集成架构技术在大型污水厂升级改造方案中的应用

以世界最大的污水处理厂之一--- 上海白龙港污水处理厂升级改造和扩建工程为例,阐述在工业控制系统开发过程中,针对污水处理过程,采用Rockwell公司旗下A-B品牌自动化及其传动的全系列产品如:ControlLogix PAC、基于NetLinx无缝网络的Ethernet/IP,ControlNet及其DeviceNet,、基于6KV高高解决方案的Powerflex7000中压变频器、基于机械振动状态监测的水泵机组预测性维护的Entek解决方案、基于HMI组态、数据库引擎及第三方接口的Factor

上海电气自动化设计研究所  庞立                                                                                                                                             � 罗克韦尔自动化   姜恺   史新祁 

一. 工程简介    上海白龙港污水处理厂浦东新区合庆乡东侧长江岸边,服务人口705万人,规划污水处理量达345万m3/d。1999年建成旱流172万m3/d的预处理厂,2004年建成了以高效沉淀池为主体、以除磷为主要目标的120万m3/d一级强化污水厂,2008年8月完成以倒置A/A/O生物反应池为核心工艺的升级改造及扩建工程,日处理量达200万m3/d。是国内规模最大的脱氮除磷污水厂,也是世界上规模最大的污水厂之一。 白龙港污水处理厂工艺流程如图所示。 1. 升级改造工程     上海市白龙港城市污水处理厂升级改造工程处理规模为120万m3/d,采用分流处理达标排放方法,即从现有高效沉淀池前分流60万m3/d污水,进入新建的多模式AAO工艺生物反应沉淀池,处理到出水水质高于一级B标准,与剩下减负后的60万m3/d一级强化高效沉淀池出水充分混合后紫外消毒,出水达到国家二级标准,接入原有交汇井,通过出口泵房、高位井深水排放。     升级改造工程新建生物反应沉淀池2座,每座分为2组,共4组:104A、104B、104C、104D。每组处理水量为15万m3/d,总处理水量为60万m3/d     升级改造工程生物反应沉淀池每组分为2个监控单元,共8个监控单元104A-1,104A-2,104B-1,104B-2,104C-1,104C-2,104D-1,104D-2。8个监控单元分别对应于PLC101,PLC102,PLC103,PLC104,PLC105,PLC106,PLC107,PLC108。     升级改造工程生物反应沉淀池由三段组成:初沉段、AAO段、二沉段。     升级改造工程还另设有3个监控单元PLC109、PLC109-1和PLC002-1,分别位于鼓风机房、仪表间控制室和预处理厂控制室。 2. 扩建工程     上海市白龙港城市污水处理厂扩建工程处理规模为80万m3/d,采用多模式AAO工艺,处理到出水水质到国家二级标准,通过新建出口泵房、高位井深水排放。     扩建工程新建生物反应沉淀池2座,每座分为2组,共4组:204A、204B、204C、204D。每组处理水量为20万m3/d,总处理水量为80万m3/d     扩建工程生物反应沉淀池每组分为2个控制单元,共8个监控单元:204A-1,204A-2,204B-1,204B-2,204C-1,204C-2,204D-1,204D-2,。8个监控单元分别对应于PLC201,PLC202,PLC203,PLC204,PLC205,PLC206,PLC207,PLC208。     扩建工程生物反应沉淀池由三段组成:初沉段、AAO段、二沉段。     扩建工程还另设有3个监控单元PLC209、PLC210和PLC210-1,分别位于鼓风机房、15#变电所和出水泵房。 

二. 系统网络构成及功能描述 

    自控系统的主要功能是完成上述工艺区域的生产过程自动化,包括实时采集生产数据和设备实时运行工况,控制相关的生产环节,及时处理生产过程中的故障,对相关设备进行保护。 1. 已建监控系统 前期工程分为二期建设: 2000年左右建成的预处理设施,主要构筑物为格栅沉砂池、调配井、出水泵房、出水高位井等。建成2座区域控制站。 2004年建成的一级强化处理设施,主要构筑物为高效沉淀池、加药间、储泥池、污泥脱水机房等。建成7座现场控制站及1座中央控制室。 2. 新建监控系统     上海市白龙港城市污水处理厂升级改造工程仪表及自控系统是按工艺流程及工艺特点而制定的。从工程实际情况及生产管理要求出发,采用集中管理、分散控制的模式,设置数据采集及监控系统。根据工艺流程在主要工艺控制区域设置22个PLC现场控制站。同时在厂前区附近新建1个中央控制室,来替代原有中控室。     本工程数据通讯网络用双环网结构,分为A、B双网,已建工程的现场控制站PLC挂接在A网上,本次工程不作变动。升级改造工程及扩建工程的现场控制站PLC挂接在新设的B网上。 3. 系统网络构成及功能概述 系统网络图如图2所示。 中央控制级     中央控制级即中央控制站计算机控制方式。污水厂处于自动运行时,中央控制级能监视污水厂所有设备和工艺参数并采集和储存数据,和各PLC站实现对等通讯。这级运行控制方式为污水厂最主要的方式。在正常情况下污水厂通过中央控制级进行运行和监视。设备进行调试、维护保养时必须在就地控制级或手动控制级进行。     中央控制级组态软件采用多客户机/多服务器版本的FactoryTalk ViewSE(原RSVIEW SE版本);系统服务器配置成域控制器(如图所示的冗余网络服务器),并使用双机热备方案。FactoryTalk ViewSE使用冗余设计;后台数据库使用SQL Server。FactoryTalk ViewS从各个主控PLC中读取数据,通过RSLinx保存到SQL SERVER中。采用RSSQL工具进行RSVIEW SE 数据与SQL Server 数据库连接。上位HMI(组态画面)和下位HMI(触摸屏)开发都部署在RSVIEW Studio中进行,两部分画面可以相互调用和移植,提高了画面及程序开发的效率。 现场PLC自动控制级     现场PLC自动控制级即现场控制站PLC控制方式,各个工艺区域内的连锁控制及程序控制主要通过现场控制级来实现的。     当污水厂在自动控制方式运行时,现场控制站PLC可以独立的、自动的对它所负责的工艺区域进行控制,而不需任何中央控制级介入。并将采集到的设备数据及运行状态送至通讯网络中,为别的现场控制站PLC和中央控制站服务,同时接收其它现场控制站PLC及中央控制站送来的数据。     现场PLC101至PLC109主要实现120万吨/天升级改造工程的8个生物反应池的过程控制和鼓风机房数据采集及协调控制等;现场PLC201至PLC209主要实现80万吨/天扩建工程的8个生物反应池的过程控制和鼓风机房数据采集及协调控制等。现场PLC210和PLC210-1位于分别位于15#变电所控制室及出水泵房控制室,主要负责出水泵房、出水高位井及其雨水泵房的相关自动化过程控制,两台PLC通过现在总线ControlNet进行通讯。     以上所有22套ControlLogix PLC通过实时工业以太网Ethernet/IP挂在光纤环网B中,原一期加强一级处理(高效沉淀池)的控制系统(西门子S7-400)挂在光纤环网A中。Rockwell提供Kepserver软件以OPC的方式采集A网中西门子PLC的数据,通过FactoryTalk View组态软件对A网和B网中的数据进行采集和实时监控。实现已有系统与目前升级扩建系统数据的有机结合。 

三. 生物反应及出水泵房(变频泵及状态监测)的过程控制 

1. 生物反应沉淀��     本工程设计采用多模式AAO工艺,可根据需要以及季节变化以正置或倒置AAO模式运行,还可根据进水水质及处理要求按脱氮除磷或仅除磷模式运行, 模式1:正置AAO运行 初沉池出水直接进入选择区,内回流污泥进入缺氧区,外回流污泥部分进入选择区,部分进入厌氧区,以进水营养比控制污泥分配比例。 模式2:倒置AAO运行     在该种运行模式下,进水分两点进水,选择区进水量为70%~50%,厌氧区进水量为30%~50%,该分配比例根据出水的含磷量高低进行调整。如除磷效果需加强,则将更多的进水进入厌氧区前端,将更多的有机碳源给予除磷菌,反之亦然。     内回流渠将出水的硝酸盐送至缺氧段起端,提供反硝化的原料。外回流渠将二沉池浓缩后的活性污泥送至选择区和缺氧区,选择区可有效的抑制丝状菌的过量繁殖,从而防止污泥膨胀。 模式3:除磷运行(用于有机氨化率低,进水NH3-N不高的情况) 生物反应池设备控制主要分为四类: 1.单机控制。主要是闸门、各类刮泥机、各类搅拌机、渣水分离器、生产水泵等,该类设备一般为独立控制,连续运行、远程开停或常开。 2.内、外回流控制。主要是内回流泵、外回流泵等,该类设备根据流量或程序进行控制。 3.排泥控制。主要是初沉污泥泵、剩余污泥泵、排泥泵等,该类设备根据时间进行控制。 4.曝气量控制。主要是空气流量调节阀等,该类设备根据BIOS系统进行控制。 2.空气流量调节:     空气流量调节阀与鼓风机构成串级控制回路。     当空气流量调节阀一体化电动执行机构转换开关设在远控(自动)状态时,自控系统能对空气流量调节阀进行远程控制。自控系统根据生物反应池出水处 DO测量仪的测量值,调整空气流量调节阀开启度,使生物反应池 DO 测量值保持在生物智能控制系统BIOS系统提供的设定值左右。即自控系统根据 BIOS 提供的溶解氧设定值,调整空气流量调节阀开启度, 使DO 测量仪测量值保持在 BIOS 系统提供的设定值左右。空气流量调节阀的调整频率可设定,一般不宜频繁调整,目前按照 30 分钟调整 1 次考虑,调整幅度为 5%,自控系统操作画面上可对此参数进行修改,空气流量调节阀开启度根据试运行一段时间后的分析结果,使每个调节阀开度固定在相应的开度上(使得曝气均匀),使生物反应池各个 DO 测量仪最小测量值保持在 BIOS 提供的设定值左右。 3. 鼓风机控制     新建鼓风机房2座,分别归入升级改造工程、扩建工程。每座鼓风机房共设有6台单级离心鼓风机,4用2备。单台风量为Q=625m3/min,风压H=0.07MPa,电机功率N=870kW。鼓风机配置有隔音罩,机外噪音小于80dB。     鼓风机起/停的一步化操作由设备配套就地控制箱(109AC1-01~06)及主控柜(109AC0)实现。就地控制箱面板设手动/自动转换开关,手动状态下,由面板上的操作按钮进行控制,自动状态下由监控系统进行控制,由主控柜根据出风总管压力值进行控制,此压力设定值由监控系统提供给主控柜,由主控柜调节鼓风机的开启台数和导叶片角度,使得出风管压力保持恒定。压力设定值设定为(0.07MPa),因采用TURBO鼓风机,其内部调节自成系统,故目前无法实现对供气输出量的调节,这一问题有待在二期项目中进一步研究探讨。鼓风机本地控制通过西门子S7-300PLC通过Profibus转以太网的方式(外置网关)与鼓风机房主站PLC109/209的ControlLogix进行通讯。 4. 出水泵房     出水泵站包括进水前池、主泵房、出水压力井、泵房、控制室、值班室、配电间,归入扩建工程。     出水泵站是南线系统的配套泵站,因此设计规模与南线相匹配,近期考虑升级改造工程及扩建工程生物处理后低水位尾水的排放需要。     规划南线平均旱流量         170.1m3/d     规划南线高峰旱流量         25.6m3/s     近期排放流量               9.3~23.1m3/s     规划南线雨季高峰流量       31.98m3/s     泵站设计流量采用31.98m3/s,配泵为设计流量的120%即为38.4m3/s。 A. 出水泵控制过程     4台出水泵组成泵机组,均为常用,其中2套为变频泵,变频器采用Rockwell的Powerflex7000系列800KW/6KV中压变频。     当设备控制箱转换开关设在远控(自动)状态时,自控系统根据进水泵房集水井的超声波液位计(LIT-207-01~02,2套液位计互为备用)的测量值,进行控制,水泵采用轮序控制方式。若运行的水泵故障停车,在分控室及中控室报警并自动启动相对应的备用泵,使每台泵的运行时间大致一致。按时间优先循环起动可供使用的泵,每台泵的起动次数和总的运行小时数进行累积并排出维修计划,使每台泵运转时间大致相等。     当液位变化率过快时,通过变频泵根据液位变化进行调节。水泵运行时,至少有 1 台变频水泵必须运行。变频泵频率调整范围暂定为60%~100%,当液位变化需启动另外1台变频泵时,其中1台正在运行的变频泵的频率应降至60%后,然后启动新运行水泵,频率从60%开始。     控制程序使每一泵每小时起动次数少于 6 次,且不论何种情况,不得同时起动 2 台及 2 台以上水泵。每台泵启动/停止间隔不小于 10 分钟。电动蝶阀与对应的泵联锁,当泵启动前电动蝶阀开启,停泵后电动阀立即关闭。此控制由出水泵配套控制箱实现。 B.水泵机组状态监测     白龙港污水处理厂的出水泵房配备大功率的水泵机组,属于该厂的关键设备,为了能有计划地实施检修,延长泵机组的使用寿命,减少非计划停机,同时考虑通过及时检修而有效地减少可以避免的检修,减少零件的仓储和人力资源,经各家方案比较后选用了Rockwell公司的状态检修Entek产品。检测原理和描述如下:     旋转设备在一定的运行状态下,不同的部件(如轴承、叶轮等)会有不同的受损情况。当这些部件受损时,振动信号会以不同频率的振动表现出来,这就可以使我们通过振动信息,识别和确定哪些部件已经坏了和这些部件的损坏进展情况。诸如不平衡、不对中、松动、磨损和一些其它问题都有可能是造成部件受损的根本原因,只有识别和减少了这些状态,才能更大限度地延长设备寿命并保障设备安全运营。     罗克韦尔自动化公司的ENTEK状态监测系统具有离线监测(dataPAC1500)、在线自动巡检监测(Enwatch)和在线实时保护监测(XM)等多种监测技术。该系统要解决的问题是:了解关键设备和重点设备当前的运行状况、判断被监测机器的状态变化趋势、诊断被监测机器故障的发生部位和故障的严重程度,以及检查和验收大修或临时维修的效果,实现对设备故障早知道、早预报、早诊断,把故障消灭在萌芽之中。其目的是提高设备运行完好率、减少设备停机时间及降低维修成本。 

四. 工程特色及技术亮点总结 

1. 罗克韦尔自动化集成架构技术在本污水厂的应用得非常全面,无论是系统集成还是以后的交付使用,都体会到了该技术给整个工程的设计、实施以及以后的运行维护带来了极大的益处。主要体现在以下几个方面: a. 统一的Logix控制平台,高效的运行. b. 基于CIP(Common Industrial Protocol,通用工业协议)的无缝的三层网络通讯、无缝的信息交换及其与其他自动化厂商开放且无缝的数据链接使系统有很强的兼容性、开放性及其灵活性。 c.大大缩短了调试工期,同时今后的维护、培训和备件的成本也大大降低(无论是高低压变频驱动、过程控制、通讯甚至软件,只需针对一家供应商)     以上的益处得益于集成架构的核心概念,主要体现于以下几个方面: Logix: 统一高效的控制平台,无论是PLC ControlLogix还是变频器Powerflex,均运行和开发于同统一的Logix平台,如ControlLogix和DriveLogix等,因此只需一套开发软件RSLogix5000,就可实现PLC、远程I/O以及高低压变频器的统一编程和调试。 Factory Talk:统一数据库。从基础自动化控制系统(PLC)到上位机系统(HMI)甚至是信息管理系统(MES),整个系统共享一个全局的实时的数据库,即一个数据的定义改变以后,在其他系统中不需要重新定义,而是自动集成,能更好的保持系统定义的统一性,更便於系统的开发和系统运行时的维护。 在HMI系统的画面上应能够直接定义来自于在PLC/控制器中的标签。在PLC/控制器中新添加或删除的标签,能够直接在HMI软件中自动体现,即不需要定义HMI数据库就可在画面上直接定义PLC/控制器中新添加的标签。而且无论是上载和下载程序,该实名标签始终存在,程序良好的可读性方便调试和维护。 ViewAnyWare: 统一的HMI开发平台FactoryTalk View Studio,使上位的组态画面开发及其下位(现场)触摸屏开发采用统一的套开发环境,不仅可以使画面风格完全一致,而且可以进行上下之间画面的无缝移植和调用。大大提高开发效率,同时为以后的培训、维护提供便利。 NetLinx::从信息层的以太网Ethernet/IP, 经控制网ControlNet直至设备网DeviceNet, 基于CIP (Common Industrial Protocal,通用工业协议) 使整个污水厂不同网络实现贯通,真正做到多网合一,对于用户就像一层网络一样,一点接入、全局共享!大大方便组网、调试及以后的运行和维护。 2.机械振动状态监测在大型污水厂出水泵房机组中的应用     Rockwell公司不仅提供了该污水厂软件、网络及其电气自控部分的集成解决方案,而且还对水泵机组机械部分实施了振动状态监测,采用了Entek状态监测系统。该系统同时还具有频谱分析功能,为今后实现根据运行状态而进行有计划的检修提供了技术依据,同时根据频普变化趋势能进行远期故障的精确预测,实施预测性维护,更大限度地延长设备寿命并保障设备安全运营。这在大型污水处理厂还是首次尝试。 3.低压变频Powerflex70在污泥回流泵中的应用及中压变频Powerflex7000在出水泵房的应用。     考虑变频技术的诸多优点,如不仅能实现恒流量调节,而且还具有“软”起停功能,避免电流冲击;延长水泵电机的使用寿命,避免因供水流量突然变化而频繁开、停水泵从而造成设备的磨损及电气部分的老化,此外能起到节能降耗。此次在白龙港污水处理厂使用了大量的Rockwell公司的Powerflex70变频器,应用在初沉污泥泵、内回流泵及外回流泵中,功率在37KW、30KW 、22KW不等,总计80台左右,Powerflex系列已内嵌了DriveLogix功能,与ControlLogix同属一个Logix平台,故可使用相同的RSLogix5000开发软件实现同平台的编程调试,大大提高了调试和今后维护的效率。 4.与原工程西门子系统的无缝链接     一个大型的污水处理厂经多年运行后不可避免的要进行升级改造和扩建,无论已建工程中自控系统是哪家的产品,都希望能在以后的改扩建工程中能够保留下来并融入到新建系统中。对于该污水厂来说,罗克韦尔自动化在这一方面有很强的开放性和兼容性。如前所述,光纤A网中原采用西门子S7-400的PLC产品,Rockwell在其组态软件FactoryTalkViewSE中提供了基于OPC方式的KepServer软件,很好的将S7-400中的数据采集进来,在FactoryTalkView中进行统一显示和监控。此外,对于现场总线层的应用,Rockwell除了采用基于公开CIP协议的ControlNet和DeviceNet网络外,还能对Profibus总线实现无缝通讯,该Profibus主站模块无须外置,直接插于ControlLogix的框架中,完美的融入到AB的PLC控制系统中。 5.防腐问题的解决     因该污水处理厂紧临江边,盐雾及其污水中硫化氢气体的造成原有一级强化工程中PLC腐蚀较为严重,针对此问题,我们在此改扩建工程中吸取了一期工程的经验,建议采用防敷涂层产品。ControlLogix提供了全系列的防腐蚀的涂层模块(含CPU、I/O及其通讯模块),采用HumiSeal 1B73材料进行专业涂覆处理,如下图:  

6. 生物智能控制系统BIOS的应用     生物工艺智能优化系统(BIOS)是以国际水协IWA的活性污泥模型ASM2D为基础,结合白龙港污水处理厂工程的多模式AAO生物处理工艺、水质水量条件以及出水标准等定制的模型,此模型运算平台内嵌在主控制箱内,通过全厂自控系统收集进水的实时水质水量负荷变化及生物池实时数据,以及必要的化验室、历史记录等数据库资料,将为工艺运行提供关键运行参数,如实时优化的溶解氧DO设定值和内回流IRQ设定值,同时预留外回流RAS,剩余污泥WAS等功能模块接口,以便根据工艺需要来升级系统的功能。 

本系统包括: 1)生物工艺智能优化系统控制主机:触摸式工业计算机和PLC(采用Rockwell公司的CompactLogix) 2)专为白龙港污水厂定制的内嵌运算模型控制应用软件提供和调试。 3)生物反应池水质检测仪表(包括:在线氨氮/硝氮分析仪、在线溶解氧分析仪和在线污泥浓度分析仪)。     该系统包括在线检测仪表和活性污泥模拟系统。AAO生物池在线检测仪表安装在AAO生物池,监测生物池内的曝气状况和水质变化,从而反映出活性污泥性能,主要有在线DO检测仪、DO&MLSS双通道检测仪、在线氨氮(NH4-N)分析仪,在线氨氮(NH4-N)和硝态氮(NO3-N)双通道分析仪组成。生物工艺智能优化系统安装在鼓风机房,系统通过以太环网获得污水处理厂的进水水量、水质等相关数据后,经模拟优化计算出生物反应池最优化控制参数,包括生物反应池溶解氧DO控制目标值、内回流IRQ目标值,然后由中央控制系统通过现场控制站实现这些最优化参数的控制。     系统运行半年多来,效果明显,在水质参数控制稳定的情况下有效的调节了鼓风的风量输出,按实际所需供应空气,起到了节能降耗的作用。 结束语     该污水厂改扩建工程自2008年8月投运至今,基本处于200万吨日处理的满负荷运行,自控系统满足实际运行需求。整个工程无论从土建设计、工艺运行及其自动化管理角度上来讲,其技术上的先进性确保了该工程真正实现节能、节地、节水和节约投资等指标,达到了国家GB一级B的出水标准。同时也为创造2010年上海世博会的美好环境作出了巨大贡献。

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