施耐德電氣自動化產(chǎn)品在水廠中的應(yīng)用
發(fā)布時間：2019-08-05 10:03:13來源：
施耐德電氣自動化產(chǎn)品在水廠中的應(yīng)用
【摘要】本文詳細(xì)地介紹了在某典型水廠工程項目中，應(yīng)用施耐德電氣自動化產(chǎn)品對水廠工藝設(shè)備實現(xiàn)監(jiān)控的解決方案。【ABSTRACT】：This paper introduces the solution in detail that Automation products manufactured by Schneider Electric is used to monitor and control the process devices of a certain typical waterworks.
【關(guān)鍵詞】DCS，PLC，上位機，以太網(wǎng)，冗余
【KEY WORDS】：DCS，PLC，HMI，ETHERNET，REDUNDANCY
一、概述
隨著計算機技術(shù)、通訊技術(shù)以及控制技術(shù)日新月異的發(fā)展，控制廠商得以研發(fā)、集成越來越先進(jìn)的控制系統(tǒng)，為過程控制提供多種可選擇的解決方案。水處理行業(yè)為了適應(yīng)整個社會日益強烈的減員增效、信息化運作的發(fā)展趨勢，對其過程控制也提出了越來越高的要求。越來越多的現(xiàn)代化水處理企業(yè)在采用當(dāng)今比較先進(jìn)的水處理工藝設(shè)備的同時，廣泛采用比較先進(jìn)的過程控制系統(tǒng)如DCS或者PLC以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的有序、高效。
筆者就職的國電南瑞科技股份有限公司（簡稱：國電南瑞）是一家業(yè)界著名的高科技股份公司，主要從事電網(wǎng)監(jiān)控、電力市場、配電網(wǎng)管理、變電站監(jiān)控、火電廠監(jiān)控、軌道交通控制以及市政環(huán)保監(jiān)控等領(lǐng)域的技術(shù)研究、軟件開發(fā)、設(shè)備制造、系統(tǒng)集成和工程服務(wù)。
本文介紹國電南瑞應(yīng)用Schneider電氣自動化產(chǎn)品為一大型現(xiàn)代化水廠提供的過程控制解決方案。
二、工藝描述
水廠位于中國西北地區(qū)一重化工基地，承擔(dān)向整個重化工基地提供滿足要求的工業(yè)用水和生活用水，設(shè)計規(guī)模40萬m3/d，工藝流程見下圖：
圖1
下面介紹水廠主要工藝系統(tǒng)。
1、進(jìn)水泵房
進(jìn)水泵房規(guī)模為40萬m3/d。通過軸流泵提升來自水庫的原水，當(dāng)水庫蓄水為正常水位時，來水直接通過進(jìn)水泵房自流進(jìn)入配水井；當(dāng)水庫蓄水水位較低時，來水無法自流進(jìn)入配水井，此時需要啟動軸流水泵提升來水進(jìn)入配水井。
2、配水井
配水井規(guī)模為40萬m3/d。采用溢流堰配水，來水通過溢流堰均勻配水后分別輸送到4座沉淀池。為防止水庫中細(xì)小物質(zhì)、浮游生物等進(jìn)入水廠，配水井中設(shè)有攔污格柵。
3、折板絮凝斜管沉淀池
折板絮凝斜管沉淀池2座，每座池規(guī)模為20萬m3/d，每座池又分為獨立兩組，每組設(shè)計規(guī)模為10萬m3/d。沉淀池為水廠的核心工藝系統(tǒng)，包含了水廠的核心工藝：混合、絮凝和沉淀。
4、濾池
水廠采用V型濾池作為水處理過程中過濾核心工藝的生產(chǎn)系統(tǒng)。該工藝系統(tǒng)還包括濾池反沖洗系統(tǒng)。V型濾池每座池設(shè)計規(guī)模為10.0萬m3/d，正常運行9.0萬m3/d，每座池分為8格，雙排布置。
5、清水池、吸水井、送水泵房
清水池2座，單池有效容積為10000m3；吸水井1座，設(shè)計規(guī)模40萬m3/d，分為完全獨立的兩格，設(shè)手動閘板連通，正常運行時各自獨立運行；送水泵房1座，總設(shè)計規(guī)模40萬m3/d，分為2部分，其中沉淀后水送水規(guī)模為22萬m3/d，濾后水送水規(guī)模為18萬m3/d，泵房均勻供水，兩套系統(tǒng)各設(shè)5臺臥式離心水泵，4用1備。
6、加藥間、儲液池
加藥間、儲藥池為水處理核心工藝絮凝沉淀的加藥而設(shè)置，包括固體藥劑儲藏區(qū)、投配池以及絮凝劑投加系統(tǒng)等。該部分主要工藝設(shè)備包括：原液提升泵、攪拌機，以及投配池進(jìn)出口閥門和計量泵等。
7、回收水池
回收水池1座，40萬ton/d規(guī)模。主要工藝流程為：濾池反沖洗廢水、沉淀池排泥水經(jīng)回收水池處理，上清液采用潛水泵抽送至配水井，與原水充分混合流入混合池后充分利用；回收水池內(nèi)設(shè)有攪拌器以防止污泥沉淀。
三、施耐德解決方案
自動化系統(tǒng)解決方案采用施耐德電氣自動化產(chǎn)品，包括其高端PLC產(chǎn)品MODICON QUANTUM系列，HMI產(chǎn)品XBT觸摸屏。
根據(jù)水廠的工藝流程，結(jié)合DCS和PLC的工程經(jīng)驗，按照功能相對集中和工藝系統(tǒng)相對位置靠近的原則，將整個水廠水處理工藝流程分成四個相互獨立的控制站，按照功能分別叫做：進(jìn)水泵房控制站，加氯加藥控制站，濾池控制站，送水泵房控制站。為了提高整個自動化系統(tǒng)的可靠性，四個控制站PLC系統(tǒng)均采用了QUANTUM熱備配置。
由于施耐德電氣QUANTUM系列產(chǎn)品支持更具開放性的TCP/IP以太網(wǎng)，因此采用100M環(huán)形光纖以太網(wǎng)作為自動化系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)，同時出于系統(tǒng)安全可靠性考慮，采用雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見下圖：
圖2
對于加氯加藥控制站和濾池控制站，分別設(shè)置現(xiàn)場控制單元，并配置XBT觸摸屏，保證運行人員現(xiàn)場巡檢時可以實時了解各現(xiàn)場控制設(shè)備的狀態(tài)。同時現(xiàn)場控制單元跟加氯加藥站和濾池控制站分別進(jìn)行通訊，實現(xiàn)各現(xiàn)場控制單元數(shù)據(jù)在自動化主干網(wǎng)絡(luò)上的共享。
下面分別對四個控制站做詳細(xì)介紹。
1、進(jìn)水泵房控制站
進(jìn)水泵房控制站設(shè)在進(jìn)水泵房。該控制站的監(jiān)控范圍包括：進(jìn)水管道閥門、進(jìn)水泵房、配電間等構(gòu)（建）筑物的設(shè)備及儀表。
該控制站的主要設(shè)備包括一臺XBT觸摸屏，用于本站自動控制、工藝參數(shù)采集和網(wǎng)絡(luò)連接的雙機熱備冗余PLC系統(tǒng)，包括CPU模件、電源模件、DI、DO、AI、AO模件和各種網(wǎng)絡(luò)通訊接口適配器等。其中，XBT觸摸屏的型號為：XBTG5330；熱備冗余的PLC系統(tǒng)包括：140CPS11420電源模件，140CPU43412A主控制器模件，140CRP93100遠(yuǎn)程IO處理器模件，140NOE77100以太網(wǎng)模件以及140CHS21000熱備套件；遠(yuǎn)程IO站包括：140CPS11420電源模件，140CRA93100遠(yuǎn)程IO適配器模件，140DDI35300數(shù)字量輸入模件，140DDO84300數(shù)字量輸出模件，140ACI03000模擬量輸入模件，140ACO02000模擬量輸出模件。
另外，輔助配套不間斷電源，光纖雙環(huán)網(wǎng)通訊的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機，直流開關(guān)電源、信號防雷器以及各種隔離器，以保證整個系統(tǒng)的安全可靠工作。
該控制站完成如下控制功能：
1、 監(jiān)視該部分工藝系統(tǒng)，控制其按照工藝要求正常運行；
2、 通過140CPU43412A主控制器模件上的其中一個MODBUS口，采用MODBUS協(xié)議與低壓系統(tǒng)的多功能數(shù)顯表通訊，監(jiān)視低壓變配電系統(tǒng)的電流、電壓、有功功率、無功功率等信號；
3、 通過熱備系統(tǒng)的以太網(wǎng)模件140NOE77100模件，實現(xiàn)該部分PLC系統(tǒng)的以太網(wǎng)通訊，實現(xiàn)該部分?jǐn)?shù)據(jù)在光纖環(huán)網(wǎng)上共享，供上位機系統(tǒng)采集；
4、 通過140CPU43412A主控制器模件上的另一個MODBUS口，采用MODBUS協(xié)議與XBT觸摸屏通訊，在觸摸屏上顯示該部分系統(tǒng)的生產(chǎn)信息。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。
2、加氯加藥控制站
加氯加藥控制站設(shè)在加藥間，監(jiān)控范圍包括：加藥間、加氯間、回收水池、配水井、沉淀池等，其中在沉淀池上設(shè)4個現(xiàn)場控制單元站，各現(xiàn)場控制單元與加氯加藥控制站之間通過MODBUS PLUS通訊連接。
該控制站的主要設(shè)備包括一臺XBT觸摸屏，用于本站自動控制、工藝參數(shù)采集和網(wǎng)絡(luò)連接的雙機熱備冗余PLC系統(tǒng)，包括CPU模件、電源模件、DI、DO、AI、AO模件和各種網(wǎng)絡(luò)通訊接口適配器等。其中，XBT觸摸屏的型號為：XBTG5330；熱備冗余的PLC系統(tǒng)包括：140CPS11420電源模件，140CPU43412A主控制器模件，140CRP93100遠(yuǎn)程IO處理器模件，140NOE77100以太網(wǎng)模件以及140CHS21000熱備套件；遠(yuǎn)程IO站包括：140CPS11420電源模件，140CRA93100遠(yuǎn)程IO適配器模件，140DDI35300數(shù)字量輸入模件，140DDO35300數(shù)字量輸出模件，140ACI03000模擬量輸入模件，140ACO02000模擬量輸出模件。對于現(xiàn)場控制單元，采用具有更高性價比的QUANTUM 140CPU11302模件作為主控制器模件。
另外，輔助配套愛默生不間斷電源、光纖雙環(huán)網(wǎng)通訊的赫斯曼工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機、直流開關(guān)電源、變頻器、信號防雷器以及各種隔離器，以保證整個系統(tǒng)的安全可靠工作。
該控制站完成如下控制功能：
1、 監(jiān)視該部分工藝系統(tǒng)，控制其按照工藝要求正常運行；
2、 通過熱備系統(tǒng)的以太網(wǎng)模件140NOE77100模件，實現(xiàn)該部分PLC系統(tǒng)的以太網(wǎng)通訊，實現(xiàn)該部分?jǐn)?shù)據(jù)在光纖環(huán)網(wǎng)上共享，供上位機系統(tǒng)采集；
3、 通過140CPU43412A主控制器模件上的其中一個MODBUS口，采用MODBUS協(xié)議與XBT觸摸屏通訊，在觸摸屏上顯示該部分系統(tǒng)的生產(chǎn)信息；
4、 通過140CPU43412A主控制器模件上的MODBUS PLUS口，采用MODBUS PLUS協(xié)議與現(xiàn)場控制單元主控制器模件140CPU11302通訊，實現(xiàn)現(xiàn)場控制單元數(shù)據(jù)在光纖環(huán)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)共享。
現(xiàn)場控制單元完成如下功能：
1、 監(jiān)視沉淀池部分工藝系統(tǒng)，控制其按照工藝要求正常運行；
2、 通過140CPU11302主控制器模件上的MODBUS口，采用MODBUS協(xié)議與XBT觸摸屏通訊，在觸摸屏上顯示該部分系統(tǒng)的生產(chǎn)信息；
3、 通過140CPU11302主控制器模件上的MODBUS PLUS口，采用MODBUS PLUS協(xié)議與加氯加藥控制站主控制器模件140CPU43412A通訊，實現(xiàn)現(xiàn)場控制單元數(shù)據(jù)在光纖環(huán)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)共享。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。
3、濾池控制站
濾池控制站設(shè)在鼓風(fēng)機房及反沖洗泵房，監(jiān)控范圍包括：鼓風(fēng)機房及反沖洗泵房、濾池等構(gòu)（建）筑物的設(shè)備及儀表，其中在16個單格濾池上共設(shè)16個現(xiàn)場控制單元站，各現(xiàn)場控制單元與濾池控制站之間通過MODBUS PLUS通訊連接。
該控制站的主要設(shè)備包括一臺XBT觸摸屏，用于本站自動控制、工藝參數(shù)采集和網(wǎng)絡(luò)連接的雙機熱備冗余PLC系統(tǒng)，包括CPU模件、電源模件、DI、DO、AI、AO模件和各種網(wǎng)絡(luò)通訊接口適配器等。其中，XBT觸摸屏的型號為：XBTG5330；熱備冗余的PLC系統(tǒng)包括：140CPS11420電源模件，140CPU43412A主控制器模件，140CRP93100遠(yuǎn)程IO處理器模件，140NOE77100以太網(wǎng)模件以及140CHS21000熱備套件；遠(yuǎn)程IO站包括：140CPS11420電源模件，140CRA93100遠(yuǎn)程IO適配器模件，140DDI35300數(shù)字量輸入模件，140DDO35300數(shù)字量輸出模件，140ACI03000模擬量輸入模件，140ACO02000模擬量輸出模件。對于現(xiàn)場控制單元，采用具有更高性價比的QUANTUM 140CPU11302模件作為主控制器模件。
另外，輔助配套愛默生不間斷電源、光纖雙環(huán)網(wǎng)通訊的赫斯曼工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機、直流開關(guān)電源、信號防雷器以及各種隔離器，以保證整個系統(tǒng)的安全可靠工作。
該控制站完成如下控制功能：
1、 監(jiān)視該部分工藝系統(tǒng)，控制其按照工藝要求正常運行；
2、 通過熱備系統(tǒng)的以太網(wǎng)模件140NOE77100模件，實現(xiàn)該部分PLC系統(tǒng)的以太網(wǎng)通訊，實現(xiàn)該部分?jǐn)?shù)據(jù)在光纖環(huán)網(wǎng)上共享，供上位機系統(tǒng)采集；
3、 通過140CPU43412A主控制器模件上的其中一個MODBUS口，采用MODBUS協(xié)議與低壓系統(tǒng)的多功能數(shù)顯表通訊，監(jiān)視低壓變配電系統(tǒng)的電流、電壓、有功功率、無功功率等信號；
4、 通過140CPU43412A主控制器模件上的另一個MODBUS口，采用MODBUS協(xié)議與XBT觸摸屏通訊，在觸摸屏上顯示該部分系統(tǒng)的生產(chǎn)信息；
5、 通過140CPU43412A主控制器模件上的MODBUS PLUS口，采用MODBUS PLUS協(xié)議與現(xiàn)場控制單元主控制器模件140CPU11302通訊，實現(xiàn)現(xiàn)場控制單元數(shù)據(jù)在光纖環(huán)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)共享。
現(xiàn)場控制單元完成如下控制功能：
1、 監(jiān)視濾池部分工藝系統(tǒng)，控制其按照工藝要求正常運行；
2、 通過140CPU11302主控制器模件上的MODBUS口，采用MODBUS協(xié)議與XBT觸摸屏通訊，在觸摸屏上顯示該部分系統(tǒng)的生產(chǎn)信息；
3、 通過140CPU11302主控制器模件上的MODBUS PLUS口，采用MODBUS PLUS協(xié)議與濾池控制站主控制器模件140CPU43412A通訊，實現(xiàn)現(xiàn)場控制單元數(shù)據(jù)在光纖環(huán)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)共享。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。
4、送水泵房控制站
送水泵房控制站設(shè)在送水泵房，監(jiān)控范圍包括：監(jiān)控范圍包括：送水泵房、清水池、吸水井、變配電間、鍋爐房等構(gòu)（建）筑物的設(shè)備及儀表。
該控制站的主要設(shè)備為用于本站自動控制、工藝參數(shù)采集和網(wǎng)絡(luò)連接的雙機熱備冗余PLC系統(tǒng)，包括CPU模件、電源模件、DI、DO、AI、AO、RI模件和各種網(wǎng)絡(luò)通訊接口適配器等。其中熱備冗余的PLC系統(tǒng)包括：140CPS11420電源模件，140CPU43412A主控制器模件，140CRP93100遠(yuǎn)程IO處理器模件，140NOE77100以太網(wǎng)模件以及140CHS21000熱備套件；遠(yuǎn)程IO站包括：140CPS11420電源模件，140CRA93100遠(yuǎn)程IO適配器模件，140DDI35300數(shù)字量輸入模件，140DDO35300數(shù)字量輸出模件，140ACI03000模擬量輸入模件，140ACO02000模擬量輸出模件。
另外，輔助配套愛默生不間斷電源、光纖雙環(huán)網(wǎng)通訊的赫斯曼工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機、直流開關(guān)電源、信號防雷器以及各種隔離器，以保證整個系統(tǒng)的安全可靠工作。
該控制站完成如下控制功能：
1、 監(jiān)視該部分工藝系統(tǒng)，控制其按照工藝要求正常運行；
2、 通過熱備系統(tǒng)的以太網(wǎng)模件140NOE77100模件，實現(xiàn)該部分PLC系統(tǒng)的以太網(wǎng)通訊，實現(xiàn)該部分?jǐn)?shù)據(jù)在光纖環(huán)網(wǎng)上共享，供上位機系統(tǒng)采集；
3、 通過140CPU43412A主控制器模件上的其中一個MODBUS口，采用MODBUS協(xié)議與低壓系統(tǒng)的多功能數(shù)顯表通訊，監(jiān)視低壓變配電系統(tǒng)的電流、電壓、有功功率、無功功率等信號；
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。
四、小結(jié)
整個方案結(jié)構(gòu)簡單，綜合運用了QUANTUM系列PLC的高端產(chǎn)品、低端產(chǎn)品以及XBT觸摸屏人機界面等，同時還包括跟第三方系統(tǒng)的通訊，當(dāng)然也涵蓋了CONCEPT以及Vijeo Designer的應(yīng)用。
目前該自動化解決方案已經(jīng)在水廠成功應(yīng)用，實現(xiàn)了水處理工藝的自動化運行，從而大大減少了運行人員數(shù)量，降低了運行維護(hù)的工作量；解決方案采用了開放的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，為該水廠以后的信息化管理提供了物理基礎(chǔ)