摘要:本文介紹了貝加萊緊湊智能型Power Panel和分布式X20 I/O在污水處理廠自動化系統(tǒng)中的應用。基于Ethernet POWERLINK現(xiàn)場總線(一種工業(yè)實時以太網(wǎng))和工控組態(tài)軟件Power Vision的分布式控制系統(tǒng),實現(xiàn)了對污水處理廠的自動控制和監(jiān)控。整個系統(tǒng)采用上位機集中管理和現(xiàn)場控制站分散控制的方式,其上位機與現(xiàn)場站之間組網(wǎng)簡單、運行速度快、通信穩(wěn)定性強,操作可視化程度高,這些特點有利于提高污水處理設備的運行效率和管理水平。運行實踐表明該系統(tǒng)具有較高的推廣應用價值。
關鍵詞:緊湊智能型Power Panel;X20 I/O;Ethernet POWERLINK;PowerVision;污水處理
1 引言
水是人類生活和國民經(jīng)濟發(fā)展的不可或缺的重要資源。隨著經(jīng)濟的發(fā)展,工業(yè)現(xiàn)代化的加快,人口的高度集中,城市用水量和污水的排放量不斷增加,加劇了用水緊張和水質(zhì)污染。
建設可靠、穩(wěn)定、先進、經(jīng)濟和可擴展的水處理自動化系統(tǒng)已經(jīng)成為自動化和城市水行業(yè)營運管理部門共同關心的問題。微電子、通信、自動化和計算機技術(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,也同時促進了水處理自動化系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展。
在污水處理控制系統(tǒng)中,存在著分布區(qū)域廣、設備分散、控制點多、控制信息量較大、輸入/輸出點以開關量居多而模擬量相對較少等特點,比較適合采用PLC(或PCC)來進行控制。因此,以PLC為控制核心就成為污水處理廠自動控制系統(tǒng)架構(gòu)的主要模式。
2 污水處理的工藝流程
目前污水處理的工藝主要包括SBR、A/O 、氧化法、CASS、HCR高效生物、膜生物法等方式。污水處理廠工藝的選擇要根據(jù)占地面積、運行成本、總投資和自動化程度等因素和實際情況來選用適合的污水處理工藝。無論什么工藝,一般污水處理都包括一級處理和二級處理兩部分,不同工藝的關鍵在于生化反應階段工藝的不同。一級處理部包括粗格柵、進水泵房、細格柵、旋流沉沙池;二級處理部分包括生化池、儲泥池、脫水機房、消毒池。
污水處理的工藝流程如圖1所示。
圖1 污水處理的工藝流程
3 基于貝加萊控制方案的污水處理廠自動化系統(tǒng)
3.1 系統(tǒng)構(gòu)成
根據(jù)城市污水處理廠工藝流程、廠區(qū)布置、生產(chǎn)和管理體制等方面的具體要求,污水處理廠自動化系統(tǒng)主要由現(xiàn)場控制層、集中監(jiān)控層、廠部生產(chǎn)管理層和公司級生產(chǎn)調(diào)度層組成 。
現(xiàn)場控制層是污水處理自動化系統(tǒng)的基礎,構(gòu)成它的裝置主要有PLC(或PCC)、過程檢測儀表和機電控制設備等。根據(jù)廠區(qū)平面布置及工藝流程的特點,該層一般由以下工段的PLC工作站組成:污水預處理系統(tǒng)/進水泵房;生化處理系統(tǒng)/配電中心;鼓風機房(如有鼓風機曝氣);污水消毒系統(tǒng)/出水泵房;污泥處理系統(tǒng)/脫水車間。hhhh3.2 貝加萊控制方案
3.2.1 系統(tǒng)構(gòu)架
根據(jù)污水處理廠的特點和控制要求,提出了基于貝加萊工控產(chǎn)品的自動化系統(tǒng)方案,其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。
3.2.2 特點
在每個現(xiàn)場控制站上,操作員可從現(xiàn)場的觸摸屏(PP420)上看到整個工藝段的數(shù)據(jù),方便讀取、監(jiān)控及操作,便于現(xiàn)場設備維護。
圖2 基于貝加萊工控產(chǎn)品的污水處理自動化系統(tǒng)架構(gòu)
緊湊智能型Power Panel系列,集成了控制器,顯示和靈活的接口,與第三方控制系統(tǒng)兼容,產(chǎn)品緊湊的設計和性價比使之廣泛地應用在工控行業(yè)。X20 I/O,不僅僅是一個遠程I/O系統(tǒng),而是一個完整的控制方案。根據(jù)客戶的要求以及單個項目的要求,X20系列產(chǎn)品能連接所有的必要組件。
3.2.3 優(yōu)勢
( 1 ) 其集成軟件平臺Au t oma t i o n St u d i o , 支持6 種IEC-61131(LD、IL、ST、SFC、CFC、 FBD) 編程語言和2種高級語言(ANSI C、B&R Automation Basic)。
(2)高速實時的Ethernet POWERLINK總線系統(tǒng)
POWERLINK遠程I/O擴展方式,介質(zhì)為以太網(wǎng)交叉線。
通訊速率為100Mb,通訊距離為100米。
可采用總線型、樹型、環(huán)型,星型。避免了其它現(xiàn)場總線因單一結(jié)構(gòu)(總線型)帶來的不便。如每遠程I/O站可獨立工作,斷開任何一個I/O站也不會造成關鍵影響。
圖3示出了有關各類總線的技術(shù)性能比較。
圖3 各類現(xiàn)場總線的技術(shù)性能比較
(3)站間數(shù)據(jù)通訊(如圖4所示)各控制站可獨立運行。各獨立站之間可有數(shù)據(jù)交換。貝加萊有專門用于CPU之間通訊的協(xié)議IMA,通訊介質(zhì)可為以太網(wǎng)、 CAN、串線等,組態(tài)方便。支持路由。
圖4 站間數(shù)據(jù)通訊
(4)方便快捷的診斷工具通過IE就可診斷CPU、IO狀態(tài),無須編程軟件。VNC Client客戶端可顯示現(xiàn)場屏畫面和完成操作,如圖5所示。
(5)方便快捷的維護工具(如圖6所示)一鍵自動安裝程序;使用生成的 CD-ROM 啟動盤(帶有autoplay);使用生成的CF卡。
(6)一鍵自動升級程序應用程序或操作系統(tǒng)升級可通過 CD-ROM、CF卡或在線接口實現(xiàn)。
圖5 VNC Client可顯示現(xiàn)場畫面并完成操作
圖6 應用程序或操作系統(tǒng)升級
3.2.4 上位監(jiān)控系統(tǒng)
(1)上位監(jiān)控軟件
Power Vision組態(tài)軟件可方便快速地從控制站上上載變量,加快組態(tài)的進程,并支持數(shù)組、結(jié)構(gòu)體變量的上載。Power Vision是一款完全基于windows平臺的流程監(jiān)控軟件,使用起來方便簡捷,運行起來穩(wěn)定可靠。
污水處理自動化系統(tǒng)的上位監(jiān)控部分主要配置了粗/細格柵、進水泵房、生化池、污泥回流泵房和消毒池等流程畫面。操作員通過流程畫面在中控室就可以掌握整個工廠的運行情況,完成設備的啟停操作。
(2)PowerVision的用戶安全管理系統(tǒng)
PowerVision軟件為用戶提供了一個強有力的安全管理系統(tǒng)。在“PowerVision”的開發(fā)系統(tǒng)里可以對所創(chuàng)建的工程進行加密,必須輸入正確的密碼才能進入該工程的開發(fā)系統(tǒng)。對畫面上的圖形對象也可設置訪問權(quán)限,同時給各類操作者分配不同的訪問優(yōu)先級權(quán)限和安全區(qū),當操作者擬進行操作時,如其優(yōu)先級低于對象所要求的訪問優(yōu)先級或不在對象的訪問安全區(qū)內(nèi)時,則不可訪問該對象。即欲訪問一個有權(quán)限設置的對象,要求操作者必須具有相應的訪問優(yōu)先級,且操作者的操作安全區(qū)須在對象的安全區(qū)內(nèi)方能訪問。PowerVision以此方式來保障系統(tǒng)的安全運行。
(3)PviUser界面可完成各類變量的創(chuàng)建和上載設備配置PviUser界面可以完成CPU變量的上載,上載包括全局變量和各個任務下面的局部變量,在上載的同時可以設置監(jiān)控軟件從CPU中實時采集數(shù)據(jù)的頻率,還可以手動創(chuàng)建全局變量、任務及任務里的局部變量,這樣以便在沒有CPU站的時候,也可以按照原設計IO變量完成上位監(jiān)控畫面的組態(tài)。
圖7 PviUser界面
3.2.5 網(wǎng)絡通訊
利用各PP420自帶以太網(wǎng)接口實現(xiàn)現(xiàn)場控制站之間的通訊,以及與監(jiān)控中心數(shù)據(jù)通訊。光纖連接現(xiàn)場站和監(jiān)控中心。分布式I/O擴展采用100M速率的Ethernet PowerLink總線。RS485接口模塊與現(xiàn)場站儀器儀表通訊。
Ethernet POWERLINK(EPL)標準是一種可滿足最苛刻要求(4級)、并已投入實際應用的實時工業(yè)以太網(wǎng)。EPL的主要技術(shù)指標有:用標準以太網(wǎng)IEEE802.3u(Fast Ether-net)作為傳輸媒介;傳輸速率100Mb/s;使用標準Hub和標準接線;實時數(shù)據(jù)傳輸周期最小達200μs;抖動小于1μs;可同時傳輸實時和非實時數(shù)據(jù)以及 IP協(xié)議;使用以太網(wǎng)標準硬件設備,并且支持冗余技術(shù)。它不僅具有工業(yè)以太網(wǎng)標準的可靠性及環(huán)境適應性,還很好地解決了標準以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的實時性問題。
貝加萊控制系統(tǒng)支持分時多任務操作系統(tǒng),每個觸摸屏現(xiàn)場控制站均采用一個開發(fā)軟件AS來開發(fā),是面向?qū)ο蟮木幊谭绞健S軟件提供完善的PID算法,對完成生產(chǎn)過程壓力、溫度、流量等工藝參數(shù)進行PID回路調(diào)節(jié)。高性能的控制器和支持帶電插拔X20 I/O 系統(tǒng),單個模塊或部件的損壞不會影響其它設備的正常運行,提高了污水控制系統(tǒng)的可靠性,有利于系統(tǒng)的維護。I/O就地接入,再通過總線接入PP420,通訊介質(zhì)為屏蔽雙絞線,減少布線成本,提高電氣系統(tǒng)可靠性,實現(xiàn)就近接線,遠程監(jiān)控。PP420接口豐富,可以提供RS232、RS485、Profibus-DP等與第三方設備的通訊接口,方便用戶擴展和使用。
4 結(jié)束語
貝加萊污水處理自動化系統(tǒng)是基于PCC、計算機、數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡及軟件系統(tǒng)的污水處理廠實時控制和管理系統(tǒng),使污水處理廠的自動化控制水平得到全面提升,可以安全、可靠地實現(xiàn)各種復雜污水處理工藝流程,減少人為因素帶來的事故隱患,保證污水處理質(zhì)量,同時能提高工作效率和經(jīng)濟效益,使傳統(tǒng)污水處理廠的生產(chǎn)運行及管理產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。
貝加萊(B&R)的自控系統(tǒng)滿足了污水處理廠運行管理和安全處理的要求,即生產(chǎn)過程自動控制和報警、自動保護、自動操作、自動調(diào)節(jié)、提高了運行效率,降低了運行成本,減輕了勞動強度,對污水處理廠內(nèi)各系統(tǒng)工藝流程中的重要參數(shù)、設備工況等進行集中實時監(jiān)測,對重要設備進行集散控制。目前使用該系統(tǒng)的污水處理廠從正式投運至今,控制設備運行正常,污水處理廠的出廠水質(zhì)達到了設計排放標準。
參考文獻:
[1] 趙奎霞. 水處理工程(第二版)[M].中國環(huán)境科學出版社, 2008.
[2] B&R. PCC初級培訓教程.
左蘇平(1980-)女,現(xiàn)為貝加萊工業(yè)自動化(上海)有限公司工程師,從事工業(yè)自動化技術(shù)工作8年。
摘自《自動化博覽》2012年第四期