香洲污水處理廠一期自控系統改造

1 引言
香洲污水處理廠于1994年1月建成投產，日處理規模3萬噸/日，采用帕氏維爾氧化溝工藝，成套引進法國得利滿公司的設備和技術，具備20世紀90年代國際先進水平。自動控制系統采用法國Telemecanique公司的TSX　4730可編過程控制器(PLC)，美國Wonder Ware的工廠監控軟件Intouch4.0和微軟公司的操作系統Windows 3.1，如圖1。

圖1 原系統網絡拓撲結構

在10多年的生產中，自控系統運行穩定，故障率低，較好地滿足出水達標排放的要求。但隨著時代的發展，自控系統生命周期的后期缺陷逐漸出現。主要表現在如下幾個方面:
(1) PLC生產商已經不生產TSX　4730系列產品及相關配件，如果PLC模塊損壞需要更換，將面臨備件供貨量極少并且價格較高的問題;
(2) 監控計算機操作系統Windows 3.1和監控軟件Intouch4.0，版本落后，運行速度慢，安全可靠性差，已經不能滿足生產的要求;
(3) 所有設備的手動或自動運行都需通過PLC進行控制，當PLC或相關模塊故障時，控制面臨“癱瘓”的危險，需手工改接線路才能使設備運行，這會使生產發生一段時間的中斷;
(4) 監控系統只能設置工藝參數和監視設備的運行狀態，不能通過計算機控制設備的運行和停止;
(5) 工藝控制的需要，增加了推流器和內回流泵等設備，氧化溝轉刷根據溶解氧的控制模型已不滿足實際生產的需要，而原有控制系統較難開發和擴展。綜合上述原因，我公司決定對香洲一期自控系統實施升級改造。

2 自控系統改造方案說明
(1) 網絡通訊系統
考慮到一期和已建成的二期污水處理廠控制部分在同一個控制室，本次改造升級將和二期控制部分采用相同的架構，因所有I/O系統在同一個控制室內，距離較近，網絡通信方式采用工業以太網。
●主站采用施耐德公司的PLC;
● 采用Wago的I/O SYSTEM;
●采用Ethernet通信網絡;
●上位機采用WONDERWARE 的INTOUCH 8.0。
(2) 施耐德的QUANTUM　PLC
Quantum易于組態和維護。它提供對結構與模塊的靈活選擇。即使是對要求最苛刻的應用，Quantum也是可靠的選擇。具有如下特點:高性能的控制器，先進的IEC編程和開放式的網絡連接。
(3) 德國萬可公司的WAGO
從站采用WAGO I/O SYSTEM/750系列產品，有如下功能和特點:
●安裝容易;
●使用靈活;
●功能齊全;
● 設計經濟;
●連接快速簡單。
(4) MODBUS TCP/IP以太網通信網絡
整個系統采用MODBUS TCP/IP以太網網絡。
(5) WONDERWARE 的INTOUCH 8.0
InTouch HMI軟件用于可視化和控制工業過程。它為工程師提供了一種易用的開發環境和廣泛的功能，使工程師能夠快速地建立、測試和部署強大的連接和傳遞實時信息的自動化應用。InTouch軟件是一個開放的，可擴展的人機界面，為定制應用程序設計提供了靈活性，同時為工業中的各種自動化設備提供了連接能力。

3 自控改造方案詳述
改造后的自控系統由監控PC、交換機、PLC和現場I/O等部分組成，網絡拓撲結構如圖2:

圖2 改造后的網絡拓撲結構

3.1 中央控制室CP操作柜改造
CP柜改造的主要內容是將設備原先手動經過PLC控制的回路→改為手動控制可以直接控制設備的啟動和停止的回路，這樣即使PLC故障，我們也可保證順序啟動設備，不會造成生產的中斷。改造過程中需把原先的報警信號(過載、溫度過高、泄漏等)使用中間繼電器把報警信號一分為二，一路作為PLC的數字輸入信號，另一路串入手動控制回路，這樣在手動控制設備時，所有的保護仍然起作用，保證設備的運行可靠。
3.2 PLC的更新及現場Wago I/O的接入
原PLC輸入、輸出點為48VAC信號，大部分設備的控制電源為48VAC，現輸入、輸出點為24VDC信號，因此，需要24VDC的直流電源和24VDC的中間繼電器以實現輸入、輸出信號的變更。
3.3 PLC程序的升級開發
原Telemecanique公司的TSX　4730可編過程控制器(PLC)采用PL7編程語言開發，現Quantum　PLC采用Concept2.6編程語言開發，設備的控制邏輯除氧化溝曝氣控制模型外，其余部分沒有太大的改變。原氧化溝轉刷控制模式:每條生產線上有3臺轉刷，其中兩臺常開，第三臺根據時間周期控制，運行2小時，停止1小時，當出水溶解氧DO低于下限值，則第三臺轉刷立即啟動運行，當出水溶解氧DO高于上限值，則第三臺轉刷立即停止運行，由于溶解氧變化波動較大，這容易引起轉刷的頻繁起停。
3.4 幾個關鍵工藝控制點
(1) 轉刷自動運行
新的氧化溝轉刷控制模式根據氧化還原電位計ORP進行控制，增加推流器和內回流泵的控制。每組轉刷中有兩臺處于長期運行，在監控計算機上選擇其中兩臺，最后一臺轉刷受ORP氧化還原電位計控制，當ORP值在設定的時間范圍內小于設定值并延時一段時間(缺省15min)都小于設定值時轉刷啟動，高于設定值并延時一段時間(缺省20min)都高于設定值時停機，并設定最小的開機時間和待機時間。
(2) 轉刷手動運行
可在計算機和中控室CP柜上進行操作。
報警類別:過載保護、溫度保護、緊急停機。
(3) 2臺推流器
計算機和中控室CP柜控制電機開停。
報警類別:過載保護、溫度保護、泄漏保護。
(4) 1臺內回流泵
計算機和中控室CP柜控制電機開停。
報警類別:過載保護、溫度保護。
3.5 監控軟件Intouch的升級開發
(1) 監控軟件Intouch從4.0版本升級到8.0版本，原先程序仍然可用，可經過如下步驟升級Intouch4.0→ Intouch5.6b→Intouch8.0。
(2) 原監控系統只能設置工藝參數和監視設備的運行狀態，不能通過計算機控制設備的運行和停止;此次開發后，我們不但能通過計算機控制設備的運行和停止，而且能靈活設置設備處于自動或遠程手動控制模式，通過編程，使設備報警和網絡監控功能大大加強。
(3) 實現設備或工藝報警，能以短信的方式發到手機的功能，采用附表所示設備來實現。
附表 設備或工藝報警短信接口設備

注:本報警自動撥號系統需用戶提供供電話線。
本套短信發送報警系統，通過與Wago輸出模塊的連接通信來實現，具有強大的報警功能，能把設備的故障報警狀況以及工藝參數變化情況通過短信及時發送通知相關工作人員，縮短了獲取信息及作出處理意見的時間，提高了工作效率，為實現夜間無人值班創造了條件。

4三個污水處理廠監控系統的聯網和遠程實時控制
香洲污水處理廠一、二期及北區污水處理廠使用VPN(專用虛擬網絡)組成一個網絡，通過Internet接入方式實現遠程監控三個工廠的生產狀況。隨著科技的進步，網絡通訊的速度和安全可靠性得到了極大的提高，這使我們通過網絡，實現遠程監視或控制工廠的生產狀況提供了可能。香洲一期、二期自控系統由于經這次改造后，采用了相同的網絡結構，它們通過以太網互聯，共同使用二臺上位監控計算機，香洲中控室與北區中控室的監控計算機、辦公室或家中的筆記本計算機等組成VPN網絡，實現了三個工廠的互相監控，網絡結構如圖3所示:

圖3 三個工廠的監控網絡結構

香洲廠監控計算機采用固定IP并作為Intouch軟件數據服務器，接收來自三個工廠的生產數據信息，通過VPN虛擬網絡，在其中任何一臺計算機監控終端可以監視和控制三個廠的生產情況。所有計算機可采用ADSL方式或數據專線方式接入INTERNET。

5 自控改造的價值評述
5.1 網絡通信速度
自控系統技術改造完成后，PLC和上位機采用以太網通訊，PLC與Wago子站采用MODBUS TCP/IP以太網通訊，網絡通訊速度最高可達10Mb，而原Telway網絡最高通訊速度只能達到19.2kbps，這使網絡通訊速度實現了質的提高。
5.2 監控系統運行速度和安全性
新的監控PC是采用P4處理器，操作系統為Windows XP SP1的工控機，運行速度和安全性都得到了極大的提高。
5.3 設備監視和控制功能
原系統設備的的手動或自動運行都需通過PLC進行控制，當PLC或相關模塊故障時，控制面臨“癱瘓”的危險，改造后，新系統保證即使監控PC或PLC故障，可立即轉換到手動運行方式，保證生產的不中斷;原監控系統只能設置工藝參數和監視設備的運行狀態，不能通過計算機控制設備的運行和停止，新的監控系統較好地實現通過監控PC設置和調整工藝參數，按不同的自動控制模式控制生產，在出水達標的前提下，降低了電力的消耗;通過監控PC靈活地設置設備處于自動或遠程手動控制模式，控制設備的起動和停止。這使設備的監視和控制功能得到了完善。
5.4 遠程監視和控制
移動PC，接入互聯網，通過VPN虛擬網絡，實現了遠程監視和控制三個工廠的生產情況。實踐表明，通過防火墻設置訪問控制的權限和策略，遠程監控工廠的生產是穩定可靠的。經過一段時間的實踐和試驗后，夜間生產可以不需要工人值班，這樣就降低了勞動力，提高了工作效率。
5.5 設備故障報警信息
通過使用第三方軟件Powermax +和自動撥號裝置，使設備故障信息能以短信方式發送到相關的手機用戶，這使維修人員能夠及時了解設備的故障情況，迅速采取有效措施，實現生產的不中斷及達標排放。

6 結束語
新的控制系統自動化程度高，運行可靠，故障率低，全面反映了全廠的設備狀態及生產信息，大大減輕了工人的工作強度，提高了工作效率。由于新的自控系統在PLC故障下能通過手動控制設備，實現生產的不中斷，故沒有采用Quantum冗余熱備系統，如果系統有容錯和最高利用率的要求，可考慮QuantumPLC的冗余控制器選項:Quantum熱備。熱備系統配置簡單，安裝容易，在部件損壞或電源中斷的情況下，它提供無擾動的切換。主控制器和備用控制器的掃描是以同步方式進行的，使得所控制系統的迅速轉換并保證最大程度的系統完整性。監控計算機采用INTOUCH軟件，是美國WonderWare公司的產品，具有許多開發功能，為污水處理廠實現管理和控制一體化提供了方便。