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ControlLogix 控制系统在嵊新污水处理厂的应用

2013-06-08 11:31      点击:
ControlLogix  控制系统在嵊新污水处理厂的应用
 
摘    要 本文介绍了 ControlLogix  PLC 控制系统氧化沟污水处理厂中的应用,对各工艺设备的控制 系统、对污水厂的控制通讯网络做了阐述说明,提供了实际应用的拓扑图。
关键词 氧化沟   工业以太网 
引言
嵊新污水处理工程(一期)位于浙江省嵊州市仙岩镇严坑村,采用改良氧化沟污水处 理工艺,一期规模日处理量 15 万立方米,总投资概算为 37639.08 万人民币。 为二级城市 污水处理厂,处理后污水达一级 B 类排放标准。
 
污水厂进厂水水质指标如下: 污水厂出水水质指标如下:
SS                             200mg/L
BOD5                              210mg/L COD                                         600mg/L NH3-N                                35.0mg/L 总磷                          3.0mg/L PH                                     6~9
SS                             20mg/L
BOD5                              20mg/L COD                                         60mg/L
NH3-N                                8(15)mg/L 总磷                          1.5mg/L
我们公司作为该项目自控系统的承建方,2008 年初完成该项目并通过验收。控制系统采用美国罗克韦尔自动化公司(Rockwell Automation)ControlLogix 系列 PLC 控制器,实现全厂生产过程的自动控制。
1、生产工艺介绍和主要的控制功能:
11 处理工艺流程简介
 
该厂采用氧化沟处理工艺,氧化沟又名氧化渠,因其构筑物呈封闭的环形沟渠而得名。 它是活性污泥法的一种变型。因为污水和活性污泥在曝气渠道中不断循环流动,因此有人称其为“循环曝气池”、“无终端曝气池”。氧化沟的水力停留时间长,有机负荷低,其本质 上属于延时曝气系统。

氧化沟利用连续环式反应池(Cintinuous Loop Reator,简称 CLR)作生物反应池,混合液在该反应池中一条闭合曝气渠道进行连续循环,氧化沟通常在延时曝气条件下使用。氧化沟使用一种带方向控制的曝气和搅动装置,向反应池中的物质传递水平速度,从而使 被搅动的液体在闭合式渠道中循环。与其他污水生物处理方法相比,氧化沟具有处理流程简单,操作管理方便;出水水质好,工艺可靠性强;基建投资省,运行费用低等特点。流 程示意图如下:
 
 
 
1.2 控制方式
全厂的设备均采用自动控制、遥控和就地控制三种控制方式。设备的控制方式如下:
现场手动模式:设备的现场控制箱或 MCC 控制柜上的“就地/远程”开关选择“就地” 方式时,通过现场控制箱或 MCC 控制柜上的按钮实现对设备的启/停、开/关操作。
就地检修维护模式:现场控制箱或 MCC 控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式时,设备控制权在控制站。操作人员通过控制站的操作面板上选择“手动”方式,利用 监控画面或键盘对设备进行检修操作。

遥控模式:即远程手动控制方式。现场控制箱或 MCC 控制柜上的“就地/远程”  开关选择“远程”方式,且控制站的操作面板上选择“遥控”方式时,操作人员通过中控系统操作站的监控画面用鼠标器或键盘选择“遥控”方式并对设备进行启/停、开/关操作。
自动模式:现场控制箱或 MCC 控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式,且控制站的“自动/遥控”设定为“自动”方式时,设备的运行完全由各控制站根据污水处理厂 的工况、相关仪表的检测数据以及生产要求来完成对设备的运行或开/关控制,而不需要人 工干预。
控制方式设计为:就地手动控制优先,在此基础上,设置远程遥控和自动控制。控制 级别由高到低为:现场手动控制、就地检修控制、遥控控制、自动控制。
手动方式是操作人员的专有权利,因为过程连锁在此模式下无效;而自动模式下,安 全连锁是有效的,并限制操作的可能性,可防止非正常状态下运行。离工艺过程越近的控制层具有更高的优先权。
1.3 各控制系统介绍
 
1.3.1 细格栅自动控制系统
对格栅设置四种控制方式:水位差自动控制(细粗格栅)、时间控制、遥控、手动控 制。在格栅前后设超声波液位差仪表,根据水位差测量仪测得的格栅前后水位差值自动控制机械格栅的运行,即水位差达到设定值时,自动启动格栅。当机械格栅停止运行的时间 超过设定值时,系统转为时间控制,此时限为可调式设计。
现场控制终端系统将根据软件程序自动控制输送栅渣压实机、机械格栅的顺序启停、 运行、停车以及安全连锁保护。任何一台格栅启动时,总是先启动输送机和栅渣压实机。停车时,格栅机先关闭,输送机和栅渣压实机运行一段时间后停止。
1.3.2 水泵自动控制系统
在泵池设超声波液位仪表,根据水位测量仪测得的泵房水位值自动控制多台水泵的启 停运行。当泵房水位高至某一设定的水位值时,PLC 控制系统将按软件程序自动增加水泵 的运行台数;相反,当泵房水位降至某一设定的水位值时,PLC 控制系统将按软件程序自 动减少水泵的运行台数。同时,系统累积各个水泵的运行时间,自动轮换水泵,保证各水泵累积运行时间基本相等,使其保持最佳运行状态。当水位降至干运转水位时,自动控制全部水泵停止运行。在监控管理系统和就地控制系统的操作面板上可以设定水位值。 此外,为了能够减少信号线的数量,提高控制效率,更多地采集水泵的相关电流、电压等参数,在设计中采用了 AB 公司的 E3 通讯模块,现场的 E3 通讯模块与 PLC 柜中的 Device Net 模块进行数据通讯。在上位机中不但能够采集到水泵的运行状态信号,还能采集到水 泵的电压,电流等运行参数,为提高水泵的利用效率,节能降耗发挥了重要作用。
1.3.3 沉砂池的自动控制系统
沉砂池的设备自成系统,随设备所带的就地控制箱将带有启动时序和停止时序,以及 安全保护程序,自动控制整套沉砂池设备的运行。PLC 控制系统将采集沉砂池全部设备的运行状态,上位监控管理计算机也可远控整套沉砂池设备的启动/停止。
1.3.4 生物池的自动控制系统
在生物池设置超声波液位计、溶解氧检测仪等仪表,生物池的生物处理过程就是由 PLC 控制系统按照检测仪表的实时测量值和预先编制的控制程序相互配合来完成生物池中各种 工艺设备的启停,自动控制系统包括:进水控制、循环控制、空气曝气量自动调节、回流污泥控制。
1.3.4.1 进水控制
通过水位计检测生物池水位。当水位值达到设定值时,自动关闭进水阀,停止进水。
 
1.3.4.2 循环控制
由 PLC 控制系统按照预先编制的程序完成,也可根据进水量通过监控管理系统和就地控制系统的操作面板上进行设定,具体控制方案详见工艺设计。
 
1.3.4.3 空气曝气量自动调节和鼓风机的控制
根据生物池中设定的溶解氧值自动调节生物池中的空气量,保证生物池中的生物处理 过程能够顺利进行。空气调节的方法如下:
首先根据池中的溶解氧值来调节鼓风机控制空气量。在保证生物池内空气需求量和满 足曝气管最低压力值的前提下,尽可能地节省能耗,上述各调节相互关联,相互影响,最终达到最佳状态。

 
厂区共有 4 台鼓风机,每台鼓风机都作为一个小系统,采用 AB SLC500  系列 PLC 控制,由一个主控系统对 4 台鼓风机的参数进行分析、优化。为了能够在上位机检测鼓风机的运行状态,控制鼓风机的启停以及出风量的大小,在 PLC 控制系统中通过 MB+ 通讯模块实现 与 Control Logix PLC 系统的通讯。
 
1.3.4.4 回流污泥量的自动调节
为保证生物池中污泥混合液浓度在工艺生产要求的范围内,采用按时间控制的方式。 PLC 控制系统根据时间控制回流污泥泵的运行时间,实现进水量与污泥回流量的合理配比, 从而保证生物处理的质量稳定性。可以通过监控管理系统和就地控制系统的操作面板设定回流污泥比例和污泥回流泵的运行时间。
1.3.5 泥位控制
通过液位计检测贮泥池的泥位,当泥位低于最小值时,停搅拌器。同时发出低泥位报 警。
1.3.6 污泥脱水的自动控制
污泥脱水过程按污泥脱水系统自身控制设备预先编制的程序控制运行。污泥脱水的程 序控制采用时间控制和手动控制。系统设计带有启动时序和停止时序,以及安全保护程序。 在药液已制备完成的前提下,设备的启动次序依次为倾斜式输送机、水平式输送机、浓缩 脱水一体机、加药泵、进泥泵,停止顺序与之相反。上位监控管理计算机可远程监测污泥脱水系统全部设备的运行状态和故障报警,也可远程控制污泥脱水系统的开停。
2、自控系统配置
 
2.1 通信网络系统
本工程设计的通讯网络系统依托美国 Rockwell 公司的集成自动化技术,组成一个复合 性,多层次的集管理、监控功能于一体的网络通讯系统。包括工业以太网,MCC 柜现场级 DeviceNet 现场总线。
通讯系统根据集中管理、分散控制原则,网络由三层网络层次组成:第一层为信息层,即中控室与各现场控制站间采用工业以太网,对等通讯方式(光缆,环网冗余,速率 10/100Mbit/s 自适应)即中控室内各计算机间的通讯网络;第二层为控制层,即现场控制站与现场控制分站之间、远程 IO 子站的通讯,采用开放的、国际上认可的现场总线,中控室监控计算机与各现场控制站间采用工业以太网,对等通讯方式(光缆,环网冗余,速率 10/100Mbit/s 自适应);第三层为设备层,即现场控制站与现场控制箱、高低压开关柜之间的通 讯,采用开放的,国际上认可的现场总线。通讯速率 12Mbps~9.6Kbps,根据现场距离不 等而不等,通讯距离至少 1000m,通信媒介为屏蔽双绞线电缆。

2.2 设备层网络——DeviceNet
现场设备层网络用以连接底层现场设备,减少现场接线,提高系统信息化和智能诊断 水平,必须符合开放网络要求,易于安装、实施和维护。基于现场设备的多样性及特点的不同,允许有多种现场设备总线,分别提供普通底层设备和过程仪表的连接能力。但是网 络的种类和层次应尽可能少,而且应当与控制层总线协议模式保持一致性,并都能够提供现成的、成熟可靠的通讯接口,应能够通过控制层任意一点接入,实现对设备层网络完整 的组态、诊断、控制和数据采集,所有这些功能的实现应尽可能简单、无需编程或者任何复杂的网关设备。
连接离散量设备:普通离散量设备是指过程仪表(仪表、变送器等)以外的工厂现场 设备,简单的如光电开关、启动器等,典型的如变频器、软启动器、马达保护器、现场触摸屏等。
开放性:设备总线必须是符合国际标准的现场总线。该总线必须在国内有良好的接受 程度,被证实是先进的、可靠的、符合未来发展方向的主流现场总线。该总线应当在国内有国家级的中立的推广机构,提供技术规格、开发支持等工作。
拓扑:总线-分支线结构,同时支持灵活的树型、星型、雏菊链等结构,最大网络拓扑
范围不低于 500 米,单个网段连接节点数不低于 40 个。速度:最低网络速度不低于 125Kbps。 工作模式:支持主从、对等、多主等多种灵活的数据通讯结构。在报文传输方面,提
供查询、逢变则报、周期性发送、选通等多种灵活高效的通讯方式。
供电:采用总线供电方式,所有通讯接口模块无需额外的电源。采用+24V 直流供电方 式,电源的分布根据网络具体情况可以灵活布置,支持冗余供电。
设备:具备丰富的现场设备连接能力,包括控制系统、现场  I/O、光电开关、马达启
动器、变频器、马达综合保护器、综合电量表、现场操作员接口、编码器、显示装置等。

2.3 控制层网络——IEC61158 ControlNet
采用  Producer/Consumer  技术的  ControlNet 网络,与传统主/从模式网络相比,网络效率大大提高,无需太高的波特率也可以更好地实现高速确定的实时控制。
5Mbit/s  通信速率,不会因距离延伸而有任何降低,1KM 扩展无需中继。 最大网络节点数 99。严格工业等级的屏蔽同轴电缆,保证在任意工业应用场合中也具有最佳的抗干扰和环境免疫能力。
Max.  30KM。
实时控制信息(Scheduled) 和非实时信息(Unscheduled)在同一个网络上被区别对 待:实时控制信息(Scheduled)可预先组态通讯工作方式(轮循 Polling、周期性发送 Cyclic 或者逢变则报 COS 可选);非实时信息的变化不会影响实时控制信息的实时性和确定性传输,具有最佳的确定性和可重复性。
网络传输时间可预选组态。 冗余配置可选。 支持总线、树型、星型、环型等多种拓扑形式。
ControlNet 是一种高速确定性控制层网络,用于对时间有苛刻要求的控制信息传输。
 
2.4 EtherNet/IP(工业以太网)
1985 年,ISO(国际标准化组织)确定了以太网的国际标准。现今以太网在商用系统中已非常普遍,在工业控制中以太网常用于程序的维护,将工厂级的数据传入或传出更高的 级别的 MIS 或 MES(生产执行系统)。完成批量数据的存储,分类,管理及优化事件登录等 功能。
以太网通讯的典型设备包括:服务器、操作员站、控制器、人机界面以及 HMI 系统.。 易于使用以太网的应用包括:工厂整体监控和管理、工艺模型的储存和优化、网络化远程维护,生产计划和程序的上装/下装。
以太网特点:
(1)  信息传输的标准网络。
(2)  可与多种微机制造商和软件连接。 
(3)  支持多种传输介质包括无线通讯方式。
(4)  标准的网络管理软件,易于集成和诊断。
(5)  基本指标:
−    网络协议 TCP/IP;
−    波特率    100 Mbps;
−    网络介质     双绞线,同轴电缆,光纤。 万年亭泵站分控站的数据通讯采用租用电信网络宽带的方式与中控室建立通讯。

2.1.1 网络中传输的数据和信息
网络中传输的数据和信息主要三类:
(1)普通文字数据、信息类:主要有办公自动化,公司管理信息;
(2)现场实时生产数据类:主要有水位、电流、电压和泵机、阀门的工况等信息;
(3)多媒体数据信息类:主要有需要现场实时调控的数据、实时故障信息及视频图像。其中最后多媒体数据信息类对网络性能的要求很高,必须有足够的网络带宽,很高的
传输速率,以及很短的网络时延。
实际的带宽:4M。
 
2.1.2 本系统网络的主要优点
(1)网络设计层次结构合理,能适应企业今后发展的需要。
(2)网络设备可靠高,按冗余配置。
(3)具有高速的网络传输速度。
(4)系统开放性强,具有广泛的可连接性。
(5)网络安全性强。
 
2.2 PLC 控制系统
PLC 控制系统系统负责污水厂现场自动控制的任务,根据水处理的工艺要求,PLC 控制器通过现场仪表采集液位、PH 值、压力、流量、COD、溶氧 DO、总磷、总氮、污 泥浓度等生产实时数据,对采集的数据按编制的程序运行、进行分析,实现污水处理 的过程控制、顺序控制、连锁控制、设备的开机、停机等各种控制。为保证可靠性, PLC 控制器按冗余设计。
现场控制站的 PLC 控制器通过工业以太网与上位机交换数据,接收上位机的控制
命令,实现远程控制。
 
2.2.1 ControlLogix 系统特点
具有最佳实时性和确定性的  IEC 61158 ControlNet 工业现场总线和 Logix 高性能 控制站共同配合,功能强大、使用灵活,可以同时满足大型自动化系统对于稳定过程 控制和复杂联锁控制等方面的严格要求。其中:
 
  Logix 控制站采用多处理器并行处理的方式;任何 I/O 模块均内置处理器以完成 I/O 信号处理、运算以及比较等分布式运算;任何背板和通讯模块也内置处理器实现网 络通讯管理。这种设计,可以大大降低 Logix 控制器的负荷;并且,Logix 控制器 内本身也是多处理器结构,分别用于程序扫描、通讯和 I/O 扫描。
  Logix 控制内核采用 32 位高速处理器和实时多任务操作系统(最大 32 个任务、连 续任务、周期任务或事件任务可选,不同任务还有多重优先级可选)。
  Logix 控制站的本地 I/O 或者通过 ControlNet 扩展的远程 I/O 模块:用户可根据其 控制任务对实时响应要求的不同,为其分别设置最合适的数据刷新方式和时间。因此,用户可在控制器内使用周期性任务、并将 I/O  组态为周期性采样方式,以
获得稳定的高精度过程控制;用户也可在控制器内使用事件任务、并将 I/O  组态为逢
变则报(COS),以实现最苛刻的即时安全联锁。
 
  面向“对象”技术的自动数据管理和编程,用户编程不需分配/使用任何内存地址, 并且支持用户可定义的三维数组和数据结构,使用灵活方便;用户为其不同应用需 要选择合适的最佳方式(符合 IEC61131-3 国际标准的梯形图、顺序流程图、功能 块图和结构文本等多种编程方式可选)。
  Logix 控制站背板采用先进的生产者/消费者(Producer/Consumer)通讯技术,其 本身就是智能化网络路由平台。
−   在同一背板中,用户可将多个处理器、通讯模块以及  I/O  模块任意混用而没
有限制。
−   并且,数据从一种网络到另一种网络只需通过背板和相关通讯模块,完全无需
控制器参与通讯管理。
不仅可以为用户提供最佳的开放性(简单插入通讯模块即可连接相应网络);而
且,保证了 Logix 控制器专注于控制,即使通讯连接更多也不会降低控制器对于控制任务的处理性能。
    网络冗余配置,保证更高的系统可靠性,满足连续生产的要求。
  罗克韦尔自动化专利的 FactoryTalk 后台通讯及数据服务技术,不仅提供了高效、可靠的实时数据通讯,而且保证了控制站、上位监控及过程控制系统中数据的无缝 集成,让数据共享和管理变得更容易。

网络结构图:




2.3 与远期工程的衔接
因二期还有 15 万吨/日的自控系统要建设,所以必须留好远期接口。
 
2.3.1 硬件接口
根据现场设备的分布情况,本方案在现场分区域设置八套自动化系列 PLC 控制器(Control Logix 系列),由光缆冗余以太环网连接各站,在本方案中使用了 12 个工业
级网管型冗余以太网交换机(其中 2 个为消毒池和总配电间预留),每个交换机均预留有接口,远期的现场控制站只要将其接入本工程的光缆冗余以太网(主干网)中,就可将整个污水厂的控制系统构成一个有机的整体。
 
2.3.2 软件接口
充分考虑远期的现场控制站接入本次控制系统问题,在配置软件时充分考虑软件 架构系统的容量,同时,配置的软件具有开放式的软件接口,便于与外系统构成通讯链路。
 
3.结论
污水厂自建完后,自控系统稳定运行,Control Logix 系统可靠性高,操作灵活,扩充方便,很好地满足了污水处理工艺要求,污水处理效果达到排放标准。