1.0 概述

根據(jù)XXX城市總體規(guī)劃，通過對污水量的預(yù)測，并結(jié)合城市發(fā)展前景，確定污水處理廠建設(shè)規(guī)模為：設(shè)計規(guī)模2萬m³/d。根據(jù)污水量和投資狀況，我方在進行系統(tǒng)組態(tài)時，將全廠作為一個整體來考慮，并可方便地擴展或升級。系統(tǒng)選用符合國際標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，其技術(shù)先進、結(jié)構(gòu)開放，能夠長期提供技術(shù)支持、備品備件有保障。同時，還充分考慮經(jīng)濟適用性、節(jié)省投資和與遠(yuǎn)期工程的銜接，與遠(yuǎn)期公用的控制子站，控制點數(shù)一次考慮，遠(yuǎn)期獨立的部分另設(shè)控制子站或遠(yuǎn)程控制單元。

本污水廠自控系統(tǒng)采用“集中管理、分散控制、數(shù)據(jù)共享”的分層、分布式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，符合當(dāng)前工業(yè)自動化監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展趨勢，能夠?qū)崿F(xiàn)全廠工藝參數(shù)及設(shè)備集中監(jiān)測和生產(chǎn)過程的自動控制。

系統(tǒng)包括：滿足要求的控制系統(tǒng)硬件設(shè)備、監(jiān)控和編程軟件、輔助裝置以及操作臺、控制箱柜等。

 

1.1 設(shè)計原則

集中管理、分散控制、數(shù)據(jù)共享；

具有高度的開放性、可靠性、穩(wěn)定性和安全性；

具有較強的兼容性、擴充性、可擴展性；

易于操作使用、可修改；

所有標(biāo)志性、提示性、警告性、顯示性的部分采用中文簡體。

自控儀表系統(tǒng)必須在充分考慮本工程污水處理工藝特性的基礎(chǔ)上，按照具有先進技術(shù)水平的現(xiàn)代化污水處理廠進行設(shè)計。設(shè)計方案中，既要考慮操作、管理水平的先進性，同時也考慮到高新技術(shù)應(yīng)用的合理性、經(jīng)濟性，在保證生產(chǎn)管理要求的前提下，盡可能節(jié)約投資，獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，并能保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定高效地運行。

 

1.2  自動化系統(tǒng)功能綜述

根據(jù)XX污水廠2×10⁴m³/d的設(shè)計規(guī)模和BAF工藝的特點，本著技術(shù)先進，性價比高，實用可靠的原則進行設(shè)計。依據(jù)集中監(jiān)測為主，分散控制為輔的基本原則，本工程采用PLC（可編程控制器）為基礎(chǔ)的監(jiān)測控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在中央控制室利用PC（工業(yè)級PC）機對廠內(nèi)各工況進行實時監(jiān)控，并有信號報警和聯(lián)鎖等設(shè)施以保證生產(chǎn)正常運行。生產(chǎn)的過程自動控制采用獨立控制，即設(shè)備控制層PLC各個子站與上位監(jiān)控計算機相互獨立，可以不依靠上位機獨立運行，保證了生產(chǎn)過程的獨立性和安全性。

本方案采用的集散型計算機控制系統(tǒng)設(shè)計方案滿足如下要求：

（1） 根據(jù)工藝流程及設(shè)備運行要求配置儀表、檢測裝置，建立監(jiān)控系統(tǒng)；

（2） 采用分散控制，集中管理的方式，建立污水處理廠中央控制系統(tǒng)，管理整個污水處理廠的運行；

（3） 中控系統(tǒng)采用具有開放的符合TCP/IP協(xié)議的計算機網(wǎng)絡(luò)，并可以與管理系統(tǒng)以及與上級系統(tǒng)和周邊系統(tǒng)鏈接；

（4） 主要機械設(shè)備的控制采用就地控制、現(xiàn)場控制、中央控制的三層控制模式，現(xiàn)場控制站設(shè)置PLC及控制操作人機界面；

（5） 其它設(shè)備采用現(xiàn)場控制、中央控制的兩層控制模式；

（6） 在每個工藝節(jié)點處設(shè)置基于PLC的智能控制裝置，各PLC之間及PLC與中央控制系統(tǒng)之間以高速數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)---光纖EtherNet（以太網(wǎng)）連接。

污水處理廠工程自動化系統(tǒng)實現(xiàn)的以下基本功能：

（1）具有實時監(jiān)測全廠的生產(chǎn)過程參數(shù)（如流量、液位等）、水質(zhì)參數(shù)（如PH值、SS、DO等）、電量參數(shù)（如電流、電壓、功率因數(shù)、有功電度、無功電度等），并對其進行采集、處理、儲存、顯示和打印；實時監(jiān)測全廠主要設(shè)備的運行狀態(tài)（如格柵機、提升泵、鼓風(fēng)機、閥門等），并對其信號進行采集顯示。對污水廠重要設(shè)備（如提升泵、鼓風(fēng)機、閥門等）的開/關(guān)次數(shù)和運行時間進行累計并生成設(shè)備管理報表，使用戶能夠科學(xué)合理的安排生產(chǎn)設(shè)備檢修時間。

（2）全自動控制現(xiàn)場設(shè)備（如格柵機、提升泵、鼓風(fēng)機、閥門等）。

（3）在中控室可以實現(xiàn)對全廠設(shè)備和儀器儀表的監(jiān)測和控制。

（4）上位機采用全中文操作界面。界面友好美觀，操作簡便易學(xué)，響應(yīng)迅速，可以實現(xiàn)實時動態(tài)顯示過程參數(shù)、水質(zhì)參數(shù)、電氣參數(shù)的趨勢圖；可以動態(tài)顯示全廠生產(chǎn)工藝流程圖和各工藝單元流程圖，并且可以在流程圖上選擇彈出多級細(xì)部詳圖。具有自動生成各種生產(chǎn)統(tǒng)計報表。

（5）具有自動進行越限報警和設(shè)備故障報警，并可根據(jù)相應(yīng)的報警數(shù)據(jù)進行分析。具有故障追憶功能，能夠自動記錄系統(tǒng)或某臺設(shè)備故障前和故障過程中的狀態(tài)信息。

（6）本自控系統(tǒng)具有以下三種控制方式

手動模式：通過就地控制箱或MCC上的按鈕實現(xiàn)對設(shè)備的啟停操作，這種操作模式主要在單機調(diào)試、單機檢修或非正常情況下常用。

遙控模式：操作人員通過操作面板或中控系統(tǒng)操作站的監(jiān)控畫面用鼠標(biāo)器或鍵盤來控制現(xiàn)場設(shè)備，也稱為“半自動控制”，主要是指操作人員通過對受控對象（系統(tǒng)或過程）的某一環(huán)節(jié)或設(shè)備進行簡單的參數(shù)設(shè)定或發(fā)出控制指令，這一環(huán)節(jié)或設(shè)備即按照控制要求執(zhí)行控制，操作人員只需查看其狀態(tài)以及有無報警顯示等。如鼓風(fēng)機遠(yuǎn)程風(fēng)量調(diào)整、提升泵房的一步化控制等。根據(jù)操作人員是否在受控系統(tǒng)或過程的現(xiàn)場來看，半自動控制有遠(yuǎn)程（通過中央控制室操作員站上實現(xiàn)）和就地（通過PLC控制柜上的人機界面觸摸屏上實現(xiàn)）兩種操作方式。

自動方式：也稱為“全自動控制”，主要是指操作人員通過對受控對象（系統(tǒng)或過程）的關(guān)鍵運行參數(shù)進行簡單的設(shè)定或發(fā)出控制指令，系統(tǒng)或過程即按照要求進行閉環(huán)自動控制，操作人員只需觀察系統(tǒng)或過程的狀態(tài)以及有無報警顯示等。例如全自動粗格柵機控制、提升泵房的機組優(yōu)化控制、BAF生化處理池自動控制等。根據(jù)操作人員是否在受控系統(tǒng)或過程的現(xiàn)場來看，全自動控制有遠(yuǎn)程（通過中央控制室操作員站上實現(xiàn)）和就地（通過PLC控制柜上的人機界面觸摸屏上實現(xiàn)）兩種操作方式。

三種方式的控制級別由高到低為：手動控制、遙控控制、自動控制。

 

1.3 系統(tǒng)配置

1．3．1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在綜合樓設(shè)立中央控制室，下設(shè)1#PLC預(yù)處理控制子站、2#PLCBAF生物濾池處理子站、3#PLC污泥脫水系統(tǒng)處理子站和4#PLC污中央控制處理子站。PLC處理子站通過開放式的與商用以太網(wǎng)兼容的光纖EtherNet環(huán)網(wǎng)與1#、2#工作站相連接并通過工作站與上位管理系統(tǒng)相連。在中央控制室可對主要設(shè)備實施開、停控制。同時，設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)也通過EtherNet送入上位計算機，在計算機上對全廠設(shè)備運轉(zhuǎn)情況進行顯示監(jiān)控。

中央控制室還設(shè)置了以太網(wǎng)交換機，與廠級管理自動化層以太信息網(wǎng)絡(luò)相連接。

 

自控系統(tǒng)配置兩套互為熱備的監(jiān)控操作站、一臺故障打印機、一臺圖表打印機。中央控制系統(tǒng)下設(shè)兩套現(xiàn)場控制站。

按照控制對象的功能、設(shè)備量，根據(jù)本廠工藝流程和平面布置圖，設(shè)置現(xiàn)場控制站和中央控制室。

 

1．3．2 具體配置（詳細(xì)配置見附圖一）

中央監(jiān)控系統(tǒng)由兩臺配置了實時監(jiān)控軟件的工業(yè)計算機（互為熱備）。

可編程序邏輯控制器（PLC）：

采用世界知名公司的最新產(chǎn)品。選擇貨源充足中文資料豐富、備品備件方便，技術(shù)服務(wù)方便、國內(nèi)有維修處的生產(chǎn)商的產(chǎn)品。PLC的選型充分考慮其可靠性、先進性、可擴充性，應(yīng)能滿足中高控制性能的要求，能承受工業(yè)環(huán)境的嚴(yán)格要求。平均故障間隔時間（MTBF）為15年。

根據(jù)標(biāo)書技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)條件的要求以及設(shè)計者的總體考慮，優(yōu)先選擇Siemens公司的S7 300系列PLC。

S7 300系統(tǒng)提供的通訊接口有EtherNet、ProfiBus、RS485和RS-232等。其工業(yè)總線-EtherNet可達100Mbit/s。

此外Siemens是世界上著名的自動化設(shè)備生產(chǎn)供應(yīng)商，其PLC產(chǎn)品處于世界領(lǐng)先地位，可靠性極高。在中國、在成都，用戶可以得到完善地技術(shù)支持與服務(wù)。

本工程選用具有兩個DP口的S7 315-2DP作為主控制器，其主要功能模塊為EtherNet通訊模塊CP 343-1、32點數(shù)字量輸入模塊SM 321、16點數(shù)字量輸出模塊SM 322、8點模擬量輸入模塊SM 331、4點模擬量輸出模塊SM 332等。詳細(xì)配置見附圖一及設(shè)備一覽表。

 

2 控制流程圖及各部分功能詳述

2.1 生產(chǎn)過程監(jiān)測系統(tǒng)(中控室)

在辦公樓設(shè)立中央控制室。中央控制室內(nèi)設(shè)有兩臺21”純平高分辨率計算機工作站等，且兩臺計算機工作站互為備用（分為主操作站和備用操作站），其中主操作站安裝有PLC編程軟件，具有遠(yuǎn)程編程功能，程序可方便地通過網(wǎng)絡(luò)分別下載到指定現(xiàn)場控制站，以便在調(diào)試過程中在中央控制室遠(yuǎn)程隨時修改程序。中央控制室可對整個分布式控制系統(tǒng)進行系統(tǒng)組態(tài)管理、系統(tǒng)監(jiān)測、數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、顯示、處理、控制各PLC子站的狀態(tài)、通信、數(shù)據(jù)和信息等完成報警和報表打印，在廠級管理層可以通過Internet將結(jié)果、效益分析等發(fā)往有關(guān)部門。

中控子系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：

1）二臺配置了實時監(jiān)控軟件的工業(yè)計算機（互為備用）,工業(yè)控制計算機作為中控室人機接口，并通過網(wǎng)絡(luò)適配器與工業(yè)控制系統(tǒng)及全廠管理網(wǎng)系統(tǒng)無縫鏈接；

2）用于與現(xiàn)場PLC子站相連的網(wǎng)絡(luò)通訊接口適配器---以太網(wǎng)卡；

3）用于數(shù)據(jù)庫的Data服務(wù)器；

4）報表打印機和事故報警打印機，互為備用；

5）以太網(wǎng)交換機；

6）辦公打印機；

7）生產(chǎn)管理網(wǎng)使用的若干臺電腦；

8）不間斷UPS電源。

其主要功能：

遠(yuǎn)控各PLC現(xiàn)場子站，實時接收PLC采集的各種數(shù)據(jù)，建立全廠檢測參數(shù)數(shù)據(jù)庫，處理并顯示各種數(shù)據(jù)；

監(jiān)測全廠工藝流程和各細(xì)部的動態(tài)圖形；

從檢測項目中，按需要顯示歷史記錄和趨勢分析曲線；

重要設(shè)備主要參數(shù)的工況及事故報警、打印制表；

編制和打印生產(chǎn)日、月、年統(tǒng)計報表；

對各種數(shù)據(jù)實時存儲；

實現(xiàn)通過服務(wù)器對工藝流程、歷史記錄、各種設(shè)備工作狀態(tài)、報表等的瀏覽。

應(yīng)用工程軟件包括：整個污水廠的監(jiān)測控制、在線測試、離線測試、硬件測試軟件、顯示功能。

其主要完成以下功能：

完善的Internet 功能；

采用標(biāo)準(zhǔn)的Windows NT平臺；

包含支持世界主要硬件廠商的各種網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序，支持Ethernet、現(xiàn)場總線監(jiān)控；

有系統(tǒng)員和操作員安全保密功能；

支持1600×1280高分辨率彩色圖形顯示器；

支持各種Windows標(biāo)準(zhǔn)打印機及外圍設(shè)備；

為了便于用戶功能的定制，監(jiān)控軟件內(nèi)嵌完全的VBA，而不只是VBA的一個子集；

能夠支持友善的中文化界面；

支持開放的、符合ODBC特征的數(shù)據(jù)庫，并能與編程軟件及其他的專業(yè)數(shù)據(jù)庫軟件共享數(shù)據(jù)庫；

為用戶提供豐富方便的圖形組態(tài)、系統(tǒng)組態(tài)功能，易于構(gòu)成各種服務(wù)器、圖形工作站；

豐富的報警功能、分析報表功能，在線編輯功能、打印功能。實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)分析、綜合功能，數(shù)據(jù)記錄保存功能；

易于實現(xiàn)多用戶、多任務(wù)、多終端；

在線、離線切換功能，自動手動切換功能。

中央控制室能隨時監(jiān)視整個污水廠的運行狀態(tài)、顯示各種檢測值及參數(shù)，從圖形、表格形式顯示現(xiàn)行及歷史值給因各種臨界提示及錯誤、越限報警、顯示及打印分板報表并通過Internet將結(jié)果、效益分析等發(fā)往有關(guān)部門。

中央控制室與廠級管理層之間采用100Mbps的以太網(wǎng)通訊，該網(wǎng)有E-mail功能，能向mail server發(fā)送用戶自定義信息，故障信息，狀態(tài)信息等，通過網(wǎng)關(guān)（以太網(wǎng)交換器）或PLC可與其他控制網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線相連。

網(wǎng)絡(luò)具備如下特性：

傳輸率： 100Mbps；

傳輸協(xié)議：TCP/IP、UDP/IP、FTP；

傳輸距離：雙較線10Base-T--100米、光纖100Base-F—40Km；

傳送媒體方式：光纖；

通過PLC可與其它控制網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線相連；

不間斷電源（UPS）：

為保證在供電發(fā)生意外時，系統(tǒng)能有足夠的反應(yīng)時間進行應(yīng)急處理，設(shè)計上中央控制室和各子站均設(shè)有在線不間斷電源（UPS），UPS為在線式運行，自動切換旁路工作，無切換時間。

 

2.2 生產(chǎn)過程的監(jiān)測（現(xiàn)場）與自動控制系統(tǒng)

2．2．1 1#PLC預(yù)處理控制站

1#PLC站位于預(yù)處理控制室內(nèi)，其監(jiān)控范圍為：粗格柵、細(xì)格柵、旋留沉砂池、反應(yīng)沉淀池，實現(xiàn)方式為現(xiàn)場操作終端（觸摸屏）+可編程序控制器（PLC）+儀器、儀表及變送器。

I、1#PLC站主要設(shè)備構(gòu)成：

a）一臺現(xiàn)場顯示操作屏；

b）用于本站自動控制、工藝參數(shù)采集和網(wǎng)絡(luò)連接的PLC系統(tǒng)，包括CPU模塊、DI、DO、AI、AO模塊和各種網(wǎng)絡(luò)通訊接口適配器等；

c）過電壓保護器以及各種隔離器。

PLC作為控制器，現(xiàn)場顯示控制屏作為現(xiàn)場人機接口，完成對工藝參數(shù)，設(shè)備的運行狀態(tài)、故障狀態(tài)進行監(jiān)測和控制。通過網(wǎng)絡(luò)把信號送中央控制室計算機操作站完成指示、記錄、報表和報警打印等監(jiān)控管理功能。