水处理岛总线控制方案的探讨

2011-01-12周根来

石油化工自动化 2011年2期

周根来

(中国华电工程(集团)有限公司,北京 100035)

0 引言

现场总线技术作为工业过程领域的先进技术,在石化、冶金、化工、电力行业已推广应用。华电昌吉热电联产工程的水处理岛(包含锅炉补给水、中水、工业废水处理),采用Profibus现场总线技术,在国内属于首例,以下介绍系统配置、总线控制系统(FCS)网络结构、总线设备及应用体会等。

1 工艺系统说明

污水经昌吉市第二污水处理厂处理后(预处理系统)进入该厂化水岛的MBR生化池,进入MBR生化池前,采用自清洗过滤器,去除污水中大颗粒悬浮物;MBR生化池在厌氧、好氧状态下通过微生物的新陈代谢来降解污水中的有机污染物,同时通过硝化和反硝化作用去除污水中的氨氮,MBR生化池出水经泵提升后进入MBR膜池,采用浸没式超滤进行固液分离。超滤出水满足辅机循环水补水、工业用水和反渗透系统进水要求。

污泥经泵提升至污泥脱水系统脱水干化,干化后的泥饼运出厂外处置,污泥脱水系统滤液及冲洗水回收至斜板澄清池或生化池。

2 FCS网络结构

2.1 水处理岛FCS网络结构

水处理岛FCS分为两部分:锅炉及热网补给水处理FCS;中水及工业废水FCS。其中,锅炉及热网补给水处理FCS包括离子交换、综合泵房及辅助装置的控制;中水处理及工业废水FCS包括中水处理、工业废水及辅助装置的控制。

控制系统采用上位机和PLC两级结构方式:利用PLC对整个水处理岛系统中的设备进行数据采集和控制,上位机和PLC之间通过数据通信接口进行通信;PLC通过各分布式I/O从站对现场设备进行数据采集和控制。

监控系统由操作员站和工程师站组成。人-机接口采用当前主流工控机,配置1台工程师兼操作员站和3台操作员站。

操作员站主要完成与下位机的数据交换(数据采集),显示各种已组态好的系统流程、参数显示、控制、趋势曲线、报警、报表打印及控制参数设置等,使操作员可以及时了解系统整体运行情况并采用有效的控制,以保证生产稳定运行。工程师站主要完成整个监控系统的运行、监控数据库、各种显示、报警、事件纪录、实时及历史趋势显示等。

控制系统选用PLC作为处理器(含2块电源模件、2块CPU、2块Fieldbus通信模件、4块同步模块,2块以太网通信模件以及冗余光纤和软件)。CPU真正实现了双机热备功能。

控制系统数据通信采用100 Mbit/s工业以太网;现场通信全部采用Profibus-DP(9.6 Kbit/s～12 Mbit/s)和Profibus的PA(31.25 Kbit/s)总线网络。

水处理岛总线控制系统网络结构如图1所示。

图1 水处理岛总线控制系统网络结构

该厂水处理岛系统的通信网络由三级构成:监控级——工业以太网;主控级——Profibus-DP冗余光纤环网;现场级——Profibus-DP支路和Profibus-PA支路。

Profibus-DP网络。通过光纤链路模块(OLM)组成冗余DP光纤环网,通信链路器(YLink)将双路的冗余光纤环网合二为一形成DP支路;DP支路设备上挂接ET200Pro分布式I/O设备(连接气动阀门控制单元—阀岛)、超声波液位计、电磁流量计、分析仪表及智能电机控制和保护单元等。PA网络和仪表:自现场OLM的DP支路之后,连接DP/PA-Link形成PA支路;PA支路上挂接压力变送器、差压变送器、温度变送器和磁翻板液位计等。

操作员站、工程师站、PLC通过工业级交换机构成双星型工业以太网;锅炉及热网补给水处理FCS和中水处理及工业废水集中处理FCS通过光电链路器构成两个互相独立的冗余 Profibus-DP光纤环网;Profibus-DP光纤环网上通过 Y-Link构成 Profibus-DP支路,通过DP/PA-Link构成Profibus-PA支路。

由于目前主流 Profibus-DP和 PA仪表设备大多没有设计冗余通信接口,因此在仪表和设备相对集中的现场设计一条DP或PA支路,连接DP或PA仪表设备。DP,PA支路再通过 Y-Link接入冗余DP光纤环网。这样既保证了电厂通信网络的可靠性,又满足了 Profibus现场总线设备的通信条件。

2.2 水处理岛FCS网络的具体设计

涵盖监控级Ethernet工业以态网以及现场级通信网络DP支路和PA支路的水处理岛FCS整体网络如图2所示。

图2 水处理岛系统网络

Profibus-DP用于设备级控制系统与分布式I/O之间的高速数据通信,即现场设备层的高速数据传输。传输速率范围为9.6 Kbit/s～12 Mbit/s,扫描1 000个I/O点的时间小于1 ms。主站周期读取从站的输入信息并周期性向从站发送输出信息。

由于Profibus-DP是串级连接的,单段DP网络若连接过多的设备就会造成信号衰减、通信速度降低,考虑到现场I/O测点及装置分散、现场设备交叉布局且距离相距较远等因素,因此选用OLM光电转换设备将系统构成冗余光纤环网,但目前的DP设备只配备单通信接口,因此从冗余的OLM引出后必须分别接至 Y-Link,再从Y-Link扩展出DP支路,连接结构如图3所示。每个光纤环网上最多可以连接126台现场设备作为DP从站。具有智能接口的DP从站设备直接连接到Profibus-DP支路上,再通过 Y-Link连接到冗余 Profibus-DP系统中。

图3 冗余光纤环网与DP支路连接示意

DP从站设备可以直接挂接在Profibus-DP支路上,而PA仪表则需要通过DP/PA-Link挂接在Profibus-DP总线上。Profibus-PA总线用于过程自动化,将自动化系统和过程控制与压力、温度和液位变送器等现场设备连接起来。使用Profibus-PA总线可取代 4～20 mA模拟信号传输, Profibus-PA总线的传输距离最大为1 900 m。

控制系统采用上位机和PLC两级控制的结构方式:利用PLC对整个水处理岛系统中的设备进行数据采集和控制,上位机和PLC之间通过数据通信接口进行通信;PLC通过各分布式I/O从站对现场设备进行数据采集和控制。

具有智能DP总线接口的设备如分布式I/O、电机控制和保护单元及超声波液位计等可直接连接到DP支路上。

DP从站设备:a)低压电器设备(MCC),采用智能电机控制器再配上相应的断路器、接触器构成完整的智能控制保护单元,所有的电机都能够被接入到总线系统中;b)气动阀岛,每一个阀岛最多可组成16路单电控二位三通阀,因此每一台交换器由一个阀岛就可实现控制,对于双路的气动阀门则采用双电控的二位五通阀;c)变送器、分析仪表及超声波液位计。

2.3 锅炉及热网补给水处理FCS网络设计

锅炉及热网补给水处理FCS共有5条DP支路,3条PA支路,2个通信箱,同时系统配有少量I/O模块,供接入部分设备的常规信号。中水处理及工业废水FCS共有12条DP支路,7条PA支路,4个通信箱,同时系统配有I/O模块,供接入压力开关、电气开关等常规信号。

根据规范设计每网段所带设备数量,同时从安全性和可靠性考虑,尽量保证同一功能的智能设备不在一条通信网段上,各网段按智能设备的功能和数量均匀分配来设计通信箱。

3 应用体会

a)现场总线突破了传统的 PLC,DCS信号“点对点”传输的束缚,通过现场总线通信传输的数据除对实时性有要求的有一定限制外,对于非实时性的状态、诊断、参数化的数据没有限制。如对于Profibus-DP支路,为保证控制和过程测量数据的实时性,对于循环周期数据通信,系统设置时限制在输入244字节和输出244字节;而非循环周期数据通信根据设备的不同,能够传送几十到二百多个字节,并且不影响系统的实时性。

b)现场总线技术实现了双向数据传输,能够简化电缆设计、安装和调试,在生产过程中获得远大于PLC,DCS的信息,为SIS提供更丰富的数据,为实现状态检修、性能优化控制和管理奠定更可靠的数据基础。

c)FCS的网络设计是至关重要的,不仅要根据系统I/O点的规模,而且要根据设备的地理分布、功能的相关性等因素,设计各层网络的覆盖范围,支路的数量,支路及分支线路的长度、各支路的设备数量等,这些设计对系统的性能、硬件配置等都有重要影响。

d)通过信息管理和诊断软件,运行和维护人员能够及时了解仪表和设备运行状况,通过一些统计数据,有可能提前估计设备的故障,大部分以前必须去现场巡检、调整的工作能够在控制室完成。

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