北部水厂超滤膜系统自动控制技术的分析与应用

吴志金 赖源平

广州市自来水有限公司 广东 广州 510000

1 工艺流程介绍

北部水厂超滤膜系统采用国际领先的城市净水技术——超滤膜处理技术。系统主要运行流程为：常规处理工艺的砂滤后水经提升加压后经过自清洗过滤器，进入超滤膜堆，由压力差驱动沿径向由外向内渗透过中空纤维膜丝，进入膜纤维内腔，再经每个膜组件的产水端汇集到产水总管，最后输送至清水池。膜堆定期进行气洗、反冲洗、维护性清洗和恢复性清洗。维护性清洗和恢复性清产生的酸碱废水进入中和池后加药中和，然后排入到厂区的生产排放水处理系统[1]。如图1所示：

图1 超滤膜车间工艺流程图

2 控制系统介绍

超滤膜过滤系统分为四个系列，共40个膜堆，各系列可以独立运行；超滤膜运行全过程均由PLC控制，实现系统全自动运行。

2.1 原水提升系统

共设12台进水提升泵。每台进水泵均配有变频器、进水压力计、出水压力计、电机震动模块、泵轴温度传感装置，使每台进水泵的运行得到有效监控。水泵全变频调速，保持总管压力一定，并保持吸水井在一定的水位变幅下稳定出水量。每台泵组设一个PLC子站控制。

2.2 预处理系统

自清洗过滤器作为膜前预处理系统，对经过提升后的原水在进入膜堆前进行过滤，共28台，分为两组。PLC根据压差变送器的压力设定值或过滤时间设定值全自动调节过滤/清洗的频次。每组自清洗过滤器由一个PLC子站控制。

2.3 超滤装置系统

超滤膜处理车间共有40个膜堆，分为4个相互独立UF系列（每个系列含10个膜堆），每个膜堆均配有进出水流量计、进出水压力计、浊度仪、颗粒仪，使每个膜堆的运行得到有效监控。在保持总管压力一定的范围内通过调节每套UF装置的进水阀门开度，分配各组膜堆进水量，进而控制每个膜堆的产水量。每2个膜堆由一个PLC子站控制。

另外，4个相互独立UF系列各设一个PLC控制主站，负责各自系列总管相应阀门的控制和在线监测仪表的数据采集，同时用于各自系列下的膜堆PLC控制子站与中央监控管理系统之间的数据传输通信。

PLC控制主站采用冗余机制方式，两个独立工作的冗余CPU通过同步光纤进行实时的数据同步，任何一方出现硬件或通信故障，另一方仍可接管整个控制任务，最大限度地降低生产停机风险。

2.4 物理清洗系统

共设8台反洗泵、4台反洗过滤器和8台罗茨风机，反洗泵和罗茨风机均为变频控制。为保持合理的运行跨膜压差，膜堆需定期进行物理清洗。

每2台反洗泵（1用1备）和1台反洗过滤器设一个PLC子站控制。共4套反洗泵控制子站，分别对应4个膜系列。

每2台罗茨风机（1用1备）设一个PLC子站控制。共4套罗茨风机控制子站，分别对应ABCD 4个膜系列。

2.5 配药投加系统

共设5种药剂储液罐（脱氯剂、氢氧化钠、次氯酸钠、柠檬酸、盐酸）用于配制膜堆化学清洗所用药剂，并通过加药泵输送至化学清洗罐或中和池。配药由PLC根据配药浓度自动完成。

每种药剂储液罐、2台卸药泵和4台加药泵辅以液位计、液位开关、流量计等设备组成一套配药投加系统，设一个PLC子站控制。

2.6 化学清洗系统

共4个化学清洗罐、8台UF清洗泵和4套清洗过滤器，用于将配药投加系统过来的药剂储存调合后，输送至膜元件或中和池。化学清洗分为维护性清洗（CEB）和恢复性清洗（CIP），由PLC定期自动启动完成。共4套化学清洗系统，分别对应4个膜系列。

2.7 公用设备系统

公用设备控制系统主要实现两个进水吸水井相关仪表设备、两台空气压缩机及相关仪表设备以及提升泵房内排水泵的监控，同时负责对原水水质监测的余氯仪、浊度仪、pH计、电导仪等在线仪表的数据采集。

另外，公用设备控制系统作为一个PLC控制主站，实现其下级PLC控制子站（主要为进水提升泵控制子站和配药投加控制子站）与中央监控管理系统之间的数据传输通信。

公用设备PLC控制主站采用冗余机制方式，两个独立工作的冗余CPU通过同步光纤进行实时的数据同步，任何一方出现硬件或通信故障，另一方仍可接管整个控制任务，最大限度地降低生产停机风险。

2.8 中和池设备控制系统

超滤膜堆在化学清洗后，废液排入中和池，进行在线加药中和处理。设一个PLC控制子站，主要实现中和池排水泵、电动阀门的监控和相关仪表的数据采集。

各个控制系统结构上由应用层、控制层、设备层共三层模型构建。各层间具有相对独立性，应用层与控制层之间通过TCP/IP标准工业以太网连接进行数据交换；控制层与现场设备之间的输出控制和信号反馈通过电气接线物理连接；控制层与在线检测仪表主要通过MODBUS RTU和4至20mA等方式进行信号采集和数据传输；通过多种通信方式构成信息化、智能化、综合化的自动化控制系统。

3 PLC设备选型

上述控制系统中共计5个PLC控制主站和52个PLC控制子站[2]。其中，控制主站选用PCS 7 SMART产品系列，控制子站选用S7-1200产品系列。

3.1 控制主站

PCS 7 SMART产品系列，是一款高经济性、功能强大的过程控制系统[3]。本项目5个PLC控制主站中，中央处理单元选用AS 410 SMART，在线仪表数据采集选用通信模块CP 341-RS422/485，I/O设备选用由接口模块IM650和专用ET 200PA SMART I/O模块组成。

3.1.1 中央处理单元：AS 410 SMART

AS410 SMART为冗余控制器，具有以下优势：功能强大——高达450MHz的运算主频、48MB的装载内存和 8MB的工作内存，轻松应对各种复杂的控制任务；灵活组网——两个独立的PROFINET IO接口提供冗余环网管理RM功能，一个PROFIBUS DP接口可连接多达48个PROFIBUS DP从站，可轻松满足系统总线和现场总线的各种组网需求[3-4]。

基于AS410 SMART灵活组网这一优点，通过两个独立的PROFINET IO接口连接两层环网，通过PROFIBUS DP接口连接现场I/O模块，组成一个高性能、多功能的控制主站系统。

3.1.2 通信模块：CP 341-RS422/485

通信模块CP 341-RS422/485通过点到点连接进行快速高性能数据交换，可加载Modbus RTU协议，作为主站或从站进行通信。控制主站中选用通信模块CP 341-RS422/485，通过Modbus RTU通信方式，采集浊度仪、颗粒仪、pH计、电导仪等在线仪表数据。

3.1.3 I/O设备模块

ET200PA分布式I/O站，通过PROFIBUS-DP现场总线与AS 410 SMART连接。本项目控制主站中选用接口模块IM650，I/O模块根据信号点数分布和30%备用配置考虑。

3.2 控制子站

S7-1200系列是一款小型可编程逻辑控制器产品，设计紧凑、组态灵活、具有功能强大的指令集和可扩展性，充分满足中小型自动化的系统[5-6]。

本项目52个PLC控制子站中，中央处理单元选用S7-1200 1215C，在线仪表数据采集选用通信模块CM 1241-RS485，I/O设备根据信号点数分布和30%备用配置考虑。

4 通信网络

在多个独立的自动控制系统中，如何组建安全可靠的通信网络，对于实现中央监控管理系统一体化监控有着十分重要意义。

4.1 网络组成

北部水厂超滤膜自动控制系统组成了一个双层的100M冗余型光纤工业以太环网，保证系统数据通信的快速稳定性。第一层为主站环网，第二层为子站环网，两层环网通过具有双CPU双网络冗余机制的控制主站PLC（AS 410 SMART）进行连接。

第一层环网由5个控制主站（公用设备主站和4个超滤系列控制主站）与连接超滤中央监控管理系统的环网冗余型光纤交换机组成。

第二层子站环网包括有：5个超滤膜堆控制子站、1个反洗泵控制子站、1个气洗风机控制子站和1个化学清洗控制子站。

各个环网均设置冗余，各控制主站的下级环网相对独立，当某个下级环网子站设备故障时，其余下级环网子站不受影响；当某个上级主站设备故障时，下级各环网子站设备仍可继续工作而不影响整个工艺过程控制。

4.2 控制主站双CPU冗余机制

控制主站PLC配置2个AS 410 SMART,具有双CPU双电源双网络的双机热备/容错系统。双控制器热备为硬件冗余，主从机架的IP地址、总线地址设置完全相同，不随主从机架切换而改变。冗余切换条件：机架电源断电、CPU故障、机架内任何模块故障、以太网模块断线连接、总线模块断线连接、人工手动切换[3-5]。冗余模块间通过高速光纤进行同步，冗余功能完全靠硬件冗余完成，不需要人工任何干预。

各控制主站监控相应设备外，还负责下级控制子站与中央监控管理系统的数据传输通信。控制主站双CPU冗余机制为网络通信稳定和数据存储提供了可靠的保证。

4.3 与厂内现有工控网络通信

超滤膜控制系统作为北部水厂现有生产监控系统的一个子系统，需与原有生产监控系统实现数据通信。

在超滤膜中央监控管理系统的环网（主站环网）交换机上，设置一个AB Contrologix 1756系列的PLC处理器，配备双网口，其中一个IP设原有工控网段，另一个IP设超滤膜系统网段，接入至我厂生产监控原有光纤主干环网，用作我厂现有生产监控系统（AB）与超滤膜控制系统（西门子）通信用PLC，成为北部水厂一期工程生产监控系统的一个组成部分。

整体上，北部水厂超滤膜系统与厂现有生产监控系统组成一个三层环网的拓扑架构，系统通信快速稳定、安全可靠。

5 中央监控管理系统

中央监控管理系统包含有1台工程师站、2台操作员站和2台数据库服务器。各控制主站向中央监控管理系统传送数据，并接受监控管理系统发出的开停机命令。

5.1 数据库管理

中央监控管理系统采用客户端/服务器的系统方案，2台数据库服务器互为冗余机制，如果其中一台服务器发生故障，另一台将接管整个系统控制。发生故障的服务器恢复正常运行时，所有的消息和过程值归档都将复制到恢复运行的伙伴服务器中。确保了客户端操作控制与画面显示的连续性保证数据存储安全。服务器采用三网卡连接方法，分别用于连接上位机、控制站和作为冗余服务器同步接口。

5.2 监控软件介绍

超滤膜中央监控管理系统的监控软件为PCS7下的WinCC 7.3完全版。WinCC采用基本系统+选件方案，具有强大的可扩展性。WinCC 基本系统已集成过程监控、与PLC等设备通信、报警功能、趋势功能、归档系统、报表系统、用户管理系统等。功能扩展选件主要有[7-8]：

·WinCC/Server，用于组态功能强大的客户端/ 服务器系统；

·WinCC/Redundancy ，通过冗余构架提升系统可用性；

·WinCC/IndustrialDataBridge，通过组态方式实现WinCC系统与IT系统的数据交换；

·WinCC/Web Navigator，通过Internet、公司内网或局域网，对工厂进行监控；

·SIMATIC ProcessHistorian ，对整个工厂的数据进行统一的、集中的长期归档；

·SIMATIC Information Server，基于Web网络，通过归档数据生成各种报表。

5.3 上位机监控界面

该系统采用SIMATIC WinCC Explorer7.3数据采集与监视控制系统，人机界面友好，构筑物和设备模型以3D形式展示，整体画面风格与现有生产监控系统一致。

5.3.1 画面组成

超滤膜中央监控系统上位机监控界面为一个三级界面监控流程，一级界面包括膜工艺流程、提升泵过滤器（2组）、超滤膜组（4组）、反洗泵、气洗风机、清洗系统、投加系统、中和系统、仪表空压系统、排水系统、网络拓补、电量监控、趋势系统、历史报警、实时报警、报表系统共二十个。

5.3.2 趋势曲线

上位机监控界面可查看设备运行数据和水质工艺参数的趋势曲线。操作人员可以在界面中可选取需要分析的数据，灵活调整趋势显示的时间和范围，在界面生成趋势曲线。这些数据以表格的形式在趋势图下方显示并可输送至打印机上打印。

5.3.3 报警功能

上位机监控界面中可查看系统运行过程中出现的报警，包括实时报警和历史报警。报警可根据安全等级发出报警声音通知值班人员。报警根据时间顺序降序排列，以列表形式显示。

5.3.4 报表功能

上位机监控界面可将数据库系统的数据以报表形式进行查询，操作人员可以选择时间日期和所需查询的数据，以日报表、月报表、年报表形式输送至打印机打印出来。

6 结论

北部水厂超滤膜系统采用先进的自动化控制技术，生产过程全工艺由PLC全自动控制，各项硬件和软件功能完善，由中央监控管理系统实行集中统一监控，自2019年9月投入使用以来，运行稳定可靠，是一个高效、先进、智能的自动化监控管理系统。