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污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)的分析與應(yīng)用
摘要:本文主要介紹了我國目前污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)成,分析了作為其核心的PLC控制器和通信網(wǎng)絡(luò)的選型以及整體解決方案,同時(shí)以天津咸陽路污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)為例,具體說明了污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用,最后分析了污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)的改進(jìn)和發(fā)展。關(guān)鍵詞:可編程控制器現(xiàn)場(chǎng)總線污水處理廠
一、引言
水是人類生活和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不可或缺的重要部分,隨著科技水平的飛速發(fā)展和人類生活水平的巨大提升,對(duì)于潔凈的優(yōu)質(zhì)的水源的需求也不斷急劇釋放。為建設(shè)可靠、穩(wěn)定、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)以及可擴(kuò)展的合理的水處理自動(dòng)化系統(tǒng)成為工程界和城市水行業(yè)營(yíng)運(yùn)管理部門共同關(guān)心的問題。微電子、通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展大大提高了水處理控制系統(tǒng)的信息化和智能化程度,與3C技術(shù)相結(jié)合的PLC以其卓越的可靠性、抗干擾性以及靈活的控制方式成為水處理自動(dòng)化系統(tǒng)的核心控制器,其與開放的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)一起,共同推動(dòng)著水處理自動(dòng)化系統(tǒng)的智能化程度的發(fā)展。
水處理行業(yè)主要分為凈水處理和污水處理兩大部分。凈水廠控制系統(tǒng)通常分為水廠調(diào)度系統(tǒng)、加藥間(加氯間)PLC控制站、濾站PLC控制站、送水泵房PLC控制站等。各個(gè)控制站相對(duì)獨(dú)立工作,通過有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊,將所有的數(shù)據(jù)信息送到水廠調(diào)度室進(jìn)行處理,或?qū)⒁徊糠謹(jǐn)?shù)據(jù)通過調(diào)度系統(tǒng)以無線(或有線)通訊的方式送到城市的調(diào)度中心。對(duì)于污水處理來說,要根據(jù)污水水源地狀況來確定污水處理的工藝流程,由于污水處理工藝的不同而自控系統(tǒng)應(yīng)用PLC的要求也有所不同。一般講,整個(gè)污水處理廠都有總控室和多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站,站與站之間通過控制器層網(wǎng)絡(luò)或信息層網(wǎng)絡(luò)相連,然后全部連接到總控室,總控室的多臺(tái)計(jì)算機(jī)、工作站和圖形站都用信息層網(wǎng)絡(luò)連接,這樣和現(xiàn)場(chǎng)控制站構(gòu)成了集中管理,分散控制,高速數(shù)據(jù)交換的工廠級(jí)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)[1].PLC自控系統(tǒng)是水處理廠的控制核心部分,對(duì)其合理的選型和設(shè)計(jì),對(duì)污水廠能否高效、自動(dòng)化的運(yùn)行非常重要。然而,PLC網(wǎng)絡(luò)又是其中的重中之重,網(wǎng)絡(luò)的好壞直接影響到污水廠的正常運(yùn)行。
二、系統(tǒng)構(gòu)成
污水處理廠自控系統(tǒng)一般包括污水廠部分和廠外泵站部分。監(jiān)控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)和PLC是污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)的核心組成部分,它們的性能對(duì)污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)會(huì)起到?jīng)Q定性的作用[2].根據(jù)污水處理自動(dòng)化本身的特點(diǎn)和監(jiān)控需求選擇合適的PLC及通訊網(wǎng)絡(luò)是保證污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)性能的重要因素。
通信網(wǎng)絡(luò):
在污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上,國內(nèi)在管理體制上主要采用三級(jí)管理,即監(jiān)控總中心、區(qū)域監(jiān)控分中心和監(jiān)控站。由于監(jiān)控站不直接對(duì)污水處理廠的外場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行直接控制,因此工程界按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的劃分把監(jiān)控系統(tǒng)劃分為信息層、控制層和設(shè)備層。
第一層為信息層,主要負(fù)責(zé)大量信息及不同廠家不同設(shè)備之間的信息傳輸,工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet為目前較常用的一種信息網(wǎng)絡(luò),世界各大PLC生產(chǎn)廠商均支持工業(yè)以太網(wǎng),并且他們?cè)谠蠺CP/IP的基礎(chǔ)上,相繼開發(fā)出實(shí)時(shí)性更高的工業(yè)以太網(wǎng),如歐姆龍和羅克維爾支持的Ethernet/IP,施奈德支持的Modbus-TCP/IP以及西門子支持的ProfiNet等。由于Ethernet的信息量大,因此在污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)中以太網(wǎng)主要用于各個(gè)控制分站與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸,包括各種傳感器數(shù)據(jù)等大量歷史數(shù)據(jù)信息。
第二層為控制層,主要采用現(xiàn)場(chǎng)總線組成隧道區(qū)域控制器網(wǎng)絡(luò),其特點(diǎn)是由于采用了標(biāo)準(zhǔn)總線組網(wǎng),既能滿足實(shí)時(shí)通信的要求,又具有開放協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)接口,能在總線上方便的掛接各種外場(chǎng)設(shè)備,有利于監(jiān)控系統(tǒng)的擴(kuò)展。目前,現(xiàn)場(chǎng)總線有40多種,在污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線主要有ControllerLink、LonWorks、Inetrtbus、Profibus、Can和Modbus.他們的共同特點(diǎn)是高速、高可靠,適合PLC與計(jì)算機(jī)、PLC與PLC及其它設(shè)備之間的大量數(shù)據(jù)的高速通訊。為使系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠,控制層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多采用環(huán)網(wǎng)的方式組成,包括線纜型和光纖作為傳輸介質(zhì),具體組網(wǎng)將在后面作出實(shí)例說明。
第三層為設(shè)備層,這一層用于PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、遠(yuǎn)程I/O端子及現(xiàn)場(chǎng)儀表之間的通訊,它們有DeviceNet、Modbus以及Profibus/DP等,其中DeviceNet已經(jīng)成為工業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)總線而得到了廣泛的應(yīng)用,而Profibus/DP雖然沒有成為標(biāo)準(zhǔn),但是它的應(yīng)該也相當(dāng)廣泛。
值得指出的是,近來年以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用使得人們把目光投向了現(xiàn)場(chǎng)總線上來,工業(yè)以太網(wǎng)是否最終將取代現(xiàn)場(chǎng)總線仍然是一個(gè)爭(zhēng)論的話題。然而,不論是Ethernet/IP還是Modbus-TCP/IP,以太網(wǎng)在一些重要的性能指標(biāo)上仍然無法具有現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。從本質(zhì)上來講,以太網(wǎng)的載波幀聽沖突監(jiān)測(cè)CSMA/CD的訪問方式,實(shí)時(shí)性并沒有現(xiàn)場(chǎng)總線采用的令牌總線和令牌環(huán)的訪問方式高,不論人們采用何種方式,如協(xié)議封裝、分時(shí)訪問控制等,都只能改善以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性,起不到本質(zhì)的改變。在當(dāng)前技術(shù)還未完全成熟之前,現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用于控制層,是一個(gè)積極和穩(wěn)妥的選擇。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,今后其取代現(xiàn)場(chǎng)總線而用于控制層也是很有可能的。
監(jiān)控分中心及上位監(jiān)控軟件:
監(jiān)控分中心一般將設(shè)置多臺(tái)SCADA工作站(工控機(jī))。分別用于水廠調(diào)度系統(tǒng)、加藥間(加氯間)、濾站、送水泵房等監(jiān)控,完成污水廠內(nèi)各種設(shè)備的狀態(tài)顯示、自動(dòng)控制、半自動(dòng)控制、打印報(bào)警、分析報(bào)表等工作。同時(shí),監(jiān)控分中心還將設(shè)置了多臺(tái)服務(wù)器,為其它計(jì)算機(jī)提供支援和與監(jiān)控總中心進(jìn)行通信。
PLC的選擇:
施奈德(Schneider)、西門子(Siemens)、歐姆龍(Omron)、羅克維爾(Rockwell)、通用電氣(GE)是全球五大PLC制造廠商和整體方案的提供者,他們的產(chǎn)品面向各自不同的領(lǐng)域,其中在污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用方面,又以羅克維爾、歐姆龍和施奈德的應(yīng)用最為廣泛。
污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)PLC的性能提出了更高的要求,作為污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心控制器,其必須具備以下幾大功能特點(diǎn):首先本身必須穩(wěn)定可靠,并具有預(yù)先處理數(shù)據(jù)和集中傳輸數(shù)據(jù)的能力,具有較高的故障保護(hù)能力;其次,控制分站本地控制器可以獨(dú)立承擔(dān)控制分區(qū)的基本控制任務(wù),即使監(jiān)控站或者監(jiān)控中心因故障停止運(yùn)行,相鄰區(qū)域的控制器也能交換數(shù)據(jù)信息;再次,當(dāng)某控制站的控制量出現(xiàn)變化時(shí),可按預(yù)定方案和程序采取相應(yīng)的算法,對(duì)相關(guān)區(qū)域的控制對(duì)象,比如泵或者加藥系統(tǒng)等做出相應(yīng)的調(diào)整。因此,它必須至少有如下功能模塊,數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)處理功能(實(shí)現(xiàn)集中和獨(dú)立工作方式,尤其是在獨(dú)立控制時(shí)能與相鄰控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換);通信功能、容錯(cuò)功能、自動(dòng)診斷功能和本地操作功能(即能帶觸摸屏)。
必須綜合考慮整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的性能要求和自然條件以及運(yùn)營(yíng)周期對(duì)設(shè)備的要求進(jìn)行選擇,尤其在極端氣候和惡劣環(huán)境狀況條件下或較大規(guī)模的污水處理廠,需要選擇性能更好的雙機(jī)熱備冗余的PLC,如Schneider的2Quantom系列、Rockwell的2ControlLogix、Omron的CS1D系列、Siemens
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