FF总线技术在药企污水处理过程控制中的应用

洪景学

摘要：目前药企污水处理过程大都采用计算机控制系统，但污水处理场区域面积大，设备及仪表分散，与控制室距离较远，为降低施工成本，缩短施工时间，提出一种采用DCS系统与FF总线技术结合的系统架构。通过对FF总线的硬件结构及控制功能的阐述，介绍了其在污水处理过程中的实际应用情况，并说明了FF网段的安装和调试过程。实际应用表明，DCS系统与FF总线技术相结合为大型污水处理厂提供了经济可靠的系统架构实例。

关键词：控制系统 污水处理 DCS系统 FF总线

中图分类号：TH89 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）05-0000-00

药企由于工艺要求，生产过程产生的污水量大，污水处理的各种池的容积较大，因此污水处理场所占地较广。国家环保部门对药企污水的排放有严格的标准管理，药企的污水处理彰显尤为重要。随着近几年计算机技术的发展，工业控制系统DCS、仪器仪表的价格下降幅度很大，计算机控制系统在大多药企的污水处理过程得到了应用。但常规DCS控制系统架构与现场仪表是通过I/O总线方式检测或传输电流信号，每块仪表都要连接信号线。这给施工中带来繁杂的铺线、架线、检测线工作，因此需要既能缩短施工时间，又能降低施工费及安装材料量的控制系统架构。合理组织控制系统架构，满足上述问题，是药企污水处理过程中必须解决的计算机控制技术问题。

随着FF总线技术在石油、化工、医药等领域的应用[1-5]，相当部分的FF仪表已国产化，国产DCS控制系统也已具有FF功能，为药企污水处理过程的计算机控制系统的应用带来了性价比更高的系统架构[6-7]。浙江湖州一家生物制药和合成制药的药企2012年改造8000+4000吨/天污水处理中心，配套的计算机控制系统是中控ECS700系统，并应用了FF技术。其计算机控制系统的基层通讯架构是I/O和FF总线，很好的解决了控制设备远且稀疏的问题。

1项目简介

1.1项目介绍

某药企现建有集中污水处理1座，包括4000 m3/d废水生物预处理系统和8000 m3/d废水生物处理系统。采用物化、水解酸化和好氧生物工艺进行处理。由于企业现旗下的分公司废水COD和氨氮负荷高，加大了集中污水处理工程的负荷，影响工程的稳定运行，给废水外排达标带来较大难度。

针对分公司排放废水高COD、高氨氮的特征，拟先进行厌氧预处理去除其中的大量有机物，然后进行脱氮。鉴于原有集中污水处理工程厌氧酸化负荷低的现状，现确定采用UASB为核心的厌氧预处理系统，包括废水调节池、UASB塔、出水沉降罐、沼气脱硫系统，沼气利用系统等。同时将已有的污水处理控制系统进行改造，满足污水处理过程的控制要求。

1.2控制系统工程要求

（1）4000T/D、8000T/D是已运行的污水处理系统，这次内容是将各控制测量点接入DCS系统，并将转动设备启停控制并入到控制系统中，要求转动设备有就地和DCS系统两地控制启停功能。

（2）厌氧工程是这次改造新增工程，流程图上的远传仪表，接入DCS系统，并根据现场设备布置，采用FF技术，降低施工费用，减少安装材料，缩短工程时间。

（3）控制室设置三台操作站，一台兼工程师站，打印机一台。

1.3工艺简要介绍

生产废水中含有苯酚等难降解物质，为提高废水B/C比，节约原料消耗，目前企业采用萃取方法回收废水中的苯酚，萃取后的污水和其它高浓度的生产废水混合后进入高浓度废水预处理工程调节池，池内设穿孔管预曝气，起到快速均质作用。调节后的废水进入气浮槽去除SS和部分COD，再进入兼氧池，通过池中兼氧菌的分解，使污水中的大分子难降解有机物降解为小分子易生化物质，提高废水的B/C比。经兼氧沉淀后出水进入HCR池中进行好氧处理，去除污水中大部分有机物和氨氮，HCR池出水进入中间水池后，再泵入臭氧氧化塔氧化，进入过滤池进行曝气、加粉末活性炭去除剩余臭氧后，出水进入分厂污水处理站调节池，与企业其它污水（包括公用工程废水、地面冲洗水、稀污水等）、生产废水、生活污水充分混合集中处理。混合废水首先进入水解池，在兼氧菌的作用下，使污水中的大分子难降解有机物降解为小分子易生化物质，然后进入LD-PACT池，通过定期往曝气池内投加粉末活性炭，强化对污水中有毒有害物质的去除效果，同时该处理单元设置缺氧区，通过系统污泥内回流，提高该系统的脱氮效率，经好氧处理后的出水进入接触氧化池，进一步去除残留COD和氨氮。

8000T/D工艺流程如下：

调节池→水解池→LD-PACT池→二沉池→接触氧化池→终沉池→化学氧化池→出水达标排放

4000T/D工艺流程如下：

调节池→气浮池→兼氧池→沉淀池→HCR池→中间池→化学氧化池→过度池→排水

2项目控制系统架构

由于8000吨、4000吨老系统的仪表设备不是FF仪表，采用I/O总线，新增厌氧项目采用FF仪表及FF技术。HCR池PLC控制系统通过光纤接入交换机，监控系统及现场设备的运行数据。系统构架如图1。

3总线技术

现场总线又称现场控制网络，它属于一种特殊类型的计算机网络，是用于完成自动化任务的网络系统。从现场控制网络节点的设备类型、传输信息的种类、网络所执行的任务、网络所处的工作环境等方面。IEC（国际电工委员会）定义：一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间进行双向、串行、多节点、数字式的数据交换的通信技术。

基金会现场总线（FOUNDATION fieldbus）是上世纪九十年代发展起来的新型自动化控制技术，目前，正以迅猛的势头快速发展。现场总线控制系统之所以受到国内外自动化设备制造商和用户越来越强烈的关注。其根源在于它是在前人自动化控制技术基础之上，吸收了DCS及PLC控制系统的优势，提出的全数字的控制系统。

3.1 FF总线特点

基金会现场总线控制系统的特点：（1）系统是全数字化的、智能的，通信是自上而下和自下而上的双向通信，系统完全透明，网络管理和系统提升随时可以进行。（2）系统可以是非本安、但也可以是本安的，应用场合广泛。（3）网络通信和供电用同一根电缆连接，可以大量节约电缆、敷设装置等设备。（4）系统是互联的、开放的，网络规模变更更加方便。（5）控制功能可下装在现场设备（控制在现场CIF），完善的链路调度功能、冗余功能确保了系统具有极大的可靠性。（6）系统是全数字的，系统为采用先进的管理如安全功能仪表、设备故障诊断、系统瞻前维护等提供了施展平台。

3.2 FF总线技术优点

FF现场总线控制技术的优点已被实践所证明，其主要的优点是：（1）缩短施工时间，降低施工费，节省安装材料量。（2）FF现场总线使得预防性维护成为可能，在FF现场设备真正出故障之前可以发出维护请求信息，并提醒仪表维护人员进行维护。在FF现场设备真正出故障之后可以发出故障的详细诊断信息，来自FF现场设备的丰富的信息可以有限地缩短查找故障的时间、大大减少仪表维护人员到现场设备所在地进行一些不必要的测试和检修，十分显著的减少仪表维护人员的维护工作量、 从而降低了装置的维修费用。（3）现场总线采用全数字通信技术，全数字信号传输时不易受外界干扰，有利提高系统的可靠性。

3.3 FF总线控制系统在制药行业应用前景

基金会现场总线除了适用于石油与天然气、炼油、石化和“早期介入的行业”外，ARC明确了其在混合工业及食品饮料和制药行业的一个有效的价值主张，特别是当它开始使确认和法规符合性的过程以及批处理分程序运行与连续过程实现集成轻松自如时，基金会技术的功能块结构非常适宜于这些过程。在生物制药行业采用现场总线可实现真正的分层、分布式系统结构，这种结构极大的提高了整个系统的可靠性，灵活性和可扩展性，符合生物制药自动化的发展趋势。

基金会现场总线技术在生物制药行业中有非常广阔的应用前景，特别是在当今新建项目中能在可靠性、高精度、经济性等诸多方面获得最大的效益。同时现场总线系统与IT网络实现资源共享，无缝链接，大大提高了该企业的信息化水平和管理水平。相信通过国内外现场总线厂家和设计研究部门的共同努力，基于现场总线的控制系统必将分系统、分阶段地逐步取代现有的分散式控制系统[8-10]，在未来定将成为我国制药行业自动化的主导技术。

在国内，近五年来，从上海赛科、南海壳牌炼油、天津乙烯到2009年投运的福炼一体化，FF已经逐步发挥了技术上的优势，也被越来越多的用户认可，尤其是在中石化、中海油、中石油三大能源企业。但这些应用基本上全部引进进口FF仪表、控制系统、通讯配件等，国内产品几乎没有应用，因此必须尽快改变这种现状，加快基金会现场总线系统国产化进程。

4 中控ECS700系统

本方案中采用ECS-700系统是浙江中控技术股份有限公司WebField控制系统，是基于国际标准和行业规范进行了设计和研制。保证了系统的可用性、可靠性和开放性。系统所有部件都支持冗余，具有故障安全功能，输出模块在网络故障情况下，进入预设的安全状态，保证人员、工艺系统和设备的安全。

4.1中控ECS700系统特点

基于WebFieldTM ECS-700的基金会现场总线系统，符合现场总线基金会主机系统的61b标准，可以满足基金会现场总线项目应用需求，该系统在ECS-700基础之上增加了基金会现场总线的H1网段组态接口、控制功能块、控制策略组态接口、控制策略下放现场设备功能、系统报警和事件、系统诊断以及SAMS备管理等系统功能，形成基金会现场总线一体化的系统解决方案，实现了真正的过程工业总线控制系统FCS，帮助用户数字化管理工厂。

4.2 FF总线控制系统具体配置（图2）

4.3 FF总线功能的组态

4.3.1 软件组态

FF组态软件VFFFBuilder是完成总线系统硬件设备组态的图形化界面，该软件大量采用Windows的标准控件。FF组态可完成对控制器下连接所有硬件进行组态，包括H1接口模块（AM712-S），网段、网段上连接的设备，完整并最新的设备描述库（DD）。

（1）H1接口模块组态。在硬件配置界面中，添加H1接口模块，并设置H1模块属性。

（2）进入VFFFBuilder组态。在AM712-S模块下的两个网段配置中，添加包括设备厂家、地址、设备类型及版本号等配置，同时完成网段信息配置，如网段使能、宏周期等。

（3）设备上线。设备接入系统后，系统自动扫描网段上设备。系统自动对上线设备属性进行解析（前提是系统已具备该设备DD文件，如无DD需导入相应版本的设备DD文件），上线设备默认为就绪状态（Standby）或备用状态（Sqare）。

（4）设备匹配。在硬件组态中拖曳或右键匹配设备，选择读取或下写设备参数，匹配后的设备在线组态或修改参数。右键同时可以解除设备匹配，解除匹配后，用户可以重新选择设备匹配。

（5）网段调度组态。硬件组态中可以对网段的红周期调度进行配置，包括宏周期及子宏周期。

（6）设备远程组态和在线诊断。VFFFBuilder 硬件组态软件中提供了设备远程组态的接口，通过该接口，用户可以直接对设备的参数进行在线浏览或修改。对于EDDL描述的设备，系统可以直接对设备进行METHOD操作组态，对温度、压力、流量等测量输入的零点校准和传感器的设置组态。同时可以再线对连接的设备进行直接诊断，诊断信息包含了现场总线设备报警及块报警信息。

4.3.2 监控、报警、诊断组态

ECS-700的实时监控软件与现场所有H1网段及设备进行实时访问及监督、监控现场总线设备的通讯情况，处理系统获取的数据，并就现场运行情况及时有效控制。

（1）实时监控软件。监控软件为所有现场总线功能块提供系统封装的FF操作面板及详细面板，除了常规的操作功能外，还提供了所有数据的质量吗先生和功能块的诊断信息，可定位准确的回路错误或问题根源。

（2）FF报警及事件软件。软件报警分为过程报警、块报警和设备报警，对过程报警提供实时报警显示和历史报警记录，对块报警和设备报警仅提供历史报警记录并存储在数据库中。

（3）系统状态诊断软件。AM712诊断包含类型、硬件版本、冗余和状态，以及其下网段和设备（只包含经过FF组态软件组态过的设备）状态的显示。点对点的通讯（在AM712、网段和FF设备界面时）5秒钟刷新一次诊断信息。网段诊断包含网段状态、其下设备数量和通讯统计等。设备诊断包含设备基本信息（厂商、型号和版本）、位号、ID号、地址和状态等信息。

4.4 FF总线功能的实现

FF网段的安装和调试基本上需要三个步骤来完成并使其工作。接下来的图表展示的就是这三个主要步骤；

开始→FF 网段安装→FF 网段安装及线路确认→FF 网段调试及操作确认→结束

4.4.1 FF设备的安装

FF网段安装由许多安装工作组成，实际上包括部分DCS到FF仪表的部分。本文的重点是FF电缆、FF接线箱及FF仪表接线的安装。对于传统仪表和FF仪表的机械安装基本都是相同的。FF系统的屏蔽接地对于FF的通讯性能异常重要，通常使用系统屏蔽单点接地的方式。

（1） FF仪表安装：FF仪表的安装/连接与传统仪表相似。

1）仪表接地：通过在FF仪表上安装接地线/条的方式来确保仪表外壳的可靠接地。

2）仪表调试标签：每个FF仪表都有一张调试标签。仪表安装好之后，调试标签必须一直挂在FF仪表上。

（2）DCS机柜中的FF主干线的端接：在DCS机柜的现场接线侧，通过网段浪涌保护器接入系统，在进入机柜之前，对于使用铠装的FF电缆，其铠装层需被加紧在金属框架/条棒上。

（3）FF电缆在FF接线箱内的端接：在FF接线箱内部，所有电缆葛兰都被连接到了金属板上接地连接。

（4）FF分支电缆在FF仪表内的端接：FF分支电缆安装在FF现场接线箱和FF仪表之间。

4.4.2 FF网段线路验证

执行线路验证程序以确认FF网段电缆上的线缆电阻和绝缘正确。测定电阻是为了确认在网段上没有短路存在，测定电容是为了验证FF网段满足了基金会现场总线规范（IEC 61158-2）的要求。网段线路验证在外观检查结束后进行。

（1）电缆电阻测试。电缆电阻测定在DCS接线柜侧进行，断开两个端子块将网段电缆与浪涌保护器断开。

信号线正负断的测量应当在50KΩ～20MΩ，信号正与屏蔽、接地，信号负与屏蔽、接地，屏蔽与接地测量电阻阻值>20MΩ。

（2）电缆电容测定。在接线柜里，断开端子块连接器，测量H1网段线路的电容。信号（+）到信号（—）开路，电容值为1microF；其他测量均应开路，电容值<300nF。

4.4.3 FF网段调试及运行

安装及线路验证结束后，FF网段及FF设备已经具备了设备调试条件。网段的调试，FF设备必须全部挂接并且网段已供电。在调试阶段，FF设备将被置于运行状态。

（1） 网段上电程序：FF网段调试第一步是挂接全部FF设备，网段上电。如果所有的FF设备都已经通讯上了（显示为未调试设备），则可执行下一步骤。

（2）网段通讯验证：一旦FF设备显示为未调试设备，FF的H1接口模块与FF仪表的通讯就被建立了，可以被检验了如表1所示。

（3）FF网段及设备通讯统计的验证。FF网段和设备从DCS组态数据库下载后，使用DCS的诊断工具监视网段的全部通讯。通讯统计被测量并且存储在H1接口模块的存储器中。VF的系统诊断程序可以读取并将诊断参数显示在DCS工作站的屏幕上。网段投用后，这些诊断参数要至少被检查两次。

5项目运行情况

4000T/D、8000T/D污水处理自动造化改工程自2012年5月投运使用，目前系统整体运行稳定，测量准确控制可靠。在中控室调用现场仪表运行状态数据，修改仪表量程等，极大方便了维护工作。使用单位对系统的可靠性、实用性给予了充分肯定。在整个改造项目实施中，FF总线系统与常规I/O总线相结合的架构，对于节省安装材料、缩短施工和调试时间起到了至关重要的作用，其技术的优越性在实践得到了验证。

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