淺析超濾控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

陸宏宇

（大慶油田水務公司，黑龍江 大慶 163451）

1 工藝概況

本設計為大慶油田用水深度處理工程超濾膜裝置及系統(tǒng)配套項目。超濾裝置由超濾膜處理主系統(tǒng)、輔助工藝系統(tǒng)：包括原水提升系統(tǒng)、預處理系統(tǒng)、物理清洗系統(tǒng)、化學清洗系統(tǒng)、儀表空氣系統(tǒng)、中和系統(tǒng)組成。其中主系統(tǒng)由10 ～20 套膜堆組成，每套膜堆額定處理能力均為標準化模塊設計，出力5000m3/h，輔助工藝系統(tǒng)為多套膜堆公用。

2 性能描述及系統(tǒng)構成

超濾控制系統(tǒng)的總體功能包括兩個方面：一是實現(xiàn)超濾機組工藝過程的全自動進行，實時采集數(shù)據(jù)和處理故障，根據(jù)工藝要求調(diào)節(jié)運行參數(shù)；二是作為水廠工藝鏈的關鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)超濾出水水質(zhì)和水量實時調(diào)節(jié)上下游運行方式。自控系統(tǒng)在整體架構上分三層：設備層、控制層、信息層。超濾車間中控室設上位操作員站1 臺，工程師站1 臺，數(shù)據(jù)服務器1 臺，并開發(fā)相應的超濾裝置運行智能分析軟件系統(tǒng)，中央控制室還需配備網(wǎng)絡打印機、UPS 電源等附屬設備。

超濾車間設PLC 一套，采用冗余配置，組成雙機熱備系統(tǒng)，下設遠程I/O 站。每個遠程I／O 站設一12.1英寸彩色觸摸屏，作為現(xiàn)場人員監(jiān)控操作的人機接口，觸摸屏與本地I/O 站通過工業(yè)以太網(wǎng)相連；整個超濾車間的全部遠程I/O 站通過工業(yè)以太網(wǎng)相連組成環(huán)網(wǎng)，該環(huán)網(wǎng)通過超濾車間PLC 柜內(nèi)的光纖交換機與超濾車間中控室操員站、工程師站、數(shù)據(jù)服務器和整個廠區(qū)工業(yè)以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)的連接，以實現(xiàn)遠程I/O 站、超濾車間PLC、中控室操員站、工程師站、數(shù)據(jù)服務器和廠區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，控制系統(tǒng)架構如圖1 所示。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖

2.1 設備層

設備層按不同的控制區(qū)域分為：主控室PLC（冗余配置）、超濾膜處理主系統(tǒng)I/O 站（5個站）、原水提升系統(tǒng)I/O 站、預處理系統(tǒng)I/O 站、物理清洗系統(tǒng)I/O 站、化學清洗系統(tǒng)I/O 站、儀表空氣系統(tǒng)I/O 站、中和系統(tǒng)I/O 站等12個獨立的子系統(tǒng)。每一獨立子系統(tǒng)由PLC 控制單元構成，形成功能完整的工作環(huán)節(jié)。

2.2 控制層

設備層的上層是以中控室為核心的控制層，控制層主要功能是完成超濾工藝區(qū)域的生產(chǎn)過程自動化，包括實時采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)和反饋設備狀態(tài)，控制生產(chǎn)進程和效率，及時處理運行故障，對工藝設備和自控執(zhí)行機構進行保護。在WindowsNT 的開發(fā)環(huán)境下，通過Vijeo Citect 工控平臺開進行組態(tài)，超濾上位機作為人機交互界面實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控。

控制層包括1 臺中心操作站、1 臺中心工程師站、1臺數(shù)據(jù)服務器及相應的傳輸交換設備。數(shù)據(jù)服務器可生成Vijeo Citect 實時工況及歷史曲線，工作站則通過基于MODBUSTCP 協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)與水廠的控制系統(tǒng)進行通訊。從數(shù)據(jù)庫服務器調(diào)取數(shù)據(jù)并生成歷史趨勢圖，其優(yōu)點是：（1）工作站曲線一致。（2）監(jiān)控工作站退出Vijeo Citec RunTime 進行維護、調(diào)整運行時，趨勢曲線并不因此中斷。

超濾系統(tǒng)的控制可通過以下三種方式完成：（1）就地手動：優(yōu)先級最高，當現(xiàn)場轉換開關處于“手動操作”時，PLC 的控制被屏蔽。設備的運行操作通過現(xiàn)場操作按鈕和開關人工完成。（2）半自動控制：利用PLC 的邏輯控制功能，提供超濾各子系統(tǒng)的自動運行，及關聯(lián)設備的聯(lián)動、連鎖及閉環(huán)控制。（3）全自動控制：通過主控室的上位機，實現(xiàn)超濾系統(tǒng)的運行與全廠上下游工藝整體調(diào)節(jié)，處理突發(fā)故障，協(xié)調(diào)生產(chǎn)，保證運行順暢。在全自動狀態(tài)下，可實現(xiàn)超濾裝置的無人值守運行。超濾系統(tǒng)所有的輸入輸出指令及數(shù)據(jù)將上傳至水廠其他中控室。超濾控制室向下通過工業(yè)以太網(wǎng)IO 處理器接口模塊與以太光纖環(huán)網(wǎng)中各遠程I/O 子站通訊；向上通過140NOE77101 模塊與全廠光纖以太環(huán)網(wǎng)中各上位監(jiān)控計算機通訊。控制站PLC在手動／自動／中控切換中要具有無擾動切換功能。

2.3 信息層

系統(tǒng)最上層是MIS 信息管理層，通過RSSQL 以數(shù)據(jù)服務器作為數(shù)據(jù)源從數(shù)據(jù)服務器采集數(shù)據(jù)，包含基于SQL Server 的Web 服務器，以及基于Net Framework 的Web服務功能，建有完整的歷史數(shù)據(jù)庫，主要承擔生產(chǎn)數(shù)據(jù)的高級處理功能，并提供日常生產(chǎn)報表生成模塊，該部分是自控系統(tǒng)功能的延伸。其主要功能如下：

（1）自動進行數(shù)據(jù)的采集與備份。

（2）自動/手動打印生產(chǎn)運行班報、日報、月報和年報等。

（3）可以對定制生成運行報表或定制查詢數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)并打印。

（4）可以對數(shù)據(jù)庫進行后臺維護管理，并在客戶端進行數(shù)據(jù)查詢。

（5）具有智能控制管理系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)據(jù)對比分析，可以對生產(chǎn)運行狀態(tài)給出最優(yōu)的運行方案，如：水質(zhì)、膜運行差壓和膜能量變化的預判；根據(jù)清水池液位變化和來水水量情況給出最優(yōu)通量運行方案；根據(jù)歷年運行數(shù)據(jù)預測未來水質(zhì)變化情況及給出最優(yōu)運行方案；根據(jù)膜的運行污染情況給出最優(yōu)化洗周期、化洗時間等；根據(jù)對膜斷絲率的在線監(jiān)測變化情況預判膜未來的斷絲情況和膜的壽命等。

3 設備配置

3.1 監(jiān)控中心

主要控制設備包括操作員站、工程師站、運行數(shù)據(jù)服務器、配套儀表和執(zhí)行機構、打印機、以太網(wǎng)主干交換機。操作員站分散布置于相應工藝單元內(nèi)，其他設備布置在中心控制室內(nèi)。

（1）操作員站。本系統(tǒng)中，操作員站根據(jù)工藝構筑物的平面布置、工藝設備、電氣設備的設置地點以及設備監(jiān)控的需要設置。在中心控制室設置PLC 控制主站，在膜堆、泵房、化學清洗間處設置PLC 控制站。PLC 控制主站固化監(jiān)控程序和應用程序，通過上位機可進行系統(tǒng)監(jiān)控和參數(shù)設置；各PLC 控制站以觸摸屏作為人機界面，可單獨對相應I/O 工藝單元進行控制和參數(shù)調(diào)整，操作面板采用多級訪問保護，以確保系統(tǒng)的安全。操作員站通過光纖以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)與工程師站 PLC(熱備)交換數(shù)據(jù)并上傳至上位機和數(shù)據(jù)庫服務器。

（2）過程控制站（工程師站）。在控制室設置工程師站，其配有多種工具軟件，具有與操作員站一樣的人機界面，能進行實時數(shù)據(jù)、歷史運行數(shù)據(jù)、故障的記錄、查詢和顯示。工程師站的核心是高性能的控制器，它允許將應用分段，使系統(tǒng)結構更加優(yōu)化?？刂破骶哂腥缦绿攸c：模塊化內(nèi)存卡節(jié)省您的內(nèi)存開支、處理器之間的通信無需編寫應用代碼、I/O 能力不再受固定內(nèi)存區(qū)域的限制。

3.2 配套儀表及執(zhí)行器

為了能實時、準確、可靠地檢測、顯示超濾裝置工藝各系統(tǒng)的物理參數(shù)及便于與控制系統(tǒng)的連接和維修管理的方便，系統(tǒng)配套儀表應選用精度高、穩(wěn)定性好、帶現(xiàn)場液晶顯示單元的智能儀表。儀表的安裝附件及傳感器與轉換器的連接專用電纜等有關配件均應配套供應。儀表支架、儀表保護箱等安裝附件應同儀表一齊配備。儀表配置應注意以下幾點：

（1）考慮設備及設計的整體統(tǒng)一性。配套儀表應提供為達到規(guī)定功能所需的各種部件，如信號隔離器、濾波器、保護裝置、放大器、轉換器及其他相關部件。

（2）應對所有儀表電氣線路及設備提供保護。以免受雷擊、感應電流、過電壓的影響以及其他外力的損壞。

（3）如有實際需要，須對某些輸入/輸出信號采取適當?shù)男盘柛綦x措施。

（4）變送器輸出信號為4 ～20mA 的標準模擬信號，繼電器標準輸出接點為無源常開接點，接點容量為220VAC/5A 以上。

（5）應搜集全部儀表自控系統(tǒng)的詳細技術說明書及產(chǎn)品樣本；對工藝所要求的儀表自控系統(tǒng)及各部分組成、技術性能、系統(tǒng)功能、控制原理、操作方式等進行詳細的描述，闡明系統(tǒng)的實現(xiàn)結果和技術。

（6）頻繁開關的進出水閥門采用氣動glob 調(diào)節(jié)閥或設置電動調(diào)節(jié)閥串聯(lián)氣動開關閥兩種方式氣動閥須設置合理的速率和運行阻尼。

4 軟件配置

4.1 軟件功能設計

監(jiān)控軟件采用統(tǒng)一軟件平臺，其主要功能包括控制、可視化、信息管理等，能與PLC 系統(tǒng)緊密集成。其中，生產(chǎn)過程控制功能是軟件功能的核心。在編制過程中，首先要做出膜擔保使用壽命期內(nèi)不同階段膜堆的物理清洗及化學步序表，并分別根據(jù)一年試運行期及膜使用壽命期末的物理清洗及化學清洗步序表的參數(shù)，梳理膜堆進行物理清洗、CEB 清洗和CIP 清洗的運行排隊及恢復過濾運行機制。做出相應的系統(tǒng)運行時序控制圖。在此基礎上，進行PLC 邏輯編程及系統(tǒng)組態(tài)。繪制時序圖應全面考慮多膜堆長期運行條件下的各種運行工況，應特殊考慮下述非常規(guī)工藝進程：

（1）故障單元自動離線和修復后恢復過濾插隊機制。

（2）CIP 清洗條件的判斷與CEB 清洗觸發(fā)機制。

（3）關鍵參數(shù)設定值限值的變化趨勢預置及設定值改變后的系統(tǒng)無縫切換運行機制。

（4）模塊化擴展機制。如圖2 所示。

圖2 時序圖

4.2 系統(tǒng)編程環(huán)境

操作系統(tǒng)及基礎軟件：超濾車間中控室上位機操作員站和工程師站采用Windows NT 或Win 7 專業(yè)版以上版本的操作系統(tǒng)。數(shù)據(jù)服務器安裝Win7 服務器版操作系統(tǒng)，安裝專業(yè)的SQL Server 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，并開發(fā)相應數(shù)據(jù)庫應用軟件。組態(tài)軟件：采用采用施耐德公司開發(fā)的成熟的產(chǎn)品Vijeo Citect，操作員站安裝運行版，工程師站安裝開發(fā)版。超濾中控室上位機還應開發(fā)超濾裝置運行智能分析軟件系統(tǒng)。可編程自動控制器編程軟件采用施耐德Unity Pro XL6.0 產(chǎn)品。

5 結語

（1）本系統(tǒng)采用成熟技術及設備，運行穩(wěn)定可靠，保證生產(chǎn)出達標優(yōu)質(zhì)飲用水，為居民身體健康提供可靠保證，產(chǎn)生巨大社會效益。隨著信息社會的發(fā)展，企業(yè)局域網(wǎng)的拓展壯大，本系統(tǒng)的后續(xù)應用是實現(xiàn)網(wǎng)絡遠程監(jiān)控。

（2）充分考慮水廠超濾膜裝置及與全廠控制系統(tǒng)的通訊需要，采用基于MODBUSTCP 協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)集成構架。

（3）儀表系統(tǒng)的配置應充分考慮穩(wěn)定性、精度以及水廠管理需要。

（4）控制功能是軟件功能的核心，編制基礎是系統(tǒng)運行步序圖。