摘 要:為提高污水處理廠的信息化程度,提高設備管理和運營管理,開發(fā)了一套基于IT信息系統(tǒng)集成控制技術(shù)的系統(tǒng),并運行在實際工程中。本文重點闡述了這套系統(tǒng)開發(fā)的背景、系統(tǒng)組成、主要功能等,并在提高自動化程度、柔性化程度,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,提高自控設備利用率,避免自動化“孤島”方面得到了驗證。
關(guān)鍵字: 信息系統(tǒng)集成 工廠信息化 Profibus現(xiàn)場總線技術(shù) Web瀏覽技術(shù) 設備管理 故障診斷 污水處理控制系統(tǒng) WebAccess MELSECNET
一、前言
隨著國際大環(huán)境的改變,國家對節(jié)能和環(huán)保越來越重視。最近幾年我國建設了大量的城市污水處理廠。但是以下幾個問題一直困擾著我們:
■廠區(qū)面積大,設備分散,有的污水廠還有污水提升泵站,可能相距上千米;
■設備種類繁多,數(shù)量大,維護不便;
■成套設備較多,污泥脫水系統(tǒng)、消毒系統(tǒng)和電力監(jiān)測系統(tǒng)通訊協(xié)議多種多樣,互操作性差;
■工藝參數(shù)不確定,系統(tǒng)調(diào)試和運營過程中需要經(jīng)常調(diào)整控制程序,給工藝人員和自控廠家都帶來的極大的麻煩。
因此,為了更好的解決以上問題我們開發(fā)了一套完全網(wǎng)絡化的、開放性的基于IT系統(tǒng)集成控制技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu),結(jié)合污水處理的工藝特點制作大量的工藝參數(shù)設定界面,配備專業(yè)的管理軟件,真正的實現(xiàn)了系統(tǒng)的集中監(jiān)視、分散控制、柔性調(diào)整和設備的自動管理。充分發(fā)揮了系統(tǒng)軟硬件的功能,大大提高了系統(tǒng)的自動化程度,可以實現(xiàn)近乎無人值守的運行條件。
二.系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
整個污水處理廠的控制系統(tǒng)由三套三菱Q系列PLC、一套西門子S7-300 PLC、兩套WebAccess6.0軟件、一套設備管理軟件、一套故障診斷軟件,一臺工程節(jié)點計算機、兩臺監(jiān)控節(jié)點計算機、一臺輔助計算機、一臺視頻服務器、手機短信系統(tǒng)、UPS電源、打印機等組成。
從結(jié)構(gòu)上,把這些設備和軟件劃分為三層網(wǎng)絡層面:監(jiān)控管理層、車間控制層、現(xiàn)場總線層。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
(一)監(jiān)控管理層
采用當前使用最普遍的以太網(wǎng)作為基礎(chǔ)。以太網(wǎng)以其數(shù)據(jù)信賴性、通訊速度快、維護方便和價格低廉的特點,在這個系統(tǒng)的上位監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡和融合管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡中得到了廣泛的應用,并取得了滿意的結(jié)果。
我們將原來劃分較為明顯的管理層和監(jiān)控層融合在一起,形成了融合的監(jiān)控管理層,強化了管理與監(jiān)控的聯(lián)系,共享數(shù)據(jù)信息,提高工廠的管理水平。
其中管理子層由輔助軟件計算機和數(shù)據(jù)服務器組成,采用現(xiàn)代的網(wǎng)絡技術(shù),通訊技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合,將系統(tǒng)中的各種信息資源有機整理,以人性化的方式將各種資源呈現(xiàn)給操作者和管理者。管理子層主要由兩個共享數(shù)據(jù)庫的設備管理軟件包和故障診斷軟件包組成。
1.上位監(jiān)控系統(tǒng)
采用網(wǎng)絡版組態(tài)軟件WebAccess6.0,完全基于B/S架構(gòu)的自動化軟件。
全部工程項目、數(shù)據(jù)庫設置、圖面制作和軟件管理都可以通過Internet或Intranet在異地使用標準的瀏覽器完成。
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圖1 污水處理廠控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)[/align]
采用支持分散式構(gòu)架的監(jiān)控節(jié)點,并把監(jiān)控節(jié)點組成冗余結(jié)構(gòu),中央數(shù)據(jù)庫服務器及多層式網(wǎng)絡安全結(jié)構(gòu)。
1)監(jiān)控節(jié)點
監(jiān)控節(jié)點連接自動化硬件設備,并可以通過網(wǎng)絡向客戶端、其他監(jiān)控節(jié)點及工程節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。
2)工程節(jié)點
工程節(jié)點是一個配置數(shù)據(jù)的中央數(shù)據(jù)庫服務器,客戶端可以通過工程節(jié)點動態(tài)瀏覽監(jiān)控節(jié)點的運行狀況。
3)客戶端
客戶端可以運行在安裝了Windows XP或Windows2000的工業(yè)計算機和普通計算機上,客戶端通過IE瀏覽器,顯示實時數(shù)據(jù)的動態(tài)圖面,完成各種遠程控制。
4)冗余系統(tǒng)
本上位監(jiān)控系統(tǒng)由一臺監(jiān)控節(jié)點、一臺冗余監(jiān)控節(jié)點和一臺工程節(jié)點構(gòu)成冗余監(jiān)控系統(tǒng),兩臺監(jiān)控節(jié)點互為冗余,系統(tǒng)正常運行時主監(jiān)控節(jié)點完成數(shù)據(jù)通訊和數(shù)據(jù)傳輸,兩臺監(jiān)控節(jié)點實時保持數(shù)據(jù)同步,客戶端可以通過網(wǎng)絡,實時監(jiān)控系統(tǒng)運行情況。部分畫面如圖2、3。
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圖2 前處理圖 圖3參數(shù)設定[/align]
當主監(jiān)控節(jié)點出現(xiàn)故障時,系統(tǒng)馬上切換到冗余監(jiān)控節(jié)點,由于兩個監(jiān)控節(jié)點實時保持數(shù)據(jù)同步,因此可以實現(xiàn)無擾切換,保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
當工程節(jié)點故障時,監(jiān)控節(jié)點會在本機上生成保存數(shù)據(jù)的臨時文件,當工程節(jié)點恢復正常后,監(jiān)控節(jié)點在不影響正常數(shù)據(jù)上傳的前提下逐漸將臨時文件中的數(shù)據(jù)上傳到工程節(jié)點上,保證數(shù)據(jù)的實時性和完整性。
2.設備管理軟件
設備管理軟件主要解決污水處理廠設備種類多,信息量大而復雜,涉及崗位、人員眾多,處理流程煩瑣等問題。
該軟件將設備管理中涉及到的人、物、廠商、保養(yǎng)、維修、運行狀態(tài)等聯(lián)系在一起,將監(jiān)控、維修、保養(yǎng)、備品備件、廠商等各種管理要素有機結(jié)合在一起,協(xié)同工作并將管理過程納入一套標準的流程控制中,實現(xiàn)設備資源全生命周期管理,最大化利用設備資源,幫助客戶提高設備的可用性和資產(chǎn)管理質(zhì)量。部分軟件畫面如圖4、5。
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圖4系統(tǒng)監(jiān)視畫面 圖5參數(shù)設定畫面[/align]
設備管理軟件的主要功能有:
1)網(wǎng)絡功能
系統(tǒng)為B/S建構(gòu)可與監(jiān)控系統(tǒng)無縫結(jié)合,實現(xiàn)網(wǎng)絡化。
2)設備廠商管理
設置詳細廠商信息,將廠商的功能范圍具體化,使設備在維護、采購、評定等方面的管理更加便捷。
3)設備類型參數(shù)管理
設備類型參數(shù)設定是本系統(tǒng)比較有特點的設計。用戶可以自由的設定設備的類型參數(shù),使每個設備的特有參數(shù)都得到體現(xiàn)。
4)設備組管理
本系統(tǒng)可以適用于各類型工廠和樓宇等各種場所,用戶可以自由的添加設備組來實現(xiàn)設備的分類管理。
5)設備狀態(tài)管理
系統(tǒng)能夠智能地采集設備的相關(guān)數(shù)據(jù),來計算設備的剩余壽命以及維護保養(yǎng)的周期等。采集數(shù)據(jù)分為在線和非在線兩種模式。分別對應實際采集現(xiàn)場的設備數(shù)據(jù)和手動輸入的數(shù)據(jù)。
6)設備維護
①設備保養(yǎng):設備保養(yǎng)可分為定時保養(yǎng)(按設備運行時間進行保養(yǎng))和定期保養(yǎng)(按照固定的時間間隔進行保養(yǎng))。主要包括:保養(yǎng)信息登陸,保養(yǎng)履歷查看,設備類型保養(yǎng)項目添加,保養(yǎng)消耗備品備件設定,保養(yǎng)提示,保養(yǎng)報表生成等功能。
②維修更新:主要包括設備維修信息登陸,維修履歷查看,設備類型故障現(xiàn)象、原因、對策添加,維修更新消耗備品備件設定,設備維修狀態(tài)監(jiān)視等功能。
③庫存管理:主要完成預備品消耗品的添加,出入庫登記,件消耗履歷,采購提示等功能。
④履歷:對在線狀態(tài)的設備運行狀況進行圖表表示。以折線圖的形式表示設備的開關(guān)運行狀態(tài)。
⑤工作計劃提示:系統(tǒng)能夠完成節(jié)假日設定,在進行設備維護設定時進行提示,避免在節(jié)假日進行維護,并可以根據(jù)維護設定,生成每個用戶的工作日程,方便領(lǐng)導和維護人員自己進行工作安排。
⑥系統(tǒng)監(jiān)視:系統(tǒng)監(jiān)視是本系統(tǒng)的主頁面,對整個系統(tǒng)的設備狀態(tài)進行集計統(tǒng)計。狀態(tài)分為運行、維修更新、定期保養(yǎng)。頁面一分鐘更新一次,進行實時的監(jiān)控。
⑦自定義報表功能:系統(tǒng)支持自定義報表工具制作的各種報表。
3.故障診斷系統(tǒng)
故障診斷系統(tǒng)對現(xiàn)場控制系統(tǒng)軟硬件的運行狀態(tài)進行監(jiān)視和故障診斷,對故障的發(fā)生狀況、恢復狀況進行監(jiān)控和管理,對該故障發(fā)生的可能的原因,以列表的形式提供給用戶進行選擇確認。
同時,可以根據(jù)現(xiàn)場狀態(tài)判斷故障發(fā)生的原因、概率和優(yōu)先度,并能顯示解決方案和設備的場所以及設備的技術(shù)資料等。以及對發(fā)生故障時的狀態(tài)數(shù)據(jù)可以進行記錄和圖表顯示。其功能框圖如圖6所示。
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圖6系統(tǒng)故障診斷功能框圖[/align]
故障診斷系統(tǒng)的主要功能有:
①網(wǎng)絡功能:系統(tǒng)為B/S建構(gòu)可與監(jiān)控系統(tǒng)無縫結(jié)合,實現(xiàn)網(wǎng)絡化。
②數(shù)據(jù)采集:數(shù)據(jù)采集功能是故障診斷系統(tǒng)和現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)交換的橋梁,它把現(xiàn)場設備狀態(tài)數(shù)據(jù)取出,傳送給故障診斷邏輯處理部分,故障診斷的指令通過它發(fā)給現(xiàn)場設備。
③故障診斷邏輯處理:故障是否發(fā)生是通過故障診斷邏輯處理部分實現(xiàn),現(xiàn)場傳送來的數(shù)據(jù),通過故障診斷邏輯處理判斷是否發(fā)生故障,如果發(fā)生故障,會把故障信息保存到數(shù)據(jù)庫里,故障診斷客戶端對發(fā)生的故障進行診斷處理。
④歷史故障管理:歷史故障是對經(jīng)過診斷后的故障進行管理,包括故障的查詢、打印、以及故障診斷的詳細信息。
⑤實時故障管理:實時故障是對發(fā)生故障進行診斷處理。故障發(fā)生時警報燈會閃爍提示用戶。診斷時系統(tǒng)根據(jù)從設備傳上來的信號信息,列出故障原因和條件以及各自的概率,用戶根據(jù)故障原因和條件找出相應的對策。
(二)車間控制層
目前國內(nèi)污水處理廠控制層的硬件設備以三菱、西門子、AB等國外著名廠商的產(chǎn)品為主,其硬件配置已達到了國際先進水平,其本體的功能性、穩(wěn)定性和可靠性已無需再多加考慮。而其網(wǎng)絡構(gòu)成的合理性、可靠性是我們主要考慮的問題。
本系統(tǒng)采用三菱公司的MELSECNET-H環(huán)形光纖網(wǎng)絡構(gòu)成控制網(wǎng)絡的骨干,該網(wǎng)絡通訊速度快,抗干擾能力強,擁有強大的自診斷功能。由于采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),當系統(tǒng)中任意一處光纖斷開時,仍能維持系統(tǒng)的正常通訊,提高通訊系統(tǒng)的可靠性。同時MELSECNET-H環(huán)形光纖網(wǎng)絡具有很強的擴展能力,可以充分滿足本水廠以后的擴建和升級。
(三)現(xiàn)場設備層
采用西門子公司的PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線,它具有通訊速度快,傳輸距離長,擴展方便等特點。
通過PROFIBUS-DP總線的使用我們實現(xiàn)了對紫外消毒系統(tǒng)(S7-300),變頻器(西門子430\440)等智能設備的最大化數(shù)據(jù)交換,能夠及時了解運行情況、故障情況和各種參數(shù),充分的發(fā)揮了每個智能設備的功能,大大提高了自動化管理水平。
三、系統(tǒng)的性能特點
本系統(tǒng)結(jié)合水廠的生產(chǎn)工藝,充分發(fā)揮系統(tǒng)軟硬件的功能,構(gòu)筑了一套具有高穩(wěn)定性、高靈活性、高擴展性和高開放性的系統(tǒng)。
基于上述的結(jié)構(gòu),這個系統(tǒng)呈現(xiàn)出獨特的性能和特點。
1.管理控制功能
1)分級控制
每個現(xiàn)場設備都可按優(yōu)先級分為就地控制、遠程手動和遠程自動三種模式。
2)用戶管理功能
用戶類型可分為系統(tǒng)管理員、工程管理員、在線管理員、在線操作員和離線管理員。并可以通過區(qū)域和等級限制修改數(shù)據(jù)的能力,用戶和點都必須分配有區(qū)域和等級,且用戶和點有相同的區(qū)域,用戶的等級大于等于點的等級時用戶才能對這個點的值進行修改。
3)遠程訪問功能
由于上位監(jiān)控軟件和輔助管理軟件都是基于B/S架構(gòu),因此本系統(tǒng)的上位監(jiān)控系統(tǒng)和輔助管理系統(tǒng)都支持遠程訪問功能,并且畫面流暢,數(shù)據(jù)穩(wěn)定,能夠得到和監(jiān)控中心同樣的效果。
目前在該污水廠的變電所及廠外都已實現(xiàn)了遠程訪問,該水廠的控制和管理都以遠程為主。
4)設備管理功能
系統(tǒng)具有定期保養(yǎng)、定時保養(yǎng)、維修更新、備品備件管理,區(qū)域設定、用戶管理、屬性柔性設定、設備屬性拷貝、履歷查詢等功能,保證備品備件的庫存數(shù)量,提高設備維護維修的及時性和準確性,提高系統(tǒng)設備的可用性,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
2.故障處理功能
1)故障診斷功能
可根據(jù)故障發(fā)生時各個相關(guān)變量的數(shù)值,給出各種原因的概率,幫助維護人員進行判斷。并可提供各種原因的處理方法,提高故障的處理速度。積累故障處理的經(jīng)驗。
2)網(wǎng)絡診斷功能
實時診斷控制系統(tǒng)中設備的工作狀態(tài),除系統(tǒng)內(nèi)的MELSECNET網(wǎng)絡的兩個從站、一個主站的設備之外。連接在Profibus-DP網(wǎng)絡上的6臺變頻器、紫外消毒系統(tǒng),工作是否正常也完全可以診斷出來。
3)故障短信功能
當設備出現(xiàn)故障時,馬上將故障信息發(fā)送給相關(guān)人員,能夠提高反應速度,縮短問題處理時間。并且不必需要監(jiān)控人員24小時守在監(jiān)控電腦旁,降低勞動強度,減少人員編制。
3.數(shù)據(jù)處理功能
1)柔性設定功能
上位監(jiān)控系統(tǒng)預留多個系統(tǒng)參數(shù)設定畫面,提高控制系統(tǒng)的靈活性和適應性。
①格柵運行模式設定:液位、時間、混合模式設定
②提升泵組合模式設定、液位設定
③曝氣沉砂系統(tǒng)各種時間設定
④螺旋壓榨系統(tǒng)時間設定。
⑤反應區(qū)10種工序、20步進程任意組合,時間任意設定,使工藝操作人員可以在不修改程序的情況下任意調(diào)整反應流程,反應時間,實現(xiàn)整個污水處理流程任意調(diào)整和最優(yōu)化調(diào)整。
⑥設備屬性自定義:用戶可以根據(jù)各種設備的不同,調(diào)整設備參數(shù)的數(shù)量和屬性,完整具體的體現(xiàn)每個設備的特有屬性。
⑦報表自定義功能:用戶可以根據(jù)自己的需要,將本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和已知數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的其他系統(tǒng)數(shù)據(jù),通過簡單設定,做成報表。
⑧日歷自定義功能:用戶可以自定義節(jié)假日,在進行設備維護安排時避免發(fā)生沖突。
2)數(shù)據(jù)記錄功能
系統(tǒng)具有報警記錄,操作記錄,運行數(shù)據(jù)記錄,歷史趨勢記錄,設備維護記錄,設備維修記錄,備品備件的入出庫記錄等。
用戶可以根據(jù)自己需要,通過自定義報表工具,簡單靈活的實現(xiàn)上述各種數(shù)據(jù)的報表。
四.結(jié)束語
本系統(tǒng)于去年調(diào)試完畢,經(jīng)過一年的現(xiàn)場運行,目前系統(tǒng)穩(wěn)定,設備運行狀況良好。大大提高了生產(chǎn)效率,降低了維護運行人員的數(shù)量,保證了設備的良好運行,降低了緊急情況的處理時間,提高了整個污水廠的自動化水平和管理水平,實現(xiàn)了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。
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The application in sewage treatment plant based in IT information integrated control technology
Abstract: This paper introduces the background, the system construction, the key function of which based on IT information control system; in order to increase the Informative process, strengthen the management to equipment and operation. This system has worked in a real sewage treatment plant to show its soft function, system stability, efficiency.
Key Word:Information Integrated control technology, Plant information, Profibus technology, Web technology, Fault diagnosis, Equipment management, sewage treatment control system,WebAccess,MELSECNET
作者介紹:
王海宇 男 1981年生 助理工程師 學士學位 項目經(jīng)理 大連久鵬電子系統(tǒng)工程有限公司系統(tǒng)集成部 大連市西崗區(qū)合誼街5號良玖國際1603室E-mail: wanghaiyu@elesyseng.com 電話/傳真:0411-83726599
高連鵬 男 1969年生 工程師 碩士學位 總經(jīng)理 大連久鵬電子系統(tǒng)工程有限公司 地址:大連市西崗區(qū)合誼街5號良玖國際1603室 E-mail: r-kou@elesyseng.com 電話/傳真:0411-83721599
董春利 男 1962年生 教授 碩士學位 專業(yè)主任 大連職業(yè)技術(shù)學院電氣與電子工程技術(shù)系 大連市南關(guān)嶺東街6號 E-mail:dongcl@yeah.net 電話/傳真:0411-81881211
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研華自動化成立于1983年,是研華科技第一個業(yè)務單位。致力于借助當今可靠的基于PC的自動化技術(shù)將產(chǎn)品的連通性、靈活性和堅固性結(jié)合起來。產(chǎn)品線包括:開放式人機界面、工業(yè)控制器和自動化軟件、嵌入式無風扇工業(yè)電腦、工業(yè)I/O卡,分布式I/O模塊、插入式I/O 和工業(yè)通訊解決方案。憑借20多年針對不同產(chǎn)業(yè)市場提供全方位的產(chǎn)品解決方案,研華自動化已經(jīng)成為一個全球領(lǐng)先的自動化產(chǎn)品和服務供應商。
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