套子湾污水厂自控系统升级改造研究

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摘要：对套子湾污水厂原有自控系统与其升级改造方案进行对比分析研究，阐述方案中关键技术要点・并就自控系统备件管理进行分析。

关键词：污水处理；系统升级；备件管理

中图分类号：TB　文献标识码：A　文章编号：1672-3198(2010)11-0363-02

套子湾污水处理厂自1998年10月开始运行，随着国家污水处理标准的提高于2007年准备进行二级处理扩建工程，该工程对治理城市水体，保护和改善市区及近海生态环境具有重要的意义。该工程是利用德国政府贷款的环境项目，扩建工程规模日二级处理16万吨污水，加上原有二级处理4万吨／日的处理规模，全部日处理污水为二级处理20万吨／天。为了在这次升级改造过程中能够彻底解决目前自控系统存在的问题，更好的服务于现场生产运行，现对套子湾污水处理厂自控系统结构做一分析，并对相关改造工作、备件的管理进行分析、研究。

1　套子湾污水厂原有自控系统分析及相关升级方案

烟台市套子湾污水处理厂一期工程采用了二级分布式计算机控制管理系统，对污水处理厂的工艺过程进行分散控制，集中管理。一期工程设一座中央控制室、五座现场控制站(包括机械处理单元、排海单元、二级处理单元、污泥处理单元、深度处理单元)。相应的自控系统主要由中控室、现场五个处理区PLC控制站、现场具体设备的微处理器、现场仪表、现场各个设备的传感器等几部分组成。中控室属中央监控管理级，现场五个PLC控制站属现场PLC控制级，现场的微处理器属就地控制级，而现场仪表、各设备传感器负责现场区域内信号参数和状态数据采集、监控。

我厂的整个控制网络，总分为监控通信层网络和控制层网络，采取冗余性光纤环网，以确保信息准确安全的采集、传输。所有连接系统采用802.3标准的工业以太网系统，802.3定义了信息帧格式，信息采用曼彻斯特编码；现场控制信号采取Profibus／DP／Devicenet／Modibus等通讯协议，以基带方式传输，传输介质主要有10BASE5(粗缆)、10BASE2(细缆)、10BASE―T(双绞线电缆)、10BASE―F(光纤)，我厂根据信息传输距离的要求在不同的区域使用。

2　套子湾污水厂自控系统升级方案

在本次烟台市套子湾污水处理厂二级处理扩建工程中将在自动化设计方面包括两方面任务，一方面为本次扩建16万吨二级处理单元新建一套计算机控制管理系统，另一方面吸取一期工程的经验，本着尽可能利用一期工程已有的设备前提，改造更换一期工程中使用的现在已较为落后和已损坏的自动化的软硬件设备，改造完善一期工程的自动化系统。把两套自动化系统融合为一体，新建上位计算机自动化管理系统和数据管理系统。

2.1　主体自控系统设计思路

中控室上层监测系统控制系统全部换掉，根据实际要求重新设置硬件、软件系统，将局域网、监控系统重点纳入。

现场除了已有的五个PLC工作站，由于我厂二期扩建。需要增加四个PLC工作站，我们可以把这九个PLC工作站纳入一个整体来考虑。按统一配置全部更换软、硬件，可以方便以后管理、维护。

现场设备微处理器也可以同二期工程一起来规范考虑全部更换、统一配置，采取统一软件管理，方便以后管理、维护。

现场仪表、现场设备传感器按工艺运行要求标准进行更换，达到要求。

总体来说，该系统的硬件升级组网由于有相应的模型要求标准，相对容易一些，由于相关硬件系统全部更换，原先的软件系统已无法满足要求，其难点主要在于根据工艺要求来对软件进行要求设置；现场大部分原有设备不换，新的自控系统与原有的设备兼容问题。其目标要求是，在新的操作系统完成后，一期、二期工程溶为一体，一期原有设备能够按工艺运行标准安全稳定运行。

2.2　具体自控实施方案

(1)中控室：所有设备构成局域以太网系统，采取TCP／IP协议现场接人方式：采取100M光纤以太网运行标准，现场PLC工作站单光纤同上部双交换机接人、单环网冗余方式。由于现场电缆沟接人是固定线路的，在同一电缆沟到现场PLC站走双光纤接人，一旦电缆沟出现问题，双光纤可能同时出现问题，另外增加了上层网络节点，所以没有设双光纤接人的必要。

(2)双服务器：为了防止服务器故障，采取双服务器系统，为了防止单服务器出现故障。服务器最后采取RIAD5矩阵硬盘系统，即一个运行硬盘同时向几个硬盘备用做热备冗余，其操作系统可采取WIN2003 Server版本，均有自身数据库网络管理系统、建网系统，而且还有相关的网络模型模拟测试系统，并且大多数数据库操作软件易操作。开放性源代码，便于修改管理。

(3)双操作站：做好操作站监测软件的制作，相应的PLC产品都有自带的模拟运行组态软件，建网时可相关的组态软件库选取模型，然后按九个PLC工作站重新设置，按实际工艺要求将相关仪表、现场设备传感器的相关参数显示在工艺操作流程上。

(4)工作师程站：可以用便携式电脑通过串口对现场PLC工作站进行相关运行程序的输入和更改。

(5)监控操作站：可将目前已有的监控信号通过局域网连接人操作站，并且可将二期扩建区域内新设点的监控纳入局域网系统，连接入操作站，并根据连接点、控制要求，设置新的监控软件。在将来，根据运行控制的需要，也可将泵站的监控信号接人。

(6)PLC工作站：相对独立，采取802.3标准的工业以太网标准双接点接人上网，双交换机节点接入主要避免因现场交换机故障而影响整个区域的通信。

2.3　通讯控制分析

由通讯系统和运行服务器、监控计算机组成的中控室对全厂实施集中管理，由分布在现场的现场自动化控制器及现场仪表组成的检测控制系统(分控站)对污水处理厂各个处理过程进行分散控制。各分控站与中央控制室之间由千兆工业以太网进行数据通信。现场控制站与现场测控仪表之间由标准4～20 mA信号连接。现场控制站根据污水处理厂所采用的工艺和构筑物的平面分布，设置在控制对象和信号源相对集中的建筑物中。

从污水处理自动控制系统的构成和分布来看，控制系统具有系统检测点多、执行机构分散、连锁性控制要求高等特点。为适应以上特点，将整个通讯系统划分为2个层次，分为现场检测层(现场控制网络系统)和现场管理层(以太网层网络系统)。同时可以通过以太网扩展接受上一级网络(厂级管理网)的调度，实现PLC控制系统、污水厂管理系统的整体结合。

根据现场设备的分布情况，本方案在现场分区域设置9套可编程逻辑控制器PLC，采用超级冗余环的单环双节点连接结构模式连接各站，这样就将整个污水厂的控制系统构成一个有机的整体。本网络方案特点：

(1)本方案的现场监控系统采用超级冗余环的单环双节点连接结构模式，保证了控制系统的最大可靠性。当主

干链路或节点发生故障的情况下，备份链路在500毫秒内启用，不会对监控系统的正常工作造成影响。

(2)办公楼和现场监控系统通过工业级百兆VPN企业防火墙隔离，从根本上保证了两地的安全通讯。

(3)本系统中，网络不仅用于控制数据的传输，同时也可作为视频的传输平台，实现了“双网合一”既充分利用了以太网的高带宽，又降低了维护网络的费用。

(4)整个方案采用了管控一体化的网络平台，实现了管理网络和控制网络的无缝连接，使管理层可以直接访问控制层的适时数据和视频监控。实现了企业的信息化管理。

工厂网络系统采用客户／服务器模式，总线拓扑网络结构，光纤网，客户／月艮务器(Client／Server)模式的分布式实时关系数据库，自适应10／1000Mbps传输速率，全双工通信，网络连接设备采用交换机或集线器，网络传输介质有光缆、双绞线，主网络系统布线、子网络系统布线统一考虑、综合利用，配置网络操作系统及相关应用软件。3二期升级改造工作中。自控系统维护管理方案的选择

自控设备的管理在我国目前许多方面都存在空白，在套子湾新建自控系统，通过恰当的措施对其维护方法的改善，可以最大限度的提高自控产品的运行性能，增强单位设备效能，增加企业的经济效益。

总的来说，维护方案主要包括：预防型、响应型两种，企业根据自身的实际情况不同，采取不同的维护方案，找出自控安全稳定运行性与费用投入的最佳结合点。

我们在具体应用上可以采用与厂家联合实行全过程预防性维护方案的形式，下面结合本厂的实际情况，就全过程预防性维护方案基本操作程序作如下分析。

全过程预防性维护方案通常包括三个主要步骤：对使用单位自控系统现场状况综合分析一制定完备的即时备件库存管理方案一全方位的维护服务。

(1)与厂家一起对自控系统现场运行状况分析，主要包括：所有自控设备系统详细列表；同类系统的一般工作寿命周期；基本的通常库存情况分析；潜在的设备故障可能造成的生产损失分析；现场工作环境对自控系统运行的具体影响分析；同类产品发生故障的历史记录；年度维护费用概算及费用增减情况分析等，通过上述各项要素的分析，对目前系统状况作一基本了解，并可以通过相关关键参数计算出目前系统的危险指数，作为一步工作的基础。

(2)即时备件库存管理方案是由目前流行提出的新型管理方案，是指生产厂家在一定区域内或客户厂区范围内建立专用的备件存储区，厂家对该备件存储区拥有所有权，客户支付固定的服务费用，一旦发生故障，客户即时提用备件，然后再支付备件费用，厂家随时补充，再根据客户使用情况每年重新更换补充备件的管理方式。

即时备件库存管理方案除了在费用略有节约外，它还包括其它优势：由于每年更新备件，保证了所用备件的先进性，最大可能减少因自控系统更新而造成的备件无法再使用而造成的损失；由于厂家是从备件划出使用时计算备件的保修期，不像以前备件的保修期是从购买时计算，延长了设备的保修期，厂家在安装时必须亲临指导，减少了备件被淘汰所造成的损失。

(3)全方位的维护服务是指所用产品的厂家技术人员通过全方位跟踪维修部件使用情况；定期与客户技术人员进行沟通，持续了解新的情况的发生；向客户提供必要的技术支持和软件支持等手段，让使用产品的客户生产效率更高，以达到降低费用的目的。

套子湾二期扩建项目的白控系统自2009年改造完毕运行至今，彻底解决了原有自控系统的问题，改善了生态环境，为烟台市经济发展和对外开放缔造了优良的外部环境。我们将不断提高自控系统管理水平，加强管理，安全生产运行，更好地为烟台市的城市建设和人民生活服务。