基于现场总线的PLC在污水处理装置中的应用

孙明

(中海石油投资控股有限公司 大同炼制气项目筹备组，山西 大同 037100)

随着中国对环保标准的逐年提高，现代煤化工污水处理的技术不断成熟完善，某煤化工项目为了验证污水处理零排放工艺技术的可行性，实施了污水处理全流程的中试装置。为便于统一管理与操作，该中试装置中采用了基于现场总线技术的可编程控制器(PLC)，现场总线控制系统采用数字化信号取代传统的4～20 mA模拟信号，通过高速的通信方式对设备及工艺进行监控，该系统具有信号采集精度高、控制灵活、准确的优点。实际使用过程中，基于现场总线的PLC安装调试过程简便，成本较低，在水处理行业得到了广泛应用[1]。

1 污水处理工艺流程简介

该中试装置根据处理对象和功能，工艺流程划分为生化处理段、中水回用水处理段、膜浓缩处理段和蒸发结晶分盐段。

1) 生化处理段由调节池、水解酸化、A/O生化池、二沉池、臭氧氧化、曝气生物滤池(或P-MBR膜生物反应器)等组成。

2) 中水回用水处理段由“混凝沉淀、多介质过滤、超滤、反渗透”组成。

3) 膜浓缩处理段由“软化澄清池、多介质过滤、离子交换树脂、超滤、反渗透、电解氧化、纳滤分盐、氯化钠反渗透”组成。

4) 蒸发结晶分盐段由“氯化钠TVR结晶系统、硫酸钠TVR热法结晶系统”组成。

2 控制系统介绍

2.1 PLC硬件设计及配置

2.1.1PLC硬件设计思路

该中试装置对控制系统提出的要求，包括对生产过程实施检测、数据处理、过程控制、用电设备状态显示等，要确保各关键试验数据的获取，为装置的工业化应用提供第一手资料。由于该中试装置流程长、操作设备多，因而在装置试验过程中，为达到优化工艺流程的目的，则需要对装置进行改造。为保证中试装置工艺生产过程的可靠性和高效性，要求控制系统能尽量简单、快速地完成相应的扩展改造，并可实现生产过程的信息化管理及调度[2]。

为满足中试装置对控制系统提出的要求，设计中采用了易于实现系统扩展、兼容性强的现场总线技术，PLC则采用西门子公司的SIMATIC S7-1500，其CPU配有Profinet以太网接口，通过该接口可以实现与Profinet-I/O设备及其他PLC的通信；支持多种通信协议，还可以实现Profibus-DP通信。S7-1500不是通过扩展机架，而是通过分布式I/O扩展。

传统控制系统的结构一般分为三个层级： 操作层、控制层、现场层，其中操作层一般采用以太网通信，控制层采用各自动化厂商自己的专有通信或者Modbus等串口通信，现场层则是采用模拟量的4～20 mA信号和开关量信号。而采用了现场总线技术的控制系统，特别是采用工业以太网技术后，由于通信协议的统一，则网络结构变得简单，更加扁平和优化。该中试装置所采用的基于现场总线的PLC在使用功能上虽然仍为三个层次： 操作层(上位机)、控制层(CPU)、现场层(分布式I/O及变频器)，但这三个层次均采用了Profinet工业以太网技术，通过TCP/IP协议通信，在网络结构上实际是融合在一个大的层级里，从而大幅提高了数据通信的速度和效率。该中试装置控制系统网络结构如图1所示。

图1 污水中试装置控制系统网络结构示意

2.1.2PLC硬件配置

该中试装置的污水处理部分设置了4个工艺单元，其中的生化处理单元、中水回用单元、膜浓缩单元分别有公用的和独立的加药系统，而蒸发结晶装置属于专有设备，自配了2套S7-200PLC。根据上述工艺单元的空间布置，考虑到水处理生产现场噪音较低且粉尘较少，环境较好，可以充分发挥现场总线通信的技术优势。该中试装置运行时间要求不超过0.5 a，所以设计中没有设置集中的机柜室，而是采用就近原则，将该中试装置的PLC划分为9套控制子站,对应9面控制柜，即1号站控制生化段各池及设备，2号站控制生化段加药设备，3号站控制曝气生物滤池(BAF)及臭氧设备，4号站控制公用加药设备，5号站控制中水回用段加药设备，6号站控制中水回用段设备，7号站控制膜浓缩段设备，8号站控制膜浓缩段加药设备，9号站控制生化段P-MBR设备。各子站的PLC机柜布置于各单元现场附近，各子站间通过Profinet高速以太网通信。蒸发结晶分盐单元的2套PLC原计划拟采用OPC或增加Profinet以太网通信模块的方式接入中试装置的控制系统，但由于实施期间工期紧张的原因未能实现。整个中试装置的 I/O点数约800点，其中AI点约占100点，DI和DO点约占700点。由于工艺管道上没有设置调节阀，而是采用变频水泵调节流量，变频器的控制通过Profinet以太网通信实现，故没有AO点。各PLC子站的CPU通过通信模块与分布式I/O模块单元实现通信，CPU由供电模块提供配电，各I/O模块安装在通信背板上，由基座供电并支持热插拔。每个PLC子站机柜内配有2 kVA的UPS、电源避雷器，以提高供电的可靠性。配置的8口交换机可实现子站与变频器、各子站间的级联。

中心控制室为满足中试装置全流程的监控需要，在上位机设置了2台工作站，配备了宽屏液晶显示器，主机配置了英特尔I5四核处理器、1T硬盘、8G内存，既作为操作员站也作为工程师站，通过“用户名+密码”可切换不同的工作管理权限。系统具备打印、记录、储存、显示等功能，可查询历史工艺数据的运行记录，为保证工艺数据不因断电丢失，配备了3 kVA不间断电源。操作员站对整个工艺系统进行监控，采用全中文图形界面，全自动化动态显示；操作员站兼具工程师站的功能，可完成系统组态、调试及控制参数的在线修改和设置等功能。整个系统的Profinet中心网络交换机也设置在中心控制室内，由于与各子站通信距离不超过50 m，用带屏蔽层的超五类双绞网线与各子站组成星型连接结构形式。

2.2 PLC软件配置

PLC的软件采用西门子的TIA博途V15，该软件是一套全集成的自动化软件工程平台，与SIMATIC S7-1500实现无缝衔接。该软件的安装环境及硬件配置要求较高，需要CPU为Intel I5 3.4 GHz以上，至少8 G的内存，50 G的硬盘空间，操作系统为Windows 7(64位)以上版本。该中试装置在实施中使用的是单一授权许可的工程组态版，在实际运行中发现该软件系统的启动时间较长，但在项目实施过程中，由于组态和监视平台的统一化，从而使调试组态的工作方便、高效。

监控操作画面按照工艺及用途划分，包括： 3组工艺主画面，7个程控子画面，2个专用画面，各画面均可以通过页眉按钮进行切换。3个主画面分别显示生化处理单元、中水回用单元、膜浓缩单元；而生化处理单元的P-MBR，中水回用单元的超滤、反渗透装置，膜浓缩单元的超滤、反渗透、纳滤及纳滤产水装置，均需进行顺序控制操作，其自动运行的过程均单独做了程控画面，一共7个程控子画面。为方便运行人员监控，如水质在线分析、液位、流量、压力等主要工艺参数单独做了1个综合报警专用画面。由于整套中试装置的机泵较多，为方便调试及维护需要，如风机、水泵等主要转动设备也单独做了1个专用画面。而蒸发结晶分盐单元属于供应商的专有设备，其画面为随机配套的触摸屏监控，具有报警及趋势功能，因此在中心控制室内没有监控画面。该污水中试装置PLC监控组态如图2所示。

图2 污水中试装置PLC监控组态示意

2.3 PLC的接地

PLC接地按照HG/T 20513—2104《仪表系统接地设计规范》[3]执行，将各机柜内电气保护地与仪表系统工作地分别接至各自的汇流排上，各机柜的工作接地汇流排和保护接地汇流排分别通过各自接地分干线接至不同接地汇总板，再通过接地干线接入总接地板，最后通过接地总干线接入电气等电位接地网，接地电阻值应小于4 Ω。

3 PLC的使用情况

3.1 主要控制逻辑及监控组态简介

该中试装置的运行按自动运行方式设计，运行人员在中心控制室内通过上位机对污水处理系统主设备进行控制、监视，对异常工况发出报警并采取措施及时处理。PLC主要的控制方式包括： 自动方式、半自动方式(成组单步)、远程手动操作、就地手动操作。PLC正常运行时采用自动控制方式，对于加药系统PLC则设置了自动和手动控制方式。

3.1.1生化处理单元的主要控制逻辑

生化处理单元的主要控制逻辑包括： 一、二级A/O池的溶解氧浓度自动控制程序；P-MBR的顺序控制程序，P-MBR顺序控制与各类膜装置的类似；调节池及二沉池的液位联锁控制。其中，溶解氧浓度的PID常规控制及模糊控制的相关文章论述较多，本文不再赘述，但实际操作时由于溶氧反馈信号的滞后太大，因此导致自动调节切换为手动操作的情况较为普遍，还需进一步积累经验[4]。

3.1.2中水回用单元和膜浓缩单元的控制逻辑

中水回用单元和膜浓缩单元的主要控制逻辑以程序控制为主，主要有中水回用单元的超滤顺序控制、反渗透顺序控制；膜浓缩单元的超滤顺序控制、海水反渗透顺序控制、纳滤顺序控制、纳滤产水反渗透顺序控制。联锁控制主要有各装置出口pH值联锁、各水箱和加药箱的液位联锁等。

上述几种顺序控制程序中的超滤和反渗透顺序控制逻辑涉及的泵及阀门的控制程序较多，同时顺序控制还要与相关的加药量进行比较来选择判断程序的不同进展，因此程序组态工作较复杂，其余的顺序控制逻辑基本与两者相似，但内容简单了许多。另外，在顺序控制设计中，加入必要的步进、步延、暂停、复位、急停等功能，对顺序控制调试和保证特殊工况下的设备安全运行非常有必要。

3.2 调试及运行情况

基于现场总线的PLC在安装及调试期间，PLC与变频器均采用总线通信，节省了大量的仪表及电气电缆。

1) 由于采用了Profinet以太网通信接口，使用屏蔽的双绞网线即可满足组网的通信需求，实际使用过程中，该PLC在通信环节运行良好。

2) 在进行单机调试和联动调试时，尤其是变频器的调试，无须工程师在现场设定变频器参数，只需在工程师站中通过TIA博途软件组态便可完成对所有变频器参数的设定。调试过程中，普通的设备运行故障可根据上位机显示的设备故障代码对故障进行诊断、分析，大幅提高了工作效率。

3) 高速的Profinet现场总线技术和西门子TIA博途软件系统的结合，使整个装置的9套子站间通信速度快、数据处理高效、组态工作便捷，当各子站间需要进行数据访问时，各子站组态定义的变量均可视为全局变量，各子站CPU可以直接通过读取I/O地址进行调用，无需像以前那样将所需变量映射到专用服务器才能进行数据的共享和交换。

4) PLC 2台上位机监控画面的组态、9套子站的组态、各子站CPU的下装工作均在博途软件系统创建的一个项目里完成，无须再分别对上位机和下位机进行组态，从而大幅提高了组态工作的效率。

4 结束语

基于现场总线的PLC在污水处理装置设计、安装、调试及运行的各个阶段中的应用，体现了现场总线技术的便捷、高效以及处理大量数据的优势。随着现场总线技术的不断成熟和完善，对水处理行业及其他行业的安全、高效生产，以及实现“数字化、智能化”的工厂建设等方面，必将发挥重要作用。