浅析超滤控制系统的设计与实现

陆宏宇

（大庆油田水务公司，黑龙江 大庆 163451）

1 工艺概况

本设计为大庆油田用水深度处理工程超滤膜装置及系统配套项目。超滤装置由超滤膜处理主系统、辅助工艺系统：包括原水提升系统、预处理系统、物理清洗系统、化学清洗系统、仪表空气系统、中和系统组成。其中主系统由10 ～20 套膜堆组成，每套膜堆额定处理能力均为标准化模块设计，出力5000m3/h，辅助工艺系统为多套膜堆公用。

2 性能描述及系统构成

超滤控制系统的总体功能包括两个方面：一是实现超滤机组工艺过程的全自动进行，实时采集数据和处理故障，根据工艺要求调节运行参数；二是作为水厂工艺链的关键环节，根据超滤出水水质和水量实时调节上下游运行方式。自控系统在整体架构上分三层：设备层、控制层、信息层。超滤车间中控室设上位操作员站1 台，工程师站1 台，数据服务器1 台，并开发相应的超滤装置运行智能分析软件系统，中央控制室还需配备网络打印机、UPS 电源等附属设备。

超滤车间设PLC 一套，采用冗余配置，组成双机热备系统，下设远程I/O 站。每个远程I／O 站设一12.1英寸彩色触摸屏，作为现场人员监控操作的人机接口，触摸屏与本地I/O 站通过工业以太网相连；整个超滤车间的全部远程I/O 站通过工业以太网相连组成环网，该环网通过超滤车间PLC 柜内的光纤交换机与超滤车间中控室操员站、工程师站、数据服务器和整个厂区工业以太网光纤环网的连接，以实现远程I/O 站、超滤车间PLC、中控室操员站、工程师站、数据服务器和厂区监控系统的数据通讯，控制系统架构如图1 所示。

图1 控制系统网络拓扑图

2.1 设备层

设备层按不同的控制区域分为：主控室PLC（冗余配置）、超滤膜处理主系统I/O 站（5个站）、原水提升系统I/O 站、预处理系统I/O 站、物理清洗系统I/O 站、化学清洗系统I/O 站、仪表空气系统I/O 站、中和系统I/O 站等12个独立的子系统。每一独立子系统由PLC 控制单元构成，形成功能完整的工作环节。

2.2 控制层

设备层的上层是以中控室为核心的控制层，控制层主要功能是完成超滤工艺区域的生产过程自动化，包括实时采集生产数据和反馈设备状态，控制生产进程和效率，及时处理运行故障，对工艺设备和自控执行机构进行保护。在WindowsNT 的开发环境下，通过Vijeo Citect 工控平台开进行组态，超滤上位机作为人机交互界面实现系统监控。

控制层包括1 台中心操作站、1 台中心工程师站、1台数据服务器及相应的传输交换设备。数据服务器可生成Vijeo Citect 实时工况及历史曲线，工作站则通过基于MODBUSTCP 协议的工业以太网与水厂的控制系统进行通讯。从数据库服务器调取数据并生成历史趋势图，其优点是：（1）工作站曲线一致。（2）监控工作站退出Vijeo Citec RunTime 进行维护、调整运行时，趋势曲线并不因此中断。

超滤系统的控制可通过以下三种方式完成：（1）就地手动：优先级最高，当现场转换开关处于“手动操作”时，PLC 的控制被屏蔽。设备的运行操作通过现场操作按钮和开关人工完成。（2）半自动控制：利用PLC 的逻辑控制功能，提供超滤各子系统的自动运行，及关联设备的联动、连锁及闭环控制。（3）全自动控制：通过主控室的上位机，实现超滤系统的运行与全厂上下游工艺整体调节，处理突发故障，协调生产，保证运行顺畅。在全自动状态下，可实现超滤装置的无人值守运行。超滤系统所有的输入输出指令及数据将上传至水厂其他中控室。超滤控制室向下通过工业以太网IO 处理器接口模块与以太光纤环网中各远程I/O 子站通讯；向上通过140NOE77101 模块与全厂光纤以太环网中各上位监控计算机通讯。控制站PLC在手动／自动／中控切换中要具有无扰动切换功能。

2.3 信息层

系统最上层是MIS 信息管理层，通过RSSQL 以数据服务器作为数据源从数据服务器采集数据，包含基于SQL Server 的Web 服务器，以及基于Net Framework 的Web服务功能，建有完整的历史数据库，主要承担生产数据的高级处理功能，并提供日常生产报表生成模块，该部分是自控系统功能的延伸。其主要功能如下：

（1）自动进行数据的采集与备份。

（2）自动/手动打印生产运行班报、日报、月报和年报等。

（3）可以对定制生成运行报表或定制查询数据库数据并打印。

（4）可以对数据库进行后台维护管理，并在客户端进行数据查询。

（5）具有智能控制管理系统，根据数据对比分析，可以对生产运行状态给出最优的运行方案，如：水质、膜运行差压和膜能量变化的预判；根据清水池液位变化和来水水量情况给出最优通量运行方案；根据历年运行数据预测未来水质变化情况及给出最优运行方案；根据膜的运行污染情况给出最优化洗周期、化洗时间等；根据对膜断丝率的在线监测变化情况预判膜未来的断丝情况和膜的寿命等。

3 设备配置

3.1 监控中心

主要控制设备包括操作员站、工程师站、运行数据服务器、配套仪表和执行机构、打印机、以太网主干交换机。操作员站分散布置于相应工艺单元内，其他设备布置在中心控制室内。

（1）操作员站。本系统中，操作员站根据工艺构筑物的平面布置、工艺设备、电气设备的设置地点以及设备监控的需要设置。在中心控制室设置PLC 控制主站，在膜堆、泵房、化学清洗间处设置PLC 控制站。PLC 控制主站固化监控程序和应用程序，通过上位机可进行系统监控和参数设置；各PLC 控制站以触摸屏作为人机界面，可单独对相应I/O 工艺单元进行控制和参数调整，操作面板采用多级访问保护，以确保系统的安全。操作员站通过光纤以太网环网与工程师站 PLC(热备)交换数据并上传至上位机和数据库服务器。

（2）过程控制站（工程师站）。在控制室设置工程师站，其配有多种工具软件，具有与操作员站一样的人机界面，能进行实时数据、历史运行数据、故障的记录、查询和显示。工程师站的核心是高性能的控制器，它允许将应用分段，使系统结构更加优化。控制器具有如下特点：模块化内存卡节省您的内存开支、处理器之间的通信无需编写应用代码、I/O 能力不再受固定内存区域的限制。

3.2 配套仪表及执行器

为了能实时、准确、可靠地检测、显示超滤装置工艺各系统的物理参数及便于与控制系统的连接和维修管理的方便，系统配套仪表应选用精度高、稳定性好、带现场液晶显示单元的智能仪表。仪表的安装附件及传感器与转换器的连接专用电缆等有关配件均应配套供应。仪表支架、仪表保护箱等安装附件应同仪表一齐配备。仪表配置应注意以下几点：

（1）考虑设备及设计的整体统一性。配套仪表应提供为达到规定功能所需的各种部件，如信号隔离器、滤波器、保护装置、放大器、转换器及其他相关部件。

（2）应对所有仪表电气线路及设备提供保护。以免受雷击、感应电流、过电压的影响以及其他外力的损坏。

（3）如有实际需要，须对某些输入/输出信号采取适当的信号隔离措施。

（4）变送器输出信号为4 ～20mA 的标准模拟信号，继电器标准输出接点为无源常开接点，接点容量为220VAC/5A 以上。

（5）应搜集全部仪表自控系统的详细技术说明书及产品样本；对工艺所要求的仪表自控系统及各部分组成、技术性能、系统功能、控制原理、操作方式等进行详细的描述，阐明系统的实现结果和技术。

（6）频繁开关的进出水阀门采用气动glob 调节阀或设置电动调节阀串联气动开关阀两种方式气动阀须设置合理的速率和运行阻尼。

4 软件配置

4.1 软件功能设计

监控软件采用统一软件平台，其主要功能包括控制、可视化、信息管理等，能与PLC 系统紧密集成。其中，生产过程控制功能是软件功能的核心。在编制过程中，首先要做出膜担保使用寿命期内不同阶段膜堆的物理清洗及化学步序表，并分别根据一年试运行期及膜使用寿命期末的物理清洗及化学清洗步序表的参数，梳理膜堆进行物理清洗、CEB 清洗和CIP 清洗的运行排队及恢复过滤运行机制。做出相应的系统运行时序控制图。在此基础上，进行PLC 逻辑编程及系统组态。绘制时序图应全面考虑多膜堆长期运行条件下的各种运行工况，应特殊考虑下述非常规工艺进程：

（1）故障单元自动离线和修复后恢复过滤插队机制。

（2）CIP 清洗条件的判断与CEB 清洗触发机制。

（3）关键参数设定值限值的变化趋势预置及设定值改变后的系统无缝切换运行机制。

（4）模块化扩展机制。如图2 所示。

图2 时序图

4.2 系统编程环境

操作系统及基础软件：超滤车间中控室上位机操作员站和工程师站采用Windows NT 或Win 7 专业版以上版本的操作系统。数据服务器安装Win7 服务器版操作系统，安装专业的SQL Server 数据库数据库管理系统，并开发相应数据库应用软件。组态软件：采用采用施耐德公司开发的成熟的产品Vijeo Citect，操作员站安装运行版，工程师站安装开发版。超滤中控室上位机还应开发超滤装置运行智能分析软件系统。可编程自动控制器编程软件采用施耐德Unity Pro XL6.0 产品。

5 结语

（1）本系统采用成熟技术及设备，运行稳定可靠，保证生产出达标优质饮用水，为居民身体健康提供可靠保证，产生巨大社会效益。随着信息社会的发展，企业局域网的拓展壮大，本系统的后续应用是实现网络远程监控。

（2）充分考虑水厂超滤膜装置及与全厂控制系统的通讯需要，采用基于MODBUSTCP 协议的工业以太网集成构架。

（3）仪表系统的配置应充分考虑稳定性、精度以及水厂管理需要。

（4）控制功能是软件功能的核心，编制基础是系统运行步序图。