天津石化污水處理工程電氣控制系統設計
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摘 要：針對中石化天津分公司已有廢水處理設施中高濃度、難降解COD廢水，采用高效生物反應器（ABR）進行處理，使廢水凈化，達到排放指標;文章針對此廢水處理系統，設計一套全自動控制系統，系統通過S7-400冗余控制器對工藝設備進行控制，中控制室設置SCADA遠程監控站，對整套污水處理系統的遠程監視和控制，實現污水處理系統自動化控制，有效減輕操作人員工作負荷。
關鍵詞：ABR;COD;冗余控制器;SCADA系統
中圖分類號：X74 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）18-0092-03
Abstract： Aiming at the high concentration and difficult to degrade COD wastewater in the existing wastewater treatment facilities of Sinopec Tianjin Branch， the Anaerobic Biological Reactor （ABR） is used to purify the wastewater and reach the discharge target. A set of automatic control system is designed， in which the process equipment is controlled by S7-400 redundant controller， and the SCADA remote monitoring station is set up in the control room to monitor and control the whole sewage treatment system， thus realizing the automatic control of sewage treatment system and effectively reducing the workload of operators.
Keywords： ABR; COD; redundant controller; SCADA system
1 項目背景
為了響應天津市政府建設美麗天津號召，中石化天津分公司將對已有廢水處理設施進行改造以滿足更嚴格的排放標準。由于系統廢水由烯烴回用設施排水，烯烴循環水排污水，熱電化學水處理站中和排水，熱電化學水處理站淡化海水精制濃水混合而成，該混合廢水中COD具有高濃度（68.8ppm）、難降解特點，故采用ABR特效菌分解難降解COD，使得出水COD能夠達到排放標準。該項目控制設備較多，控制可性要求高，系統需實現全自動控制，遠程監控等功能，降低操作維護人員的工作強度，充分發揮ABR污水處理系統的效能，提高系統COD處理能力，引出針對以上要求設計出一套全自動控制系統。
2 電氣控制系統設計
2.1 系統結構設計
ABR廢水處理控制系統是一個較復雜的工業控制系統，便于有效提高系統設計效率，縮短開發周期，采用模塊化設計，將此系統劃分為5個功能模塊單元，以便分步設計，單獨調試，最后進行系統集成;5個功能模塊分別為上位機監控模塊，PLC控制模塊，控制柜模塊、動力柜及現場操作控制模塊。
2.2 系統各模塊功能設計
2.2.1 上位機監控模塊設計
該模塊選用WinCC系統軟件完全版V7.3（亞洲版8192外部變量），利用WinCC開發版軟件編制出污水處理系統的上位機監控畫面，其主要功能是顯示污水處理系統工藝控制過程、污水處理設備間的聯鎖關系、設備動態工作狀態、現場儀表數據顯示、現場監控數據的實時及歷史趨勢、現場監控數據的實時及歷史報警、生產運行數據報表功能;系統中控室共配2臺上位監控系統，一臺為操作員站，主要用于現場設備操作及生產運行參數設定，另外一臺為工程師站，主要用于ABR廢水處理系統人機界面開發及運行維護、報表打印和數據庫的更新維護，同時兼備操作員站所有操作功能。
2.2.2 PLC控制模塊設計
?。?）硬件設計
系統采用西門子S7-400H冗余控制器+ET200M分布子站控制架構，冗余控制器與IO子站間采用PROFIBUS-DP網絡冗余連接;冗余IO站采用西門子專利MTA模塊技術。該污水處理工藝中硬件設計過程中，應用了如下關鍵性技術，確保系統穩定性：
a.控制器冗余：通過兩個并行的中央控制器實現，控制器間通過冗余光纖連接，當主控制器發生故障，未受影響的備控制器將在中斷處繼續執行而不丟失任何信息，主備CPU沒有切換時間;該同步方式給客戶帶來的好處是用戶不需要考慮如何實現同步，無命令限制;冗余控制器具有隱藏冗余性，采用透明的編程方法（同非冗余方法一樣），標準的系統參數化，標準的處理方法。
b.ET200M分布子站及PROFIBUS-DP總線：廢水處理系統采用ET200M分布式子站，每個分布子站采用一對標準IM 153-2 總線接口模塊，采用PROFIBUS-DP總線與冗余控制器連接，實現IO容錯功能;系統所采用西門子PROFIBUS-DP總線，是經過優化的高速而便宜的通訊連接，主要應用于自動化控制系統與分散IO站間的通信，具有如下主要功能優勢：
DP主站與從站間循環交換用戶數據;具有強大的診斷功能;靈活的拓撲結構，支持線型、樹型、環型結構以及冗余的通信模型;每個DP從站最多246B的數據輸入和輸出。
c.MTA模塊技術：為滿足業主對系統可靠性要求，關鍵性設備采用IO輸入/輸出模塊冗余，冗余IO模塊出接線采用西門子MTA鎧裝端子板，可以簡單、快速且可靠地將現場設備、傳感器和執行器連接到ET200M遠程I/O站的I/O模塊。它們有助于大大降低布線和調試的工作量及費用，并可避免接線錯誤。 ?。?）軟件設計
廢水處理控制系統采用西門子Step75.5編程軟件，該軟件是一個用于西門子S7-300/400PLC組態和編程的標準軟件包，主要應用于對PLC的硬件和PROFIBUS-DP網絡進行組態，具有簡單、直觀、方便易學習等特點。通過采用Step7編程軟件，根據廢水處理系統控制描述文件、工藝聯鎖表、控制工藝說明，采用梯形圖（LAD）編程語言編制控制程序，由冗余控制器自動執行后實時監測和控制現場工藝設備;過程數據經冗余控制器處理后，通過西門子以太網通訊模塊CP443-1傳輸至上位機監控系統，通過上位機監控系統，實時監控廢水處理系統設備運行、故障報警信息顯示，并對生產過程數據歸檔處理及報表打印。
2.2.3 控制柜功能模塊設計
廢水處理控制系統采用分布式子站硬件架構，根據工藝設備重要性及業主備用點數要求（不低于25%），系統共配置11個ET200M分布式子站，其中3個非冗余IO子站，8個為冗余IO子站。
控制柜體采用威圖TS柜體，柜體尺寸：2000（mm）*800（mm）*800（mm），柜體顏色：RAL7035，柜體結構：前后雙開門結構，雙安裝板設計，增加元器件布置空間，解決業主電控室內空間小的難題;經合理規劃，廢水控制系統共設置4臺控制柜：1臺為CPU控制柜，1臺非冗余IO子站控制柜，2臺冗余IO子站控制柜。
2.2.4 動力柜功能模塊子站設計
系統采用MNS抽屜柜，該模塊主要作用是為工藝設備電動機配電，并采用施耐德配電元器件，實現電動機進行過載、電氣短路等保護功能;控制器通過控制電機接觸器或變頻器來實現相應設備的操作。
2.2.5 現場操作功能模塊子站設計
水泵等轉動設備設置有就地操作柱，該模塊主要功能是切換設備遠程/本地控制功能，當設備調試和檢修時，切換為本地控制模式，實現就地操作;當切換為遠程控制模式，則現場設備操作權限移交到上位機，由PLC遠程控制。
2.3 電氣控制系統設計中的主要過程
2.3.1 系統可靠性計算
系統可靠性計算公式為As=MTBF/（MTBF+MDT）（MDT平均故障時間）。
為確保系統可靠性，采用國外知名品牌SIMATIC控制器和信號采集模塊，模塊平均無故障時間（由西門子官方提供數據）：
冗余控制器平均無故障時間：15年;
信號采集模塊：50年;
根據經驗，故障平均故障時間約4小時，工廠按照10年1次大修設計，更換部件，由此計算，能夠滿足系統可靠性要求;另從系統可靠性公式來看，增加系統可靠性需從提高MTBF（平均無故障時間）和降低MDT兩方面進行，故設計階段由如下幾個方面進行充分考慮：
（1）選用系統西門子S7-400H冗余控制器;
?。?）控制器與子站間采用PROFIBUS-DP冗余網絡架構;
（3）關鍵工藝設備采用冗余IO模塊;
?。?）元器件安裝空間及環境符合產品要求。
2.3.2 模擬信號轉換計算
廢水處理系統中配置很多過程儀表，如壓力、溫度、流量、液位、PH、ORP、溶解氧等檢測儀表，實時監測廢水處理系統運行參數，所有儀表傳感器均采用模擬量電流輸出信號（4-20mA DC），采用屏蔽雙絞電纜將模擬量信號傳輸至信號采集模塊，經信號采集模塊將輸入電流信號轉換成數字量信號，經內部程序塊（FC105）運算后，轉換成與實際工程量對應的浮點數;控制系統根據外部輸入信號，經內部程序循環運算，運算結果經內部程序塊（FC106）后，經模擬量輸出模塊轉換成電流信號（4-20mA DC），采用屏蔽雙絞線將模擬量信號傳輸至控制現場執行機構，實時調節閥門開度和水泵運轉速度。
如一個PH節回路中，PH變送器輸出4-20mA DC 信號到 SM331模擬量采集模塊轉換成0-27648的整形數，經程序中要調用FC105功能塊將該值轉換成0-14數值，經PID運算后得到的結果仍為實數，調用FC106功能塊轉換為對應硫酸計量泵轉速0-100%，經SM332模擬量輸出模塊轉換處理后，輸出4-20mA DC信號至硫酸計量泵，實時調節硫酸加藥泵轉速。
2.4 電氣系統的可靠性設計
2.4.1 供電可靠性
本設計控制柜電源分為3路電源進線，1路為普通進線電源，僅供控制柜照明及風扇用電;另外2路為UPS電源，為控制系統及儀表回路供電。其中冗余控制器采用西門子雙電源模塊供電設計;ET200M接口模塊、冗余信號MTA模塊采用雙開關電源設計;信號隔離柵電源，采用獨立冗余電源模塊設計，實現信號隔離模塊供電。
2.4.2 系統可靠性
在設計中采用國際知名品牌西門子S7 412-5H冗余控制器實現系統冗余，冗余系統中兩個CPU同時工作，采用西門子專利事件同步方式，不增加CPU運行負荷，保證同步有效性，無擾動主從切換;控制器與ET200M分布式IO子站間采用Profibus-DP協議建立介質冗余通訊。
2.4.3 信號采集系統可靠性
信號采集根據工藝設備控制重要性，分為非冗余信號采集子站和冗余信號采集子站，冗余信號采集子站采用IO模塊硬件冗余設計，冗余IO模塊接線采用西門子專用MTA模塊，大幅降低柜內布線和現場調試工作量;開關量（DI/DO）信號采集采用中間繼電器隔離;模擬量（AI/AO）信號采用信號隔離器，同時信號隔離同時實現對2線制儀表進行饋電，進一步提高系統可靠性。
2.4.4 監控系統可靠性
組態軟件采用西門子Wincc 7.3，共配置2臺SCADA監控系統，兩臺監控系統同時具有操作員站所有功能，確保任何一臺發生故障，系統能夠正常操作;工程師站與控制器間配置多芬諾硬件防火墻，消除控制器中毒風險;SCADA系統與控制器之間采用雙網絡設計，即每個控制器配置2塊CP443-1以太網通訊模塊，分別接至2臺冗余交換機（EDS-308），上位機采用西門子專用網卡（CP1623），同冗余交換機實現以太網通訊。
3 系統應用效果
廢水處理系統整體調試運行后，經過5個月試運行后，實現如下設計目標：
?。?）系統控制過程實現全自動化，減少操作人員數量，降低了勞動成本。
?。?）系統自動反洗（系統壓差或者運行時間兩種模式，由操作員手動選擇），極大提高了系統運行效率。
?。?）實現生產報表自動生成，減少操作員數據整理工作量，提高生產效率。
?。?）工藝設備操作過程，自動存檔操作記錄，有效提高設備操作運行溯源性。
4 結論
整個控制系統中應用冗余、多重隔離等設計技術，并吸收應用了安全控制的設計思想，從而確?？刂葡到y能夠實現長期穩定運行。達到現場智能儀表設備、控制系統之間的數據無縫傳送，實現工廠智能化、管控一體化。為廢水處理系統自動控制提供全面的解決方案，從而實現生產、設備和安全三大目標的最佳協調，幫助客戶實現最短的全生命周期維護成本、最佳的設備投資回報。
參考文獻：
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