S7-400在自来水厂控制中的实际应用| Siemens Automation And Drive ...

一、 项目简介
        安庆市自来水公司为国家中型企业,始建于1911年。自新中国成立,特别是改革开放以来,供水事业有了很大 的发展。现供水能力为日供水量41.5万m3,其中第三水厂是利用德国政府xx,引进国外先进的技术及设备而兴建的一座现代化水厂。该水厂的主要生产设备 从国外进口:西门子公司SIMATIC S7-400 PLC和西门子工控计算机组成的自动控制系统、RTU、KSB水泵、VEM电机、Erhard阀门、Passavant闸板阀、Auma电动驱动装置、 Passavant搅拌器、ALLDOS加氯系统、Jesco加药机、E+H和SIEMENS仪表、中低压开关柜等;其它设备在国内采购,如刮吸泥机、高 压开关柜等。

二、 系统介绍
       第三水厂于1996年底动工兴建,设计规模20万m3/d。净水工艺系机械混合、机械絮凝平流沉淀池,均粒滤料滤池等常规净水工艺。见图一:

图 一          控制系统由两台上位机、一台编程器和四套SIEMENS S7-400PLC、一套S7-300PLC及24个ET200M组成。上位机为SIEMENS工控机,配置为80586英特尔奔腾处理器 166MHZ/32MB/1.2G/20″CRT/HP 4L打印机/EPSON LQ-1600K打印机。上位机的软件是WinCC V4.0,系统中文平台是中文之星。

        现场一共有五个PLC分站,主要模板有:CPU有CPU413-1(2块)、CPU413-2DP(2块)、CPU314IFM(1块);通讯模板有 CP443-5(3块)、CP441-2(2块)和CP342-5(1块);信号模板有SM431(9块)、SM432(1块)、SM421(22块)、 SM422(5块)、SM331(25块)、SM322(25块)、SM321(50块)、SM334(1块)和接口模块、机架若干等。编程器为 PG740。PLC编程软件为STEP7 V4.02,操作员面板的编程软件是Protool。
        整个自动控制系统主要负责采集和显示现场仪表、水泵、阀门、搅拌器等设备的运行数据、状态,负责执行通过操作员面板发出的手动命令和能按照应用软件程序对 现场设备进行自动控制,并能自动存储工艺数据和自动打印报表和故障信息等。

三、 控制系统结构与配置
        水厂的自动控制系统采用“集中检测、分散控制”的方式,构成“纵向分层,横向分站”的网络体系结构,整个控制系统网络分为二层:
        {dy}层为现场设备控制层:主要有各现场PLC控制分站、检测仪表、电控设备等组成。直接完成生产过程中的数据采集、调节控制以及实现反馈控制或顺序控制等 功能。根据水厂生产工艺流程和现场构筑物的分布情况,分为五个分站;取水泵房分站、加药间分站、加氯分站、滤池分站、送水泵房分站。
        第二层为中心控制室操作站:设有两台监控计算机,采用双机热备方式,如果一台出现故障,则另一台仍然能够独立工作,并且具有所有的功能,以确保整个控制系 统的可靠性、连续性和安全性,根据需要可以完成全厂生产处理的在线监测,并向PLC发出控制命令。
        中心控制室内的监控计算机与加药间分站、加氯分站、滤池分站、送水泵房分站采用Profibus通过TCP/IP通讯协议组成工业局域网。局域网采用光缆 连接,每个分站以双绞线通过光缆连接模块(OLM)连至Profibus网,中心控制室内的工控机通过CP5412网卡和OLM连至Profibus网。 由于水厂取水泵房距离水厂距离2公里多,该分站与厂区控制系统采取有线通讯的实际操作性很小,因此采取了无线传输方式将该分站的一些重要数据发送至厂区的 送水泵房分站,从而传送到系统网络。
       在滤池分站,由于滤池共有24组,分布范围比较大,距离长度比较大,所以在每组滤池设立了一个ET200M,将滤池分站PLC作为主站,24个 ET200M作为从站,采用西门子Profibus-dp现场总线。
系统配置图如下(图二):

四、 生产控制系统的功能
       水厂自动控制系统按以下三种方式运行:一是自动运行,即xx通过PLC,根据预先编写的程序自动控制运行;二是操作员通过控制室监控计算机或PLC上的操 作员面板操作,发出运行指令,设备的运行还是通过程序自动进行的;三是手动控制设备的运行,xx脱离PLC,通过现场控制箱上的按钮就地手动操作。在水厂 内每台电动设备旁都有一个“就地控制箱”。就地控制箱上有“就地”和“远程”转换开关。“就地”方式适用于人工干预或维修时使用,任何一项操作都是通过按 钮来执行,在此方式下,PLC不能发出控制命令,只进行监测。“远程”方式是控制系统自动运行设备。
1、中心控制室操作站
        负责水厂工艺和设备过程控制、数据备份、数据处理。在监控计算机上可以显示水厂各处理单元模拟画面,包括工艺布置图、实时动态参数、设备的运行状态及实时 /历史报警信号、在线仪表的实时/历史趋势曲线等,并周期循环发布日报表、月报表、年度报表。同时,可进行离线/在线编程及修改设定参数。以下列举几张工 艺流程图:
 

2、现场设备控制层
现场设备控制层分为五个分站;取水泵房分站、加药间分站、 加氯分站、滤池分站、送水泵房分站。
2.1取水泵房分站
       由于取水泵房距离水厂距离较远,该分站与厂区控制系统采取有线通讯的实际操作性难度较大,因此采取了以MODBUS协议(借助总公司的无线网络)的无线传 输方式将该分站的一些重要数据发送至厂区的送水泵房分站,从而传送到系统网络,传送的信号有取水水位,水泵出水压力,水泵的开/停/故障,开关柜合闸/断 开/故障,、泵机分电量,调节阀门的信号。
? 硬件:CPU413-1、CP441-2、SM422、SM421、SM431、OP37、 UR1、PS407、RTU等。
? 监测范围:取水水位,水泵电流,水泵出水压力,水泵的开/停/故障,开关柜合闸/断开/故障,、泵机分电量, 泵站总电量,调节阀门的信号等。
? 自动控制:在取水水位允许的情况下,根据水厂的水库水位操作员在OP37面板上手动控制水泵的开停,当水库水 位较低时,开启或增开取水泵;当水库水位较高或取水水位较低时,减少取水泵的台数;当取水水位很低或水泵出现或故障水泵电流异常或出水压力异常时,自动控 制系统将不允许开启取水泵。
2.2加药间分站
? 硬件:CPU413-2DP、CP443-5、SM422、SM432、SM421、 SM431、OP37、UR1、ER1、IM460-1、IM461-1、PS407、OLM等。
? 监测范围:源水流量,源水浊度,源水PH+ 温度,药剂混合池、准备池的水位,SCD值,沉淀池出口浊度以及各设备的运行状况等。
? 自动控制:
⑴自动加药系统:根据加药准备池的水 位状态自动进行输、配药控制,采用闭环控制加药泵进行自动投加加药量,通过调整加药计量泵的变频器的频率来实现。
      采用SCD仪与源水流量计一起构成前馈——反馈控制的混凝自动投加系统。控制原理如图所示,根据流量计测量到的源水流量作为前馈,SCD仪通过采样反应池 的反应絮凝情况检测出SCD值作为反馈,与设定值进行比较后,通过PLC来改变变频器的频率,从而控制投药计量泵的电机转速,达到改变投药量的目的,在单 纯以源水流量比例控制下引入SCD反馈环节能够进一步提高沉淀水浊度的合格率和稳定性,降低药耗,并能根据源水水质及反应效果灵活地对各项参数进行设置与 调整。原水浊度、PH+温度以及沉淀池的出口浊度作为监控参数进行参考,出口浊度不作为控制参数,主要是由于其滞后时间太长。

 
       当药剂准备池的液位过低时,为防止加药泵的干运转,所有的加药泵将不允许自动运行;当其中一台加药泵出现故障时,其备用加药泵将自动投入运行。
(2) 刮泥桥
         刮泥桥的自动控制方式有两种:①定时开停:在PLC中设置两个计时器,一个运行计时器,一个停止计时器,当停止计时器计时到期时,PLC开始自动启动刮泥 桥,并且运行计时器开始计时;当运行计时器计时到期时,PLC开始停止启动刮泥桥,同时停止计时器开始计时,如此循环。当把停止计时器设置为0时,刮泥桥 将连续运行。②根据沉淀池出水浊度值进行自动控制:当浊度达到一定值时,自动运行刮泥桥,浊度值低于一定值时,刮泥桥将自动停止运行。
       对刮泥桥设置三种运行模式:将沉淀池平均分为三段,{dy}种模式是刮泥桥在沉淀池的进水方向三分之一段来回运行;第二种模式是刮泥桥在沉淀池的进水方向三分 之二段来回运行;第三种模式是刮泥桥在整个沉淀池上来回运行。由于进水方向的泥量较多,越往沉淀池出口方向,泥量越少,这样,在进水方向段,可以使刮泥桥 刮泥的次数增加,在出水方向段,可以减少刮泥次数。即:{dy}种模式运行次数最多,第二种模式运行次数次之,第三种模式运行次数最少。
刮泥机在排水 泵站污水水位过高出现报警时禁止自动开启。
2.3、滤池分站
该分站包含:24组滤池,反冲洗泵房,排水泵房的控制和监测。
? 硬 件:CPU413-2DP、CP443-5、SM422、SM421、SM431、OP37、UR1、PS407、OLM、ET200M等。
? 监 测范围:滤池水位,滤水阀门的开启度,反冲洗水位,反冲洗压力,反冲洗泵状态,排水水位,排水压力,排水泵及各阀门的状态等。
? 自动控制:
(1) 滤池:按恒水位滤水,当水位高于上限时,调节打开滤水阀门,当水位低于下限时,调节关闭滤水阀门。

(2)反冲洗泵房
①定时反冲洗:根据实际需要设置合适的定时时间,8小时、12小时、24小时……,PLC将根据每组滤池的申请时 间进行排队,PLC将自动关闭滤池进水阀和滤水阀,再打开反冲洗阀和排水阀进行反冲洗,每次反冲洗一组滤池,按照排队顺序依次进行冲洗,先排先冲洗,后排 后冲洗。
②按阀位开启度自动反冲洗:滤池滤水阀门的开启度间接反映了滤池需要反冲洗的要求程度,因为滤池按恒水位过滤,当滤水阀门的开启度越大, 说明滤料越脏,则滤池需要反冲洗的要求越大。我们可以根据实际运行情况,在PLC中设置一定的开启度(如70%),当滤水阀门达到该开启度时,则该组滤池 就提出反冲洗申请,然后进行自动反冲洗。
              

自动反冲洗在以下情况不允许启动:
 反冲洗水位过低时
 反冲洗泵、出水阀门以及滤池阀门出现故障
 排水泵房污水水位 过高出现报警
排水泵房所有排水泵均出现故障或都不在“自动”位置时
④强制反冲洗:根据现场需要,如果想对任何一组滤池随时进行反冲洗 时,只要在PLC的操作面板或控制室中对该组滤池输入反冲洗的命令,然后PLC将按照操作程序自动进行反冲洗。
(3)排水泵房:根据排水水位控制 排水泵的开停以及运行台数。根据设计和实际运行情况可以设定一个排水泵运行水位范围,在这个范围内分设几台污水泵的开启和停止水位值,PLC通过这些水位 值来自动控制排水泵的运行。
2.4加氯间分站
 硬件: CPU314IFM、CP342-5、SM331、SM322、SM321、SM334等。
检测范围:滤后水流量,滤后水余氯值、压力计,氯 瓶重量,泄氯报警及各设备状态等。
自动控制:
(1)加氯
       以滤后水流量为前馈量(比例环节)、滤后水余氯为反馈量组成闭环系统,根据工艺需要的余氯设定值,输出4-20mA电流控制加氯机进行投加,有效地保证后 加氯系统的稳定性和可靠性,较好地适应水量和水质的变化,达到xx的效果。

加氯间装有泄氯报警装置,当泄氯报警探头检测出加氯间的氯气含量超过允许的范围后,将发出声音报警,并将报警信号送 至PLC,由PLC自动启动中和装置,降低加氯间的氯气含量,确保人员安全和降低环境污染。
(3)氯气瓶的切换
加氯间有两组氯气瓶,一用 一备,相互切换,当氯瓶的重量过低时,系统会发出报警,提醒工作人员进行更换,此时该组氯瓶的气压将会降至很低,PLC自动将切换阀开到另外一组氯瓶进行 加氯。
2.5送水泵房分站
该分站负责水泵和阀门的监测和控制,出厂水质和变配电系统等设备的监测,并通过RTU与取水泵房分站进行通讯。
 硬 件:CPU413-1、CP443-5、CP441-2、SM422、SM421、SM431、OP37、UR1、PS407、OLM、RTU等。
 检 测范围:出厂水瞬时流量,累积流量,余氯,出厂水压力,清水池水位,PH值+温度,交流电压、交流电流、电量等。

自动控制:由“管网压力信号 (由压力传感器所测——控制器——变频器——水泵机组)”构成一个闭环系统。当管网压力低于压力设定值时,PLC将自动调增水泵速度或增加水泵台数,以增 加供水量和压力;当管网压力高于压力设定值时,PLC将自动降低水泵速度或减少水泵台数,以减少供水量和降低压力。

五、 应用体会
水厂自动控制系统的控制难点主要有几点:
1、加药自动控制中,由于流动电流仪(SCD)测量反馈值很不稳定,导致控 制输出不稳定。在实际运行中,只好以源水流量和源水浊度为参数进行开环控制,再根据季节不同设置不同的比例参数,实践证明效果不错。在加药间分站,CPU 与OP37数据交换量比较大,当室温较高时,会经常出现OP37死机,经过采取安装空调降温后,排除了死机故障。
2、送水控制中,测压点的选择要 求也很高,测压点的压力要能反映整个供水管网的整体压力情况,不能只代表局部管网的压力。我们通过总公司GIS系统,经过不断的摸索实践,确定了合适反映 整个供水管网的整体压力情况的压力信号,取得较好的效果。
3、总公司原来采用以RTU的无线调度,但由于RTU维护量较大和每年无线电台频点占用 费较高,影响了取水泵房分站与送水泵房分站的通讯。后通过联通公司CDMA无线业务,建立了GIS系统,很好地解决了这问题。

六、 结束语 
        西门子公司的S7-400系列PLC功能强大,结构紧凑,编程指令丰富,友好的用户界面,自水厂2000年12月投产试运行以来,自动控制系统运行稳定, 满足设计要求,与传统水厂人工控制相比,大大降低电耗、药耗、氯耗,出厂水质浊度一直控制在0.5NTU以下,得到中外专家的充分肯定和赞许。

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