天津石化污水处理工程电气控制系统设计

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　　摘  要：针对中石化天津分公司已有废水处理设施中高浓度、难降解COD废水，采用高效生物反应器（ABR）进行处理，使废水净化，达到排放指标;文章针对此废水处理系统，设计一套全自动控制系统，系统通过S7-400冗余控制器对工艺设备进行控制，中控制室设置SCADA远程监控站，对整套污水处理系统的远程监视和控制，实现污水处理系统自动化控制，有效减轻操作人员工作负荷。
　　关键词：ABR;COD;冗余控制器;SCADA系统
　　中图分类号：X74         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）18-0092-03
　　Abstract： Aiming at the high concentration and difficult to degrade COD wastewater in the existing wastewater treatment facilities of Sinopec Tianjin Branch， the Anaerobic Biological Reactor （ABR） is used to purify the wastewater and reach the discharge target. A set of automatic control system is designed， in which the process equipment is controlled by S7-400 redundant controller， and the SCADA remote monitoring station is set up in the control room to monitor and control the whole sewage treatment system， thus realizing the automatic control of sewage treatment system and effectively reducing the workload of operators.
　　Keywords： ABR; COD; redundant controller; SCADA system
　　1 项目背景
　　为了响应天津市政府建设美丽天津号召，中石化天津分公司将对已有废水处理设施进行改造以满足更严格的排放标准。由于系统废水由烯烃回用设施排水，烯烃循环水排污水，热电化学水处理站中和排水，热电化学水处理站淡化海水精制浓水混合而成，该混合废水中COD具有高浓度（68.8ppm）、难降解特点，故采用ABR特效菌分解难降解COD，使得出水COD能够达到排放标准。该项目控制设备较多，控制可性要求高，系统需实现全自动控制，远程监控等功能，降低操作维护人员的工作强度，充分发挥ABR污水处理系统的效能，提高系统COD处理能力，引出针对以上要求设计出一套全自动控制系统。
　　2 电气控制系统设计
　　2.1 系统结构设计
　　ABR废水处理控制系统是一个较复杂的工业控制系统，便于有效提高系统设计效率，缩短开发周期，采用模块化设计，将此系统划分为5个功能模块单元，以便分步设计，单独调试，最后进行系统集成;5个功能模块分别为上位机监控模块，PLC控制模块，控制柜模块、动力柜及现场操作控制模块。
　　2.2 系统各模块功能设计
　　2.2.1 上位机监控模块设计
　　该模块选用WinCC系统软件完全版V7.3（亚洲版8192外部变量），利用WinCC开发版软件编制出污水处理系统的上位机监控画面，其主要功能是显示污水处理系统工艺控制过程、污水处理设备间的联锁关系、设备动态工作状态、现场仪表数据显示、现场监控数据的实時及历史趋势、现场监控数据的实时及历史报警、生产运行数据报表功能;系统中控室共配2台上位监控系统，一台为操作员站，主要用于现场设备操作及生产运行参数设定，另外一台为工程师站，主要用于ABR废水处理系统人机界面开发及运行维护、报表打印和数据库的更新维护，同时兼备操作员站所有操作功能。
　　2.2.2 PLC控制模块设计
　　（1）硬件设计
　　系统采用西门子S7-400H冗余控制器+ET200M分布子站控制架构，冗余控制器与IO子站间采用PROFIBUS-DP网络冗余连接;冗余IO站采用西门子专利MTA模块技术。该污水处理工艺中硬件设计过程中，应用了如下关键性技术，确保系统稳定性：
　　a.控制器冗余：通过两个并行的中央控制器实现，控制器间通过冗余光纤连接，当主控制器发生故障，未受影响的备控制器将在中断处继续执行而不丢失任何信息，主备CPU没有切换时间;该同步方式给客户带来的好处是用户不需要考虑如何实现同步，无命令限制;冗余控制器具有隐藏冗余性，采用透明的编程方法（同非冗余方法一样），标准的系统参数化，标准的处理方法。
　　b.ET200M分布子站及PROFIBUS-DP总线：废水处理系统采用ET200M分布式子站，每个分布子站采用一对标准IM 153-2 总线接口模块，采用PROFIBUS-DP总线与冗余控制器连接，实现IO容错功能;系统所采用西门子PROFIBUS-DP总线，是经过优化的高速而便宜的通讯连接，主要应用于自动化控制系统与分散IO站间的通信，具有如下主要功能优势：
　　DP主站与从站间循环交换用户数据;具有强大的诊断功能;灵活的拓扑结构，支持线型、树型、环型结构以及冗余的通信模型;每个DP从站最多246B的数据输入和输出。
　　c.MTA模块技术：为满足业主对系统可靠性要求，关键性设备采用IO输入/输出模块冗余，冗余IO模块出接线采用西门子MTA铠装端子板，可以简单、快速且可靠地将现场设备、传感器和执行器连接到ET200M远程I/O站的I/O模块。它们有助于大大降低布线和调试的工作量及费用，并可避免接线错误。 　　（2）软件设计
　　废水处理控制系统采用西门子Step75.5编程软件，该软件是一个用于西门子S7-300/400PLC组态和编程的标准软件包，主要应用于对PLC的硬件和PROFIBUS-DP网络进行组态，具有简单、直观、方便易学习等特点。通过采用Step7编程软件，根据废水处理系统控制描述文件、工艺联锁表、控制工艺说明，采用梯形图（LAD）编程语言编制控制程序，由冗余控制器自动执行后实时监测和控制现场工艺设备;过程数据经冗余控制器处理后，通过西门子以太网通讯模块CP443-1传输至上位机监控系统，通过上位机监控系统，实时监控废水处理系统设备运行、故障报警信息显示，并对生产过程数据归档处理及报表打印。
　　2.2.3 控制柜功能模块设计
　　废水处理控制系统采用分布式子站硬件架构，根据工艺设备重要性及业主备用点数要求（不低于25%），系统共配置11个ET200M分布式子站，其中3个非冗余IO子站，8个为冗余IO子站。
　　控制柜体采用威图TS柜体，柜体尺寸：2000（mm）*800（mm）*800（mm），柜体颜色：RAL7035，柜体结构：前后双开门结构，双安装板设计，增加元器件布置空间，解决业主电控室内空间小的难题;经合理规划，废水控制系统共设置4台控制柜：1台为CPU控制柜，1台非冗余IO子站控制柜，2台冗余IO子站控制柜。
　　2.2.4 动力柜功能模块子站设计
　　系统采用MNS抽屉柜，该模块主要作用是为工艺设备电动机配电，并采用施耐德配电元器件，实现电动机进行过载、电气短路等保护功能;控制器通过控制电机接触器或变频器来实现相应设备的操作。
　　2.2.5 现场操作功能模块子站设计
　　水泵等转动设备设置有就地操作柱，该模块主要功能是切换设备远程/本地控制功能，当设备调试和检修时，切换为本地控制模式，实现就地操作;当切换为远程控制模式，则现场设备操作权限移交到上位机，由PLC远程控制。
　　2.3 电气控制系统设计中的主要过程
　　2.3.1 系统可靠性计算
　　系统可靠性计算公式为As=MTBF/（MTBF+MDT）（MDT平均故障時间）。
　　为确保系统可靠性，采用国外知名品牌SIMATIC控制器和信号采集模块，模块平均无故障时间（由西门子官方提供数据）：
　　冗余控制器平均无故障时间：15年;
　　信号采集模块：50年;
　　根据经验，故障平均故障时间约4小时，工厂按照10年1次大修设计，更换部件，由此计算，能够满足系统可靠性要求;另从系统可靠性公式来看，增加系统可靠性需从提高MTBF（平均无故障时间）和降低MDT两方面进行，故设计阶段由如下几个方面进行充分考虑：
　　（1）选用系统西门子S7-400H冗余控制器;
　　（2）控制器与子站间采用PROFIBUS-DP冗余网络架构;
　　（3）关键工艺设备采用冗余IO模块;
　　（4）元器件安装空间及环境符合产品要求。
　　2.3.2 模拟信号转换计算
　　废水处理系统中配置很多过程仪表，如压力、温度、流量、液位、PH、ORP、溶解氧等检测仪表，实时监测废水处理系统运行参数，所有仪表传感器均采用模拟量电流输出信号（4-20mA DC），采用屏蔽双绞电缆将模拟量信号传输至信号采集模块，经信号采集模块将输入电流信号转换成数字量信号，经内部程序块（FC105）运算后，转换成与实际工程量对应的浮点数;控制系统根据外部输入信号，经内部程序循环运算，运算结果经内部程序块（FC106）后，经模拟量输出模块转换成电流信号（4-20mA DC），采用屏蔽双绞线将模拟量信号传输至控制现场执行机构，实时调节阀门开度和水泵运转速度。
　　如一个PH节回路中，PH变送器输出4-20mA DC 信号到 SM331模拟量采集模块转换成0-27648的整形数，经程序中要调用FC105功能块将该值转换成0-14数值，经PID运算后得到的结果仍为实数，调用FC106功能块转换为对应硫酸计量泵转速0-100%，经SM332模拟量输出模块转换处理后，输出4-20mA DC信号至硫酸计量泵，实时调节硫酸加药泵转速。
　　2.4 电气系统的可靠性设计
　　2.4.1 供电可靠性
　　本设计控制柜电源分为3路电源进线，1路为普通进线电源，仅供控制柜照明及风扇用电;另外2路为UPS电源，为控制系统及仪表回路供电。其中冗余控制器采用西门子双电源模块供电设计;ET200M接口模块、冗余信号MTA模块采用双开关电源设计;信号隔离栅电源，采用独立冗余电源模块设计，实现信号隔离模块供电。
　　2.4.2 系统可靠性
　　在设计中采用国际知名品牌西门子S7 412-5H冗余控制器实现系统冗余，冗余系统中两个CPU同时工作，采用西门子专利事件同步方式，不增加CPU运行负荷，保证同步有效性，无扰动主从切换;控制器与ET200M分布式IO子站间采用Profibus-DP协议建立介质冗余通讯。
　　2.4.3 信号采集系统可靠性
　　信号采集根据工艺设备控制重要性，分为非冗余信号采集子站和冗余信号采集子站，冗余信号采集子站采用IO模块硬件冗余设计，冗余IO模块接线采用西门子专用MTA模块，大幅降低柜内布线和现场调试工作量;开关量（DI/DO）信号采集采用中间继电器隔离;模拟量（AI/AO）信号采用信号隔离器，同时信号隔离同时实现对2线制仪表进行馈电，进一步提高系统可靠性。
　　2.4.4 监控系统可靠性
　　组态软件采用西门子Wincc 7.3，共配置2台SCADA监控系统，两台监控系统同时具有操作员站所有功能，确保任何一台发生故障，系统能够正常操作;工程师站与控制器间配置多芬诺硬件防火墙，消除控制器中毒风险;SCADA系统与控制器之间采用双网络设计，即每个控制器配置2块CP443-1以太网通讯模块，分别接至2台冗余交换机（EDS-308），上位机采用西门子专用网卡（CP1623），同冗余交换机实现以太网通讯。
　　3 系统应用效果
　　废水处理系统整体调试运行后，经过5个月试运行后，实现如下设计目标：
　　（1）系统控制过程实现全自动化，减少操作人员数量，降低了劳动成本。
　　（2）系统自动反洗（系统压差或者运行时间两种模式，由操作员手动选择），极大提高了系统运行效率。
　　（3）实现生产报表自动生成，减少操作员数据整理工作量，提高生产效率。
　　（4）工艺设备操作过程，自动存档操作记录，有效提高设备操作运行溯源性。
　　4 结论
　　整个控制系统中应用冗余、多重隔离等设计技术，并吸收应用了安全控制的设计思想，从而确保控制系统能够实现长期稳定运行。达到现场智能仪表设备、控制系统之间的数据无缝传送，实现工厂智能化、管控一体化。为废水处理系统自动控制提供全面的解决方案，从而实现生产、设备和安全三大目标的最佳协调，帮助客户实现最短的全生命周期维护成本、最佳的设备投资回报。
　　参考文献：
　　[1]张祖玲，张晓阁，侯智勇.对石油化工污水处理技术的优化研究[J].化工管理，2017（32）：185-186.
　　[2]殷渝强，纪轩.天津石化PTA污水处理工艺流程的确定[J].河北水利水电技术，2003（01）：47-48.
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