污水处理厂SCADA系统反相序保护

王明军 袁 鹏

作者通联：淮安同方水务有限公司 江苏淮安市延安东路1号 223002

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在现代化污水处理厂SCADA（监督控制及数据获取）系统中，操作人员在总控制室通过上位PC控制闸门、阀门、污水泵及粗/细格栅捞污机等污水处理工艺设备运行或停止。PH值、进水流量、进水COD及生物池中溶解氧含量等工艺流程上各种在线仪表数据实时传送到总控制室上位PC，同时运行/停止、故障等工艺设备状态，实时地反映在上位PC机上。一般只有在检修或保养设备时，由维护人员现场手动操作设备。

一、问题的提出

涟水污水处理厂SCADA系统见图1，其中PLC1、PLC2为带有以太网模块CP343-1的西门子S7 300系列PLC。PLC1负责预处理段（进水泵、粗/细格栅捞污机、旋流除砂机等）监督控制及该区域在线仪表数据采集；PLC2负责氧化沟推进器、回流/剩余污泥泵及曝气鼓风机等设备监督控制及该区域在线仪表数据采集。上述所有工艺设备电控柜中均没有反相序保护，建厂自动化控制系统集成时也未考虑工艺设备反相序保护问题。

2012年6月24日，污水处理厂主供电源停电，工作人员立即投运备用电源，总控制室值班人员观察设备运行正常。2h后，值班人员发现氧化沟上20余台水下推进器全部停运且故障报警，维护人员未发现故障原因，相关技术人员现场检查确认是电源反相序。污水提升泵、水下推进器及曝气鼓风机等大多数污水处理工艺设备不允许反转，否则会造成设备机械损坏。据污水处理厂事故损失调查，20余台推进器叶片全部脱落，叶片轮箍轴瓦、推进器电机轴头磨损严重，推进器导杆及脱架与基础连接脱开，部分推进器机封损坏，电机进水，直接维修成本6万余元。由于同时运行的1#进水泵及3#曝气鼓风机均由变频器驱动，变频器未设置反相序保护功能，虽然供电电源相序相反，但经过变频器整流及逆变，变频器输出相序没有反相，因此进水泵及曝气鼓风机没有损坏，故总控制室工作人员未及时发现异常。

图1 涟水污水处理厂SCADA系统

事故发生后，将氧化沟污水全部排掉，修复设备，重新培养活性污泥，前后共用时一个月，该厂目前商业运营每吨污水0.8元，每日处理水量3万t，共造成经济损失78万元。为此，恢复生产后考虑给不允许反向运行的设备增加反相序保护功能。

二、设备反相序保护

1.方案选择

（1）在每台设备电控柜加装一个相序控制器，只有相序正常时才允许设备运行，反之，立即切断设备。

（2）全厂只装一只相序控制器，相序控制器信号接入就近PLC。在PLC站原梯形图程序基础上，编写相序保护功能程序并加到原PLC主程序OB1中最后一个NETWORKS，一旦检测到反相序信号，通过PLC程序立即封锁设备的运行控制命令。对于其他PLC站所辖设备相序保护，首先利用PLC之间以太网通信，将相序检测信号送到相应的PLC，再用同样方法在本台PLC做相应保护程序。同时在上位机画面做一报警，一旦电源相序相反告知值班人员。

方案（1）的特点是无论现场手动控制还是调度人员在上位机通过PLC远程控制设备，电源相序反都能切断设备运行，相序控制器需求量多及敷设大量电缆，成本很高。考虑到污水处理厂工艺设备多数时间是调度人员在上位机通过PLC远程手动或自动控制，因此选择方案（2）。

2.电气接线（ 图 2）

选用具有逆相序、缺相等保护功能的无锡产台湾ANLY相序控制器，将相序控制器直接接到低压配电室母线，控制器输出就近接入PLC2。应避免相序控制器与母线之间有一级或多级开关设备，否则若开关跳闸，则无法实现保护。调整相序控制器输入检测端接线，使正常相序时ANLY继电器常开点闭合，将该常开点信号接入PLC2数字量输入端口。此时试验，一旦对调相序输入端任意两相或少接一、二相，该常开点即断开。

图2 反相序保护电气接线

3.编程

（1）在S7300 PLC2中插入一个FC块，在符号表中给该块取名为 phase-protection，在该FC块中编制梯形图程序（图3），其中ANLY继电器常开点接入S7300 I20.0，Q0.0、Q0.1及Q0.2等是PLC2原梯形图程序中控制设备运行的命令，即现场、远程、运行及故障等设备输入条件再结合工艺要求的逻辑输出；在NETWORK2中，当 M0.0为 1时，将PLC2输出的、不允许反相运行的设备命令用复位指令复位，即使设备停止运行。

（2）将该 FC块加到 PLC2的OB1中且一定要放在OB1的最后一个 NETWORK 中（ 图 4），否则有可能起不到应有的保护作用。这样Q0.0、Q0.1及Q0.2等形成双线圈输出，既是原梯形图程序的逻辑输出，也是新加入的相序保护功能phase-protection的逻辑输出。由于PLC程序是顺序扫描，对Q0.0、Q0.1及Q0.2等的输出总以最后一次为准，因此只有当相序反时会封锁这些设备的运行控制命令；相序正常时，由于M0.0为0，新加的相序保护功能phaseprotection对 Q0.0、Q0.1及 Q0.2等不产生任何影响。

图3 FC块中的梯形图程序

图4 OB1中的梯形图程序

对于PLC1所辖设备相序保护问题，首先要将PLC2中相序信号I20.0利用以太网传送给PLC1，西门子S7300 PLC可选用基于以太网的S7连接或S5兼容连接进行以太网通信。当I20.0传送给PLC1后，PLC1中按同样原理编制相序保护梯形图程序。

涟水污水处理厂加装反相序保护措施后，现场试验非常可靠。准备将上述做法推广到公司下属所有污水处理厂，确保污水处理工艺设备更加可靠运行。电源相序反虽然很少出现，但发生后会损坏企业工艺设备，损失很大，而且目前我国正处于高速发展期，电网升级改造频繁，无形中增加了电源相序反的可能性。上述方法可为同种情况企业提供参考。 W13.02-22