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过程监控系统在绍兴污水处理的应用

过程监控系统在绍兴污水处理的应用

2006/7/27 9:13:00
自动化、信息化是为企业工艺及管理的实现服务的。全集成自动化过程控制系统,提供了污水处理全过程数据存储、通讯和组态三者的统一性功能,它们的易扩展性、灵活性和开放性使之能广泛地应用于水处理行业。本文介绍了新一代的过程控制系统Simatic PCS7,以及大屏幕显示系统、CCTV监控系统在绍兴污水处理厂自控系统中的应用。   一、 概述   绍兴污水处理厂扩建工程的设计处理规模为30万吨/日,该工程主要负责接受并处理绍兴市区、绍兴县城和企业排放的生产污水和城镇生活污水,污水中以印染污水为主,约占总进水的85%以上。由于来自各个印染企业的污水水质有很大差别,使得进入厂区的水质很复杂。因而,仪表种类繁多且使用了大量的分析仪表是本工程的一个特点。据该设计要求,本工程采用了意大利的印染污水处理工艺技术“新型氧化沟”。采用了SIMATIC PCS7新一代过程控制系统,整个系统信号处理和传输高速可靠,控制系统算法优化多样,人机界面功能强大,生动简洁。同时,在厂区配置了CCTV监控系统,在中央控室内安装了大型背投显示屏,可以在中控室浏览到全厂的生产运行情况。整个系统基本实现了全厂生产过程的自动控制和监视。   二、 控制系统的特点   控制系统具有如下特点:   (1) 系统结构清晰,规模庞大,含有不同协议成套单元的接入,使用的仪表种类繁多。   (2) 将快速以太网和现场总线技术(PROFIBUS)以及远程I/O从站有机结合在一起,集中分散有度,真正实现了从现场到操作管理层的快速无故障通讯。   (3) 采用了CPU双冗余,总线冗余,极大提高了系统的可靠性。   (4) 控制算法灵活多样,自动化程度高。   (5) 人机界面功能强大,使用方便。   1.绍兴污水处理二期工程自控系统网络结构   污水处理自动控制部分包括一个中央控制室、4个分控制室和2个成套单元(MCP柜)。其中1#分控站主要完成进厂污水的预处理,2#和3#分控站   根据工艺和管理的需要,系统采用了二层式控制网络:   (1) 现场层采用PROFIBUS现场总线过程控制系统(FCS),过程检测仪表信号以PROFIBUS-PA信号为主,部分仪表信号采用4~20mA DC标准信号和PROFIBUS-DP信号,控制阀门采用现场总线PROFIBUS-DP信号型电动阀门;   (2) 上层管理网分为二类:一类为10Mbps的工业以太网,用光纤环网将1个中央控制室和4个分控室连接成一个网络。通过OS站、ES站和CP1613通讯卡和光纤链路模块(OLM)相连接,满足操作员站、工程师站对现场设备的监视、控制和管理,实现数据共享。另一类为符合TCP/IP协议的管理以太网,通过OS站、ES站上的网卡连接,主要实现工程师和操作员站之间文件管理、拷贝以及远程WEB浏览功能。   采用这样的网络结构,系统可以用1.5Mbps的速率处理来自0.5平方公里厂区不同位置的两千余个信号。这充分体现了采用PROFIBUS通讯协议与传统4~20mA信号传输相比的优点:信号传输安全高速,节约硬件和安装费用。系统配置还充分利用了局域网的资源,实现了厂区范围内生产状况的多点监视。   2.现场控制站   现场控制站采用S7-400H+ET200M和DP/PA链路的控制方案。每个控制站都配备有控制点数多、功能强大且具有双机热备功能的S7-400H系统。向上通过OLM与10Mbps以太网连接,向下通过冗余的PROFIBUS-DP总线与配置方式灵活的ET200M分布式I/O从站和DP/PA链路连接。另外,现场总线设备中包括带Profibus-DP接口的电动阀门执行器。为了将这些单通道的总线执行器接入S7-400H的双DP网,在每一分控制站的S7-400H系统中配置一个Y-LINK模块以实现这一功能。此外,挂接在系统总线上的还有两个成套单元,一个是由西门子S7 300系列CPU自成控制体系的鼓风机房,一个总降压变电所,是采用MODBUS通讯协议的一套独立的控制系统。它们也是通过Y-LINK连接到DP总线上的。   系统网络结构参见下图。
 3.控制系统软件描述   监控系统上位机软件的设计充分考虑了操作的简便性和功能的多样性,并辅以PHOTOSHOP等先进绘图软件,使得监控界面更形象逼真、人性化。其中污泥回流泵房工艺环节的监控画面如下图所示。
通过上位机监控软件,操作人员可以对二期工程所有工艺环节仪表参数和电气设备状态进行实时监控。并可通过点击设备弹出对话框的方式对设备进行远程操作,如泵的启停和频率调节、阀门的开度设定、预置控制参数等等。并对主要的工艺参数进行了连续一周的变量记录,以历史趋势的方式显示,以便进行观察和工艺调节。当现场的电气设备有故障发生以及工艺参数有超标现象发生时,监控画面的右上角将已突出颜色闪烁的浮动条给出故障的设备位号或工艺参数名称以及所处工艺环节的位置等告警信息。另外,系统可以按照一定的统计算法给出一天24小时的重要工艺参数的统计信息,并在每天固定时间自动打印产生日报表。也可随时人工选择打印报表。   下位机在控制算法上,我们采用了液位控制、时间控制、处理水量控制等多种算法,实现了根据预处理水量与水质,对各工艺环节泵、阀、搅拌器、吸刮泥机等主要设备的启动停止进行控制。并对溶解氧—鼓风量回路建立了Fuzzy控制逻辑,根据以往处理经验建立了专家系统数据库,实现了对鼓风量的模糊控制。在泵的频率调节上,我们采用了PID算法,根据水池液位与处理水量进行泵的调频。以上算法的应用使得整个系统具有了较高的自动化程度和灵活性。三.重点技术介绍   1.不同通讯协议系统间的无缝连接   厂内的总降压变电所含有两台16000kVA、35/10.5KV电力变压器,它的主要功能是向厂内、污泥填埋场及10KV高压电机及电力变压器供电,包含35kV、10 KV高压开关柜等配套设备。这是一套采用MODBUS协议自成单元的综合保护自动化系统。为了管理的需要,总降压变电所的各种高配信号和状态除了在总降就地显示以外还要上传中控室显示监控。为此在将总降系统挂接在PROFIBUS-DP总线上之前要经过一个PROFIBUS-MODBUS的硬件转换桥。同时在软件上实现向总降系统发送命令请求,接受总降的应答信息,对接受到的信息进行校验,并在中控室的组态画面上将接收到的状态和数据正确的显示。这个过程经过了空间直线约500米的距离以及MODBUS总线、PROFIBUS总线以及工业以太网三层网络的数据传输与转换。总降需要上传中控的信号共有模拟量258个,主要为各个高压开关的三相电压、电流、功率等参数,数字量328个,主要为高压开关手车、断路器、变压器的状态,以及各种报警信号。两个系统采用9600的波特率进行信号传输,下面的表格以一个字为例给出了信号表的结构(含有16个状态量)。
2.两期工程的一体化运行管理   污水厂的现有两期工程希望通过工业以太网层相联,即两期工程可以互相监控对方生产运行状况。但是,考虑到软件点数的限制,系统网络的传输速度以及两套控制系统得到相对独立性,我们没有在工业以态网级将两个系统连接,而是在普通以太网层采用OPC的方式进行了两期工程上位机WinCC的连接。这种方法首先要局域网的基础上建立两期工程中央控制操作员站的交互式OPC通道连接,然后OPC通道建立远程变量在本地的映射,再将远程的组态画面复制到本地,重新建立画面显示内容于OPC本地映射变量的连接,就可以实现两期工程的交互显示了。这样做而不采用WEB方式的原因是一期工程的上位机软件是WinCC V5.0,它无法使用WEB Navigator软件,而这个软件成本比较高,又有严格的用户数量限制。采用OPC的方法也有缺点即工作量比较大。   3.简单的企业ERP的实现   在厂区内,除了值班人员需要通过操作员站对现场设备进行监控管理以外,管理人员同样需要浏览现场的生产运行状况,以便管理和决策。为此需要将组态画面显示在相应管理人员办公室里。解决的办法是采用WEB浏览的方式,将中央控制室的操作员站作为WEB服务器,将要浏览生产状况的计算机作为WEB客户端,使它们组成一个局域网,使用西门子WEB Navigator软件在WEB服务器上将组态画面进行发布,并创建授权用户,使得在授权范围内的有限用户可以在局域网内通过ActiveX支持的IE远程浏览组态画面,但是不能进行控制操作。这样也维护了系统的独立性。 四.高级实时动态视觉系统的应用
为了便于对全厂生产运行状况进行实景监控,我们以CCTV系统、大屏幕显示系统和数字硬盘录像系统为基础,建立了一套高级实时动态视觉监控系统。其中,CCTV系统由分布在厂区的9个摄像头和中央控制室的矩阵切换器,操作键盘和监视器组成。在中央控制室内可以随意切换需要监控的摄像头,并能控制摄像头进行各种动作。大屏幕显示系统可以将组态画面、现场摄像信号进行任意组合和跨屏拼接显示。使得监控更直观。嵌入式数字硬盘录像系统可以把9路现场录像信号进行连续48 小时的录像,并可根据时段回放录像。这三部分子系统保证了将全厂生产状况在中控室内一览无疑,使得监视过程轻松自如。整个系统的结构示意图如下:    五.总结   绍兴污水处理厂二期工程使用了灵活开放的PCS7作为控制系统,将大屏幕显示系统、CCTV监视系统、数字硬盘录像系统等多个系统集成在一起,组成了一套功能强大、运行稳定安全可靠的污水处理自动控制系统,成为当今的污水处理行业一个成功的案例。 信息来源于;天极网 投诉建议

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