以西門子過程控製與現場總線技術為依托,仙女河汙水處理廠的自動化控製係統突破了傳統DCS的局限性,將智能儀表、計算機網絡和開放係統互連(OSI)等技術有機的融為了一體,形成了真正開放的、可擴展的、易升級的、高可靠的、低成本的過程控製係統,保證了仙女河汙水處理廠的可持續發展,從而,使得曾經的“臭水溝”一去不複返,“仙女”常留人間。
前 言
隨著中國城市化、工業化的加速,水資源的需求缺口也日益增大。目前,國內人均水資源占有量約為世界平均水平的30%,有110個城市嚴重缺水,超過3億人缺乏幹淨的飲用水,半數以上的主要水道受到汙染,海洋環境總體受汙染情況亦不容樂觀——中國已逐漸進入嚴重缺水期。近年來,水汙染的控製和防治已然成為了中國乃至世界亟待解決的熱點問題之一。
作為中國著名重工業城市——沈陽,曾經一度因為汙染問題,而被列入“世界十大汙染城市”的黑名單。而沈陽的細河,就是對半個世紀汙染的最好見證。細河作為沈陽“母親河”渾河的重要支流之一,曾有個非常美麗的名字叫“仙女河”,但因長期接納沈陽半數以上的汙水而一度成為著名的臭水溝。細河每天要接納全市60%至70%汙染物,各類汙染物總量約550噸,其中,劇毒、致癌物和主要汙染指標COD、NH3-N等均遠超過國家標準,超標最高的重金屬鎘的平均濃度為28.2mg/kg,超過國家標準140倍。
也正是這樣一個汙染重鎮,2001年大膽的提出了創建“國家環境模範城市”的宏偉目標。為了實現“創模”的目標,仙女河汙水處理廠(圖1)應運而生。2003年11月30日仙女河汙水處理廠一期工程建成並通水運行,日處理能力達20萬噸;2005年12月1日二期工程建成並通水運行,擴建後,日處理能力達40萬噸;2010年1月14日過程控製係統升級改造工程順利通過國家環保部的節能減排技改工作檢查。
仙女河汙水處理廠能如此快速的實現係統的多次升級改造、順(shun)應(ying)時(shi)代(dai)的(de)快(kuai)速(su)發(fa)展(zhan),完(wan)全(quan)得(de)益(yi)於(yu)西(xi)門(men)子(zi)過(guo)程(cheng)控(kong)製(zhi)與(yu)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)技(ji)術(shu)的(de)應(ying)用(yong)。該(gai)項(xiang)技(ji)術(shu)的(de)應(ying)用(yong)使(shi)得(de)汙(wu)水(shui)處(chu)理(li)廠(chang)的(de)自(zi)動(dong)化(hua)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)突(tu)破(po)了(le)傳(chuan)統(tong)DCS的局限性,將智能儀表、計算機網絡和開放係統互連(OSI)等技術有機的融為了一體,形成了真正開放的、可擴展的、易升級的、高可靠的、低成本的過程控製係統,保證了仙女河汙水處理廠的可持續發展,使曾經的“臭水溝”一去不複返,“仙女”常留人間。
十年不變的選擇
仙女河汙水處理係統采用高效預處理工藝及兩段曝氣生物濾池(Biological aerated filter:BAF)工藝,設計結構緊湊、占地麵積小、生物處理後不設二沉池、不采用汙泥回流、耐高負荷汙水衝擊、高速過濾。所使用各類汙水處理設備達498台套,主要設施有生物濾池80座(圖2),反應沉澱池12座,格柵間5個,汙水提升泵房2個,汙泥緩衝池2個,高壓變電站5個。另外,廠區還配有汙泥處理係統和中水處理係統,其中汙泥處理係統采用離心脫水技術;中水處理係統采用石英砂過濾及加氯消毒。
汙水處理係統的處理效率和出水水質對控製係統都具有很大的依賴性,尤其是對於像仙女河汙水處理廠這種規模大、工藝新、人員少的大型汙水處理係統,對過程控製更是提出諸多較高的要求,這主要體現在以下幾個方麵:
- 控製精度和穩定性。BAF作為一種先進複雜的汙水處理工藝,它的實施和運行都對控製係統的精度和穩定性提出了頗高的要求,要想使BAF工藝達到最好的處理效果,就必須有一流的控製係統與之配套。
- kangganraonenglihekekaoxing。wushuichulixitonggongzuoyushiwai,huanjingelie,qiexuyaoquantianhoubujianduangongzuo,yinci,duikongzhishebeihexitongdekangganraonenglihekekaoxingyouzhejiaoqiangdeyaoqiu。
- 無wu人ren值zhi守shou。汙wu水shui處chu理li過guo程cheng中zhong,會hui產chan生sheng大da量liang硫liu化hua氫qing氣qi體ti。若ruo人ren體ti不bu慎shen吸xi入ru硫liu化hua氫qing氣qi體ti,便bian會hui發fa生sheng急ji性xing硫liu化hua氫qing中zhong毒du事shi故gu,甚shen至zhi引yin起qi死si亡wang。麵mian對dui不bu能neng回hui避bi的de風feng險xian,除chu了le增zeng加jia相xiang應ying的de防fang護hu措cuo施shi之zhi外wai,更geng重zhong要yao的de是shi盡jin可ke能neng的de實shi現xian係xi統tong的de無wu人ren值zhi守shou運yun行xing。
- 擴展和升級性。水資源的日益短缺、水汙染問題的日益凸顯,使得人們對汙水處理的需要越來越廣泛、要求也越來越高,係統可以通過擴展和升級控製係統,從而快速、低成本的實現工藝的優化、係統性能的提高。因而,汙水處理控製係統的可擴展性和易升級性,就成為了汙水處理係統可持續發展的前提。
針對仙女河汙水處理廠的具體情況,其全廠控製係統全部選擇的是西門子過程控製技術,電磁流量計、壓力變送器、溫度變送器和超聲波液位計等均采用的是西門子PI過程儀表;一期和二期的自控及儀表工程均是與上海西門子工業自動化有限公司(SIAS)簽訂的交鑰匙總包合同,一期工程自控係統采用SIMATIC PLC及WinCC;二期工程采用SIMATIC PCS 7 DCS控製係統。
談到對西門子過程控製技術的執著,仙女河汙水處理廠中控室孫科長說道:“不僅僅是為了保證係統的連續性和兼容性,更重要的是我們已經從實踐中驗證了西門子係統的可靠性和穩定性。” 而且,由於西門子PCS 7 DCS控製係統的成功應用,在現場設備運轉正常的情況下,仙女河汙水處理廠二期就可實現無人值守的運行模式。
一、二期工程實施方案
全廠過程控製係統(圖3)由工程師站、操作員站、I/O卡、各類機櫃和OPC服務器等設備組成,全廠I/O總點數10000多點,一期6000多點,二期5000多點。全廠過程控製係統利用Siemens Simatic DAT@Monitor技術實現了將生產控製信息向管理層網絡的發布。同時,利用OPC及SDH通訊技術將關鍵的汙水水質指標如進出水的流量、pH、COD、SS等指標及全廠的生產過程數據傳輸到集團的數據監控中心進行遠程監控。
其中,一期工程自控係統采用S7-300和S7-400 PLC及WinCC 5.0,整體結構采用WinCC C/S結構,在汙水提升泵房及生物濾池配置了三個現場控製子站,三個現場控製子站采用西門子10/100Mbit/s工業以太網聯接。
二期工程采用SIMATIC PCS 7控製係統。該係統分布於中央控製室(圖4)和兩個現場控製子站, 通過開放式的工業實時網絡——100M 光纖冗餘工業以太網, 將中央控製室內的工程師站、操作員站、數據服務器和現場控製站連接起來,使係統數據可在骨幹網上高速傳輸, 實現數據共享。現場控製站的 SIMATIC S7-400 PLC通過 Profibus-DP 現場總線與分散型 ET200M I/O站及現場閥門、水泵等設備相連接, 實現了現場控製站、中央處理站和分散的現場設備 (I/O、儀表、閥門等)的循環數據通信, 實時采樣現場數據, 並對生產過程進行控製。
升級改造的“沈陽速度”
2009年年末和2010年年初,為了深化節能減排,提升係統過程控製能力,沈陽振興環保產業集團對其旗下的五個汙水處理廠(包括新城子(圖5)和東陵白塔兩個新建汙水處理廠,以及仙女河汙水處理廠在內的三個老汙水處理廠)進行了全麵的過程控製係統的升級改造工程。
此(ci)次(ci)升(sheng)級(ji)改(gai)造(zao)中(zhong),包(bao)括(kuo)仙(xian)女(nv)河(he)汙(wu)水(shui)處(chu)理(li)廠(chang)在(zai)內(nei)的(de)多(duo)數(shu)改(gai)造(zao)工(gong)程(cheng)都(dou)再(zai)一(yi)次(ci)選(xuan)擇(ze)了(le)西(xi)門(men)子(zi)過(guo)程(cheng)控(kong)製(zhi)和(he)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)技(ji)術(shu)。在(zai)不(bu)改(gai)變(bian)工(gong)藝(yi)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang),增(zeng)加(jia)了(le)諸(zhu)如(ru)監(jian)測(ce)曝(pu)氣(qi)量(liang)的(de)溶(rong)解(jie)氧(yang)測(ce)量(liang)儀(yi)、懸浮物濁度儀,汙泥濃度計、fengliangyidengguochengkongzhiyibiao,bingyijuxianchangjiancedebianhuaduiyuanyouximenziguochengkongzhixitongjinxingletongbudeshengji。cicishengjidezhongdianshiduiguochengkongzhixitongzhongzaixianjianceheyuanchengkongzhinenglidedafutisheng,congershixianduigongyicanshugengjingzhundezhangkong,yibianjinyibutigaoxitongdekongzhijingduhekongzhixingneng。
該工程是由西門子最佳授權分銷商和高級係統集成商——沈陽藍英工業自動化裝備有限公司承接的總包合同。此次振興環保產業集團的五廠自控係統升級改造工程,從策劃到完工僅用了20天的時間,其中,現場改造僅用了8天的時間。而且,此次升級改造已於2010年1月14日(ri)順(shun)利(li)通(tong)過(guo)國(guo)家(jia)環(huan)保(bao)部(bu)的(de)節(jie)能(neng)減(jian)排(pai)技(ji)改(gai)工(gong)作(zuo)檢(jian)查(zha),不(bu)論(lun)是(shi)各(ge)項(xiang)技(ji)改(gai)指(zhi)標(biao)的(de)實(shi)現(xian),還(hai)是(shi)升(sheng)級(ji)改(gai)造(zao)的(de)高(gao)效(xiao)性(xing)無(wu)疑(yi)都(dou)得(de)到(dao)了(le)各(ge)方(fang)麵(mian)高(gao)度(du)的(de)評(ping)價(jia)。
談及此次“沈陽速度”的締造,集團生產管理部鄭部長不無感慨的說:“西門子模塊化的設計、係統的開放性和普及性,都是此次短時間內實現升級改造的關鍵。”
作為沈陽“創模”zhongdezhongyaoyihuan,xiannvhewushuichulichangbujingaishanlexihedeshengtaihuanjing,tongshi,qichenggongdeyunyingyeweizhongduoxinjianwushuichulichangdefazhanhejianshejileilefengfudejingyan,youqishiqiguochengkongzhixitonggengshichengweilezhongduoxinjiangongchengcankao、效仿的對象。
突破傳統的技術優勢
從2003年建廠到如今,采用西門子過程控製技術的仙女河汙水處理廠的全廠過程控製係統已經平穩運行了將近6niandeshijian,qijianbujinlijingledaguimokuorongdekaoyan,hailijinglekuaisushengjigaizaodekaoyan。yiciciyingjietiaozhan,yicicizhanshengkaoyan,budanzhengmingleqiyexuanze,gengjiayanzhengleximenziguochengkongzhijishudeyoushi:
- 標準化。仙女河汙水處理廠的過程控製係統完全基於SIMATIC家族中可靠的標準元件、標準控製器以及普遍通用的過程控製係統SIMATIC PCS 7,係統可輕鬆實現規模升級,為企業打開了一扇不斷優化附加值鏈的大門。
- 模塊化。由於西門子過程控製係統的模塊化與便攜式設計,不僅可以使係統靈活地進行擴展,來適應不斷更新的測量和控製任務;而且,還可以大幅度降低係統維護和升級的成本。
- 高可靠。西門子過程控製技術對數值與參數的自動化處理和集成紀錄功能為係統的可靠性奠定了基礎。而所有模塊完善的自診斷功能、傳感器斷線監測功能、在線插拔功能,進一步保證了係統安全、長時間的可靠運行,提高了係統的可用性和可維護性。
- 普及性。西門子SIMATIC係列產品,在過程控製領域應用範圍廣泛、容易操作、相當普及,已被廣大工程設計人員所熟知和接受,大量減少了工程設計和施工的時間,大大降低了使用、管理和維護的難度,並為係統快速升級、改造提供了前提保障。
- 預測性維護。廠區中絕大多數的過程儀表都選用了西門子PI過程儀表設備,如SITRANS P 係列壓力變送器、MultiRanger多功能液位計、InterRangerDPS300超聲波汙泥界麵計等等。西門子PI過程儀表充分體現了預測性維護的設計理念,不僅重視儀表的精度,同時,更加重視儀表的智能化、可維護性,從而,最大化的保證了係統參數采集和監控的精度和可靠性。
- 現場總線技術。係統現場級控製采用的是PROFIBUS現場總線技術。現場總線技術的成功引入,大大簡化了係統結構,降低了成本;加強了現場設備的自治能力,全麵提高了係統性能;增強了信號傳輸的可靠性和精度;突破了傳統DCS控製係統的限製,實現了真正全分散、全數字化的控製網絡。
親水細河的仙女回歸
作為沈陽創建“國家環境模範城市”以(yi)及(ji)沈(shen)西(xi)大(da)開(kai)發(fa)的(de)重(zhong)大(da)戰(zhan)略(lve)型(xing)項(xiang)目(mu),仙(xian)女(nv)河(he)汙(wu)水(shui)處(chu)理(li)廠(chang)主(zhu)要(yao)技(ji)術(shu)經(jing)濟(ji)指(zhi)標(biao)均(jun)達(da)到(dao)國(guo)內(nei)先(xian)進(jin)水(shui)平(ping),整(zheng)體(ti)技(ji)術(shu)裝(zhuang)備(bei)和(he)技(ji)術(shu)水(shui)平(ping)均(jun)處(chu)於(yu)國(guo)內(nei)領(ling)先(xian)地(di)位(wei),其(qi)建(jian)設(she)和(he)運(yun)行(xing),使(shi)沈(shen)陽(yang)城(cheng)市(shi)西(xi)部(bu)的(de)工(gong)業(ye)和(he)生(sheng)活(huo)汙(wu)水(shui)全(quan)部(bu)得(de)到(dao)處(chu)理(li),為(wei)細(xi)河(he)50餘年的納汙曆史畫上了句號。
在西門子過程控製和現場總線技術的大力協助下,仙女河汙水處理廠日處理汙水可達40萬噸,處理後的水質全部達到國家二級排放標準,大大改善了細河的生態環境,使得細河的主要汙染指標從2000年的劣Ⅴ類達到了Ⅳ類水質標準,豐水期的水質更可達到了Ⅲ類水質標準。環保、生態的細河終於露出了它“仙女”debenlaimianmao。tagaibiandebujinjinshishengtaihuanjing,gengzhongyaodeshigaibianleshenyangtiexidiqudejingjifazhanmoshi,weitiexidiqudechangzufazhantigongleyoulidebaozhang。zhengshiyouyuximenziguochengkongzhixitongdeyanmijiankong,wangrirenmenxinmuzhongwushuihengliu、環境難看、氣味難聞的汙水處理廠不複存在,在人們眼前的是花園式的汙水處理廠,沒有難聞氣味、沒有惡劣環境,昔日荒蕪的廠區周邊已變得日趨繁華,小區,商戶比比皆是(圖6)。
可持續發展的技術保障
mianduibuduanxilaidebiangezhichao,gubuzifengbiranhuibeishidaisuobingqi,zenyangcainengjinwoshidaifazhandemaibo,zenyangcainengshikezouzaishidaifazhandezuiqianduan,zechengweilemeiyigeqiye,naizhimeiyigexingyexuanzedezuizhongbiaozhun。
先進的自動化係統不僅能夠顯著提高汙水處理的節能效果、控kong製zhi係xi統tong的de整zheng體ti運yun營ying成cheng本ben,同tong時shi,更geng可ke以yi保bao證zheng企qi業ye長chang期qi可ke持chi續xu的de發fa展zhan。仙xian女nv河he汙wu水shui處chu理li廠chang,始shi建jian於yu時shi代dai的de變bian革ge初chu期qi,擴kuo容rong於yu經jing濟ji發fa展zhan之zhi時shi,改gai造zao於yu全quan球qiu性xing金jin融rong危wei機ji之zhi中zhong,在zai西xi門men子zi過guo程cheng控kong製zhi係xi統tong的de幫bang助zhu下xia,仙xian女nv河he汙wu水shui處chu理li廠chang隨sui時shi都dou能neng因yin時shi因yin地di的de跟gen隨sui時shi代dai發fa展zhan而er不bu斷duan升sheng級ji,時shi刻ke緊jin握wo著zhe時shi代dai發fa展zhan脈mai搏bo的de最zui強qiang音yin,這zhe恰qia恰qia再zai一yi次ci有you力li的de證zheng明ming了le,標biao準zhun化hua、開放性的控製係統對企業可持續發展至關重要的作用。
wushuichulichangyunyingguanligongzuo,chubaozhangzhengchangchushuidabiaopaifangwai,anquanyunxingzhiguanzhongyao,shiqiyekechixufazhandegenbenbaozhang。ximenziguochengkongzhijishuzaixiannvhewushuichulichangdechenggongyingyong,bujinchongfenzhanshileqixitongwending、易操作、易(yi)升(sheng)級(ji)的(de)卓(zhuo)越(yue)性(xing)能(neng),更(geng)展(zhan)示(shi)其(qi)在(zai)危(wei)險(xian)環(huan)境(jing)中(zhong),無(wu)人(ren)值(zhi)守(shou)功(gong)能(neng)實(shi)現(xian)的(de)能(neng)力(li)。這(zhe)不(bu)僅(jin)為(wei)汙(wu)水(shui)處(chu)理(li)係(xi)統(tong)的(de)安(an)全(quan)操(cao)作(zuo)提(ti)供(gong)了(le)保(bao)證(zheng),也(ye)為(wei)更(geng)多(duo)危(wei)險(xian)工(gong)作(zuo)環(huan)境(jing)的(de)控(kong)製(zhi)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)種(zhong)可(ke)靠(kao)、可信賴的選擇。
6年的選擇、6年的信賴,不僅有賴於高質量的產品,同時,也有賴於西門子豐富的工程經驗,以及完善、qiangdadejishuzhichi。qixiangmudechenggongshishiheyunxing,bujinzhengshileximenzizuoweishijielingxiandeshuichulizidonghuajigongyijiejuefangangongyingshanghekexinrendegongchengchengbaoshangdeshili,tongshi,yeweiximenzidakailezhongguowushuichulixingyefazhandeqiji,dakaileximenzizaizhongguoguochengkongzhilingyugengguangkuodefazhankongjian。tazhechenggongdezuji,ximenziguochengkongzhijishubuduanchuangzaozhexindehuihuang。2008年西門子就獲得了當時世界最大的汙水處理工程之一——北京北小河汙水回收處理工程的控製係統訂單。
當dang前qian,國guo際ji金jin融rong危wei機ji的de影ying響xiang尚shang未wei消xiao除chu,世shi界jie經jing濟ji複fu蘇su的de基ji礎chu尚shang不bu穩wen固gu,全quan球qiu性xing資zi源yuan環huan境jing和he氣qi候hou變bian化hua等deng問wen題ti日ri益yi突tu出chu,可ke持chi續xu的de發fa展zhan正zheng麵mian臨lin前qian所suo未wei有you的de挑tiao戰zhan。仙xian女nv河he汙wu水shui處chu理li廠chang的de過guo程cheng控kong製zhi係xi統tong隨sui著zhe時shi代dai變bian化hua的de步bu伐fa,不bu斷duan對dui自zi身shen進jin行xing有you效xiao調tiao整zheng,以yi其qi自zi身shen6年的發展曆程,生動的詮釋了可持續發展的真諦。
曝氣生物濾池

雪中仙女河(廠區雪景)


中央控製室全廠監控模擬屏

新城子汙水處理廠廠區、工藝流程圖及控製櫃



