[摘要]福州祥坂污水處理廠有4臺鼓風(fēng)機,采用的是西門子的S5-101U序列PLC。由于S5序列PLC當(dāng)前已處于淘汰狀態(tài),備件難以獲得,并且價格昂貴,所以需要對鼓風(fēng)機系統(tǒng)進(jìn)行升級?紤]到相同品牌的兼容性,所以采用了主流的S7-200序列PLC進(jìn)行改造。改造完成后,鼓風(fēng)機達(dá)到了原系統(tǒng)的所有功能,并且在原基礎(chǔ)上增加了遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作功能,使鼓風(fēng)機子系統(tǒng)和全廠自動化得到了整合。
[關(guān)鍵詞]鼓風(fēng)機;S7-200;S5;Profibus
福州市祥坂污水處理廠是福州市規(guī)劃建設(shè)的第一個污水廠,是市區(qū)內(nèi)河綜合整治系統(tǒng)工程的主體項目。工程于1992年籌建,1995年底建成運行。污水廠主要處理福州市西湖截污管、白馬河以西及其支流大慶河兩岸匯集來的污水,服務(wù)面積約560km2,設(shè)計污水處理能力5萬m3/日,全廠主要設(shè)備和自控、儀表均利用芬蘭政府貸款從芬蘭YIT公司引進(jìn),工程投資約8000萬元。該工程在國內(nèi)是一個較早采用具有脫氮除磷A/O工藝和利用國外政府貸款的污水處理廠,也是國內(nèi)較早采用盤式微孔曝氣和潛污泵技術(shù)的項目。污水廠具有工藝設(shè)計先進(jìn)、適用,總體布置合理緊湊,占地指標(biāo)較小(0.68m2/m3污水)的特點。污水廠運行以來,泥、水處理效果良好、穩(wěn)定,對保護(hù)福州段閩江水環(huán)境發(fā)揮了重要作用。該廠2005年擴建2.5萬m3/日后總規(guī)模為7.5萬m3/日,擴建工程已于2006年竣工投產(chǎn)。在配套管網(wǎng)支持下,能按設(shè)計規(guī)模運行。
鼓風(fēng)機是污水處理廠比較核心的設(shè)備,基本上都要求進(jìn)口產(chǎn)品,以確?煽啃,如法國HIBON,德國AERZEN的羅茨風(fēng)機等。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展,一部分設(shè)備也面臨著淘汰的狀態(tài),亟須對其進(jìn)行升級改造。當(dāng)前工廠自動化向著總線和網(wǎng)絡(luò)等集成化趨勢發(fā)展,所以一些老設(shè)備也亟須尋求新舊系統(tǒng)的解決方案。本次正是基于高端自動化解決方案提出,對該廠的鼓風(fēng)機進(jìn)行改造升級。
一、對鼓風(fēng)機系統(tǒng)進(jìn)行改造的主要原因
目前國家對環(huán)保要求很嚴(yán),全國各地都在建污水處理廠。 2004年,福州市順利通過國家環(huán)?偩烛炇,獲得“國家環(huán)保模范城市”榮譽稱號,成為全國第五個獲得這一榮譽稱號的省會城市。 4年多時間里,在已建成洋里、金山、祥坂、快安和馬尾等5座污水處理廠的基礎(chǔ)上,投入2.4億元重點開展市區(qū)污水處理廠擴容和污水管網(wǎng)配套建設(shè),祥坂污水處理廠擴容2.5萬噸/日,達(dá)7.5萬噸/日;洋里污水處理廠擴容10萬噸/日,達(dá)30萬噸/日。目前城市污水處理能力達(dá)46.5萬噸/日,全市生活污水處理率由2004年的65%提高到目前的80%以上。
而祥坂污水處理廠,全廠自控系統(tǒng)2005年通過升級,在中控室對廠內(nèi)大部分設(shè)備(包括潛水泵、電動閥、刮泥機等)運行狀態(tài)和各種運行參數(shù)都已實現(xiàn)了實時監(jiān)控,并能遠(yuǎn)程控制和設(shè)備間的聯(lián)動,F(xiàn)有丹麥鼓風(fēng)機是國外進(jìn)口,鼓風(fēng)機自帶一套控制系統(tǒng),人機界面為控制面板,在控制面板上操作設(shè)備開停,設(shè)備的故障也顯示在控制面板上,并且沒有外接信號端口,無法使鼓風(fēng)機的運行參數(shù)接入到該廠自控系統(tǒng),無法實現(xiàn)在中控室對其運行參數(shù)實時監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制,更無法實現(xiàn)依據(jù)曝氣池的DO5值變化自動調(diào)整鼓風(fēng)機的供氣量。所以,必須對鼓風(fēng)機的控制系統(tǒng)進(jìn)行升級改造,使其與廠自控系統(tǒng)形成一體,才能對整個風(fēng)機系統(tǒng)實現(xiàn)PLC的自動控制和監(jiān)視功能,做到最大的兼容性。改造后實現(xiàn)了就地和遠(yuǎn)程的雙重控制,中控計算機失去控制能力各臺鼓風(fēng)機也仍然可以就地操作,最大限度地避免停產(chǎn)的風(fēng)險,提高了運行效率,降低了能耗。原系統(tǒng)采用的是西門子公司的S5序列PLC。目前S5序列PLC已處于停產(chǎn)狀態(tài),庫存量極少,購買備件成本極高,對以后的維護(hù)很不方便。所以,本系統(tǒng)采用同品牌西門子的S7-200序列PLC進(jìn)行改造。
二、對鼓風(fēng)機系統(tǒng)進(jìn)行改造的范圍與方案
(一)鼓風(fēng)機系統(tǒng)進(jìn)行改造的范圍
對鼓風(fēng)機房4臺鼓風(fēng)機PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行改造, 4臺鼓風(fēng)機可通過就地和遠(yuǎn)程兩種方式進(jìn)行操作。
為使鼓風(fēng)機系統(tǒng)安全和正常的運行,整個風(fēng)機系統(tǒng)的技術(shù)改造把控制分為三級控制方式:本地手動控制、PLC遠(yuǎn)程手動遙控和自動控制。(1)本地手動控制。將現(xiàn)場“手動/自動”選擇開關(guān)切換到手動,鼓風(fēng)機設(shè)備由本地控制柜上的控制按鈕直接控制其開、停。這是最高優(yōu)先級,在這種方式下PLC系統(tǒng)僅對鼓風(fēng)機系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視,而不能控制,現(xiàn)在風(fēng)機系統(tǒng)采用的是這種運行方式,但改造后這種運行方式只在風(fēng)機調(diào)試和檢修時使用。(2)PLC遠(yuǎn)程手動遙控。將現(xiàn)場“手動/自動”選擇開關(guān)切換到自動。污水廠上位機操作系統(tǒng)使用Windows XP Professional版,人機界面及通訊軟件使用組態(tài)iFix。在這種方式下,操作人員用上位機的計算機終端,通過iFix軟件,根據(jù)曝氣池上傳送的溶氧數(shù)值確定風(fēng)機開啟的臺數(shù)和風(fēng)門開啟度,來控制鼓風(fēng)機設(shè)備開停。這種控制方式使操作人員不用到現(xiàn)場就可以控制鼓風(fēng)機設(shè)備的開停和風(fēng)門開啟度調(diào)整,但鼓風(fēng)機之間開停的切換以及換向閥的開閉都必須有運行人員來人為干預(yù)實現(xiàn)。在此模式下,遠(yuǎn)程僅作為本地控制按鈕的延伸或轉(zhuǎn)移,在今后風(fēng)機系統(tǒng)的運行中也只用于調(diào)試或檢修。(3)自動控制。在這種方式下,鼓風(fēng)機設(shè)備的開停、頻率調(diào)整和各個換向閥的開閉切換,都由PLC按照預(yù)先編制好的程序自動完成,不需要運行人員人為干預(yù)。所有鼓風(fēng)機的運行時間、風(fēng)門開啟度調(diào)整、鼓風(fēng)機的開啟臺數(shù),以及換向閥的開閉情況都可以由PLC根據(jù)現(xiàn)場溶解氧數(shù)值的情況進(jìn)行自動調(diào)整,每臺鼓風(fēng)機的運行情況也都可以由PLC系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視并存儲備份。
四臺鼓風(fēng)機的狀態(tài),包括運行、故障等參數(shù),如風(fēng)門開啟度大小等均可傳送到中控室計算機上顯示。中控計算機也可以遠(yuǎn)程對鼓風(fēng)機啟停、風(fēng)門大小調(diào)節(jié)等進(jìn)行操作,達(dá)到在鼓風(fēng)機正常運行時無人值守的目的。改造后的系統(tǒng),在保持原來就地操作不變的情況下,擴展中控調(diào)節(jié)能力。就地操作的方式和流程不予改變,做到最大的兼容性,即使中控計算機失去控制能力各臺鼓風(fēng)機也仍然可以就地操作,最大限度地避免停產(chǎn)的風(fēng)險。
(二)鼓風(fēng)機系統(tǒng)進(jìn)行改造的方案
鼓風(fēng)機系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示:
1.鼓風(fēng)機控制系統(tǒng)改造
每臺鼓風(fēng)機反饋和控制的I/O包括:
(1)鼓風(fēng)機運行狀態(tài):運行/停止、手自動、泄空閥開啟和關(guān)閉、風(fēng)門全開和全關(guān)、啟動允許狀態(tài)等。其中運行/停止、風(fēng)門全開和全關(guān)、啟動允許為原系統(tǒng)已提供信號輸出,手自動、泄空閥開啟和關(guān)閉狀態(tài)信號為原PLC內(nèi)部狀態(tài)點,不提供I/O輸出。
(2)鼓風(fēng)機報警狀態(tài):油壓過低、油溫過高、沖擊報警、循環(huán)故障報警、電機溫度過高5個獨立報警以及1個總報警。當(dāng)5個獨立報警其中任意一個發(fā)生時均發(fā)生總報警。原系統(tǒng)PLC只提供一個總報警輸出。
(3)外部對鼓風(fēng)機控制:原鼓風(fēng)機控制系統(tǒng)中已預(yù)留外部控制點,包括:啟動/停止、開啟風(fēng)門和關(guān)閉風(fēng)門3個控制點。
從以上所列出的原系統(tǒng)I/O點可以看出,原鼓風(fēng)機控制系統(tǒng)只提供:啟停、開關(guān)風(fēng)門控制,風(fēng)門全開全關(guān)狀態(tài)以及總故障報警狀態(tài)。還缺少的狀態(tài)點包括:風(fēng)門開啟度(連續(xù)量)、5個單獨的故障報警點、現(xiàn)場緊急停止?fàn)顟B(tài)和風(fēng)門目標(biāo)值控制幾個重要的數(shù)據(jù)。這些參數(shù)對于中控室進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)是至關(guān)重要的。所以,針對這個特點制定如下改造方案。
如圖1所示,各臺鼓風(fēng)機控制系統(tǒng)的PLC均更換為西門子公司的S7-200序列PLC。S7-200和S5均為西門子公司的PLC產(chǎn)品,可以在最大程度上達(dá)到兼容度,也就是說改造后可以快速地切換到新系統(tǒng)運行,縮短改造周期,不影響生產(chǎn)。
原系統(tǒng)采用S5序列PLC,均為DI/DO開關(guān)量控制,無模擬量控制。對于DI/DO,S7-200有相應(yīng)的模塊替代S5,很容易即可實現(xiàn)。另外,中控室需要顯示鼓風(fēng)機當(dāng)前風(fēng)門的開度大小,并依據(jù)開度和所需空氣量調(diào)整鼓風(fēng)機。所以,風(fēng)門的當(dāng)前模擬量必須進(jìn)入到PLC。在此,增加一個模擬量輸入模塊,將風(fēng)門就地顯示量采集入控制系統(tǒng)。風(fēng)門開度為4-20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號,可直接進(jìn)入模擬量模塊。
風(fēng)門開度進(jìn)入S7-200 PLC后,中控只需輸入所需的風(fēng)門開度,通過預(yù)先編寫的PLC程序即可自動對開度進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)風(fēng)門開度的PLC程序存放在S7-200內(nèi),達(dá)到最快地調(diào)節(jié)響應(yīng)速度。
2.Profibus網(wǎng)絡(luò)
為實現(xiàn)中控室對各臺鼓風(fēng)機的遠(yuǎn)程遙控和狀態(tài)監(jiān)視,需要將4臺鼓風(fēng)機連接進(jìn)入到現(xiàn)有全廠總線網(wǎng)絡(luò)。考慮到鼓風(fēng)機系統(tǒng)為一個比較獨立的系統(tǒng),避免對全廠控制網(wǎng)絡(luò)的影響,所以建立一個Profibus子網(wǎng),將水控室S7-300 PLC和4臺鼓風(fēng)機的S7-200組成網(wǎng)絡(luò)。
為將S7-200加入到Profibus網(wǎng)絡(luò),在每臺鼓風(fēng)機PLC上配置一塊EM277模塊。EM277為S7-200專用Profibus從站模塊,不需任何的軟件配置,只需將其連接入S7-200 PLC即可,基本不需維護(hù)。將4臺鼓風(fēng)機的EM277模塊通過Profibus電纜連接后,再連接到水控室的S7-300 PLC中。水控室S7-300 PLC加入一塊CP342模塊作為Profibus主站,組成Profibus子網(wǎng)。
組成Profibus網(wǎng)絡(luò)后,水控的PLC通過STEP 7進(jìn)行重新配置,加入對新網(wǎng)絡(luò)的支持,中控室即可對4臺鼓風(fēng)機進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視和控制。監(jiān)視和控制的內(nèi)容除了I/O點外,還可以包括內(nèi)部的狀態(tài)點,即就地顯示的狀態(tài)量進(jìn)入PLC后即可在中控室顯示。(1)點所提到的每臺鼓風(fēng)機反饋和控制的I/O均能反饋到中控室顯示。
3.中控室人機界面升級
現(xiàn)場到PLC系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)改造完成后,所有的I/O和狀態(tài)均可反映到中控室,所以中控室需要對鼓風(fēng)機部分的畫面進(jìn)行升級。
鼓風(fēng)機的EM277作為從站,起一個數(shù)據(jù)對S7-300主站輸入輸出功能,和中控室計算機交換的數(shù)據(jù)需要S7-300(水控室PLC)進(jìn)行處理。和其他設(shè)備相似,在水控室PLC內(nèi)部增加相應(yīng)的處理程序(梯形圖),將交換的數(shù)據(jù)映射到中控室交換數(shù)據(jù)區(qū)。
中控室計算機獲取到現(xiàn)場鼓風(fēng)機數(shù)據(jù),通過在iFix畫面上增加相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示和控制功能,提供操作人員直觀的界面。iFix畫面的編寫方式和風(fēng)格與其他設(shè)備相似,保持操作的習(xí)慣性。
三、本鼓風(fēng)機系統(tǒng)改造方案的優(yōu)點
經(jīng)過上述方案的改造后,4臺鼓風(fēng)機即進(jìn)入到全廠的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),除了原來簡單的運行狀態(tài)、電流狀態(tài)監(jiān)視外,鼓風(fēng)機內(nèi)部的所有運行狀態(tài)均可在中控室顯示,操作人員可實時掌握鼓風(fēng)機的運行情況。另外,還增加了遠(yuǎn)程調(diào)控功能,包括啟停、風(fēng)量調(diào)節(jié)等,操作人員只需在控制室即可操作,達(dá)到現(xiàn)場無人值守等目的。
本方案采用S7-200這種主流的PLC替代已停產(chǎn)的S5序列PLC,解決了維護(hù)過程中的備件問題。另外,通過S7-200和S5序列比較,S7-200不采用后備電池方式運行,完全可避免若干年后由于電池電量過低導(dǎo)致S5程序丟失或混亂造成的停機現(xiàn)象。
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