引起较大的波动，甚至出现故障。该系统能够自 动找到最佳状态恢复，使系统波动最小。 员明白对工厂造成的影响．也便于维护人员快速实施 故障分析及修复 系统报警信息从ＡＳ传输到操作员站．时间标记 在ＡＳ中完成．对于出故障的测量设备．可以在操作 ４自适应随动调节控制 装置中有三个手操调节阀：终充调节阀ＨＶ一２０２、 员站禁止其信息状态 所有新传入信号将按年代顺 序显示在监视器上，随信息显示的还有标签、描述和 顺放冲洗调节阀ＨＶ一２０１和逆放调节阀ＰＶ一２０４Ａ 终 充调节阀ＨＶ一２０２用于调节终充步位的气体流量．控 制终压步位升压速度的平稳．减小气流对吸附剂的冲 状态。可以对每个信息逐个确认，也可以组的方式进 行确认。进行组确认时．只接受可见的警报／信息。单 击位于传人警报列表左上角的按钮．可以同时确认 所有的信息：单击位于传人警报列表左上角的按钮， 击而造成磨损：顺放冲洗调节阀ＨＶ一２０１用于控制冲 洗步位的顺放气流量的平稳．从而达到更好的再生效 果：逆放调节阀ＰＶ一２０４Ａ用于控制解析气的流速，有 利于解析气的平稳 为保证吸附塔的自动切换和恢 复，控制系统通过对温度、吸附塔顶压力、流量、阀位 等主要数据的检测．实现顺放冲洗流量控制、终冲流 量控制、逆放流量控制等自适应调节控制．使整个制 氢系统处于最优的生产状态 可以单个确认信息。对于信号的确认，可在任何需要 的操作员站接受．而且对所有的站点都有效。通过任 一副画面可监控所有系统报警信息．特有的“ｌｏｏｐ ｉｎ ａｌａｒｍ（报警回路）”功能可以从信息页面直接跳转到 报警点 参考文献 ［１］罗豫东．ＤＣＳ在宝钢苯加氢系统改造中的应用［Ｊ］．燃料 与化工，２００４，３５（１） ［２】李耀刚．变压吸附提氢工艺的优化［Ｊ】．化肥设计，２００９， ４７（３） ５智能故障报警系统 在线监控和测试例程不断地检查系统是否正常． 以及功能和板卡／模块的故障．通过ＡＳ单元的指示灯 显示，并以文字方式输出到操作员站的屏幕上， 同时生成故障警报的打印输出。信息全面，便于操作 （上接第５３页） 交换机应具有高度的实时性．最大收发延迟不超 过１５ ｓ，支持基于端ＥＩ的ＶＬＡＮ设置、ＩＧＭＰ Ｓｎｏｏｐｉｎｇ ［３］李振光．制氢工艺变压吸附技术在ＤＣＳ上的实现［Ｊ】． 化工自动化及仪表，２００４，３１（５） ５．４工业监控管理计算机 （１）主机配置：Ｉｎｔｅｌ酷睿ｉ３ ２１２０：ＣＰＵ频率：３３００ＭＨｚ； 内存容量：２ＧＢ ＤＤＲ３ １３３３ＭＨｚ：硬盘容量：５００ＧＢ ７２００转；ＳＡＴＡ显卡芯片：Ｉｎｔｅｌ ＨＤ ２０００；共享内存容 量光驱类型：ＤＶＤ—ＲＯＭ。主机具有一个以太网网口， 二个串行口和一个ＵＳＢ口 （２）选用２１”Ｔ丌液晶显示器或设备采购时的最 新型号和最佳配置 组播管理、ＩＥＥＥ８０２．３Ｘ流控制和ＳＮＴＰ协议（简单网 络时间协议）．无风扇散热方式．工作温度为０～６０ｑｃ。 ５．３电源 供电方式：２２０ＶＡＣ采用在线式、全隔离型、连续 双转换、自动旁路切换的ＵＰＳ，蓄电池续流能力为１ｈ 以上：２４ＶＤＣ配置直流稳压电源。 ５．５ ＰＬＣ编程软件 编程软件采用ＳＴＥＰ ７－Ｍｉｃｒｏ／ＷＩＮ和ＳＴＥＰ ７－Ｖ． 前者为Ｓ７—２００的编程软件．后者为Ｓ７—３００的编程软 件 可以根据工艺流程要求进行编程．及对程序进行 在断电故障情况下．或主电源不符合规定要求 时．为了避免设备的破坏或扰动．保证控制系统能够 不中断监控任务．在分控室和中控室设置ＵＰＳ。ＵＰＳ 为在线式、静态整流器／逆变器型、全隔离型、连续双转 换，能够提供３０ｍｉｎ供电。 ＵＰＳ可安装在控制柜内．为控制柜内设备和现场 在线监控和修改 ５．６上位机监控软件 ＳＣＡＤＡ软件采用西门子的ＷｉｎＣＣ ６．２亚洲版 ＷｉｎＣＣ集生产自动化和过程自动化于一体．实现了相 互之间的整合 ＷｉｎＣＣ上位机软件支持多种通信协 自控和仪表设备供电 各个ＵＰＳ电源必须对本区域全部用电设备进行 供电。根据实际要求配置合适容量的ＵＰＳ电源，应有 不小于２０％的余量。ＵＰＳ配置：控制室，２ｋＶＡ、 ０．５ｈ、在线式：现场控制站。２ｋＶＡ、０．５ｈ、在线式；化验 室、细格栅，ｌｋＶＡ、０．５ｈ、在线式。 ５７ ｉ、＾ｎ＾ｆⅥｆ．ｃｈｉｎａｃａａａ．ｃｏｍ ｌ自动化应用 议．除了与西门子的Ｓ７系列ＰＬＣ进行通信之外，还支 持通过ＯＰＣ协议与其他厂家的ＰＬＣ进行通信。此外， 还支持多种高级语言进行后台开发进行画面组态
