西門子全集成自動化解決方案在廣業(yè)環(huán)保集團(tuán)污水處理廠的應(yīng)用設(shè)計(jì)
［摘要］： 以廣東省清遠(yuǎn)市清新縣太平污水處理廠為例，介紹了西門子全集成自動化解決方案在廣業(yè)環(huán)保集團(tuán)實(shí)施的一批廣東省東西北部污水處理廠的應(yīng)用。作為西門子系統(tǒng)集成商，廣州東芝白云自動化系統(tǒng)有限公司通過系統(tǒng)配置標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化，在短時(shí)間內(nèi)完成了這批50多個(gè)項(xiàng)目的同時(shí)施工調(diào)試，充分體現(xiàn)了西門子控制系統(tǒng)的優(yōu)越性并在最大程度上滿足了用戶的需求。
［關(guān)鍵詞］：污水處理 TIA BOT 系統(tǒng)化
前言
水是關(guān)系到人類生存和社會發(fā)展的基本物質(zhì)條件，是一種有限的、不可替代的寶貴資源，也是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重要保證。近年來，伴隨著我國經(jīng)濟(jì)快速增長，珠江三角洲等城鎮(zhèn)密集地區(qū)的發(fā)展迎來了前所未有的機(jī)遇期，然而，工業(yè)化進(jìn)展的同時(shí)也引發(fā)了供水緊張與水體污染等問題，甚至發(fā)生了嚴(yán)重的“生態(tài)危機(jī)”事件，國家為此付出了巨大的資源和環(huán)境代價(jià)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境的矛盾日趨尖銳，亟待解決。
2009年1月，國務(wù)院頒布《珠江三角洲地區(qū)改革發(fā)展規(guī)劃綱要》，規(guī)劃指出，到2012年城鎮(zhèn)污水處理率要達(dá)到80％，城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理率達(dá)到85％，工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率達(dá)到90％。根據(jù)廣東省“十一五”發(fā)展的規(guī)劃，在“十一五”期間廣東經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)——東西北地區(qū)要實(shí)現(xiàn)所有縣城都配備污水處理設(shè)施。
在此背景下，為了更好地完成污水處理目標(biāo)，廣東省廣業(yè)資產(chǎn)經(jīng)營有限公司下屬的環(huán)保集團(tuán)——廣東省廣業(yè)環(huán)保產(chǎn)業(yè)集團(tuán)公司（簡稱“廣業(yè)環(huán)保集團(tuán)”）提出了把欠發(fā)達(dá)地區(qū)的污水處理項(xiàng)目設(shè)施，全部打包給有經(jīng)濟(jì)條件、有資質(zhì)的國有企業(yè)來承擔(dān)建設(shè)、運(yùn)營這一思路并得到了政府的重視。之后，廣東省財(cái)廳率先提出創(chuàng)新機(jī)制方案，省財(cái)政安排25億元，由省屬企業(yè)牽頭籌集100億元，用于東西北地區(qū)污水設(shè)施建設(shè)。由此，在省政府的統(tǒng)一部署下，廣業(yè)環(huán)保集團(tuán)承接了廣東省內(nèi)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的一批污水處理廠項(xiàng)目，其中的51個(gè)規(guī)模（日處理能力）在1~8萬噸的項(xiàng)目由廣州東芝白云自動化系統(tǒng)有限公司（簡稱“東芝白云”）提供電氣及自動化集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、工程安裝和保養(yǎng)服務(wù)，廣東省清遠(yuǎn)市清新縣太平污水處理廠即為其中之一。
廣東省清遠(yuǎn)市清新縣太平污水處理廠俯視圖
廣州東芝白云自動化系統(tǒng)有限公司簡介
廣州東芝白云自動化系統(tǒng)有限公司是廣州白云電器設(shè)備有限公司、株式會社 東芝、東芝（中國）有限公司共同投資設(shè)立的中外合資企業(yè)。據(jù)公司董事總經(jīng)理筱崎功先生介紹，公司作為西門子授權(quán)的系統(tǒng)集成商，自2004年成立以來就把與水環(huán)境相關(guān)的自動化業(yè)務(wù)作為主營目標(biāo)，運(yùn)用東芝集團(tuán)多年積累的制造、集成、運(yùn)營管理的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合西門子先進(jìn)的電氣自動化產(chǎn)品為客戶提供符合我國國情的全套解決方案。
廣州東芝白云自動化系統(tǒng)有限公司一角（左二為董事總經(jīng)理筱崎功先生）
嚴(yán)峻考驗(yàn)
2009年8月，廣州東芝白云自動化系統(tǒng)有限公司在得到廣業(yè)環(huán)保集團(tuán)負(fù)責(zé)的廣東省東西北部污水處理廠自動化系統(tǒng)集成訂單后即面臨了前所未有的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。多達(dá)51個(gè)污水處理廠的龐大規(guī)模、對于出廠水質(zhì)必須達(dá)標(biāo)的嚴(yán)苛要求以及作為標(biāo)準(zhǔn)示范工程的重大影響都給東芝白云施加了前所未有的壓力與考驗(yàn)。筱崎功先生在進(jìn)行回顧時(shí)認(rèn)為，本項(xiàng)目從公司自身提供的技術(shù)與管理等層面，可將面臨的挑戰(zhàn)總結(jié)為以下兩點(diǎn)：
1. 全廠控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及易維護(hù)性
建設(shè)污水處理過程自動化控制系統(tǒng)的目的之一是對全廠設(shè)備的工作情況、水質(zhì)液位等工藝參數(shù)以及其它現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視和自動調(diào)控，防止污水處理過程運(yùn)行在非正常的狀態(tài)之下，提高管理人員的事故處理能力和應(yīng)變速度，并且可以通過各種自動報(bào)警手段和緊急處理程序把事故隱患消滅于萌芽之中，保障污水處理過程的安全可靠性和生產(chǎn)的連續(xù)性；另外一個(gè)主要目的是實(shí)現(xiàn)對污水處理過程的全方位自動控制，可以通過操作員工作站與全廠設(shè)備進(jìn)行操作互動，控制現(xiàn)場設(shè)備的自動運(yùn)行、停止和自動進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場和過程的無人值守管理。
另外，自動化控制系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)日常生產(chǎn)調(diào)度和管理的自動化，可以通過工作站自動統(tǒng)計(jì)日常生產(chǎn)報(bào)表、班組交接報(bào)告和日常事件記錄日志等文檔材料，可以自動記錄報(bào)警情況和生成歷史數(shù)據(jù)庫和歷史曲線，為生產(chǎn)狀況的分析提供方便。
因此污水處理控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行及方便操作維護(hù)是評價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣的重要條件，也是與污水處理廠日常生產(chǎn)運(yùn)營息息相關(guān)的決定因素。加之廣東東西北部地區(qū)潮濕、多雷雨的自然條件，對暴露在室外的儀表、設(shè)備的抗外界環(huán)境干擾能力也提出了新的考驗(yàn)。
2. 超短貨期、超大工程量
按照正常工程建設(shè)周期，設(shè)計(jì)實(shí)施一個(gè)污水處理廠的過程控制系統(tǒng)首先需要詳細(xì)分析污水處理被控對象的工藝過程及工作特點(diǎn)、根據(jù)統(tǒng)計(jì)的與PLC有關(guān)的輸入/輸出設(shè)備分配I/O點(diǎn)并進(jìn)行外圍線路設(shè)計(jì)、再根據(jù)電器布置圖及安裝接線圖進(jìn)行控制柜的設(shè)計(jì)與施工，同時(shí)涉及大量的PLC與監(jiān)控軟件的組態(tài)開發(fā)工作，工程量之巨可想而知。本項(xiàng)目遇到的51個(gè)污水處理廠工程同時(shí)實(shí)施并要求在2個(gè)月內(nèi)全部完成，對于所有的系統(tǒng)集成商而言都是一項(xiàng)“不可能完成的任務(wù)”。
積極應(yīng)對
作為與世界知名企業(yè)東芝集團(tuán)合資的公司，廣州東芝白云自動化系統(tǒng)有限公司完整地借鑒并引入了東芝集團(tuán)先進(jìn)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)施工流程，從系統(tǒng)分析、基本設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、質(zhì)量檢查、廠內(nèi)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場安裝、現(xiàn)場調(diào)試到最終交付投產(chǎn)，公司在每一個(gè)流程環(huán)節(jié)都一貫秉承標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化的原則，對每個(gè)工程細(xì)節(jié)都力求踏實(shí)做好、嚴(yán)格把關(guān)。在不斷認(rèn)真總結(jié)過去的成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上形成了一套統(tǒng)一規(guī)范的管理模式。正是這種高效嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧鞒坦芾砼c科學(xué)務(wù)實(shí)的工作作風(fēng)為按時(shí)保質(zhì)完成工程進(jìn)度提供了先決條件。
從另一個(gè)側(cè)面來講，作為系統(tǒng)集成商，東芝白云提供的是一種適合水處理領(lǐng)域的應(yīng)用平臺，在此基礎(chǔ)之上，將自己的工程經(jīng)驗(yàn)和對特定應(yīng)用對象工藝要求的理解轉(zhuǎn)化為應(yīng)用解決方案，并通過工程實(shí)踐，將供應(yīng)商提供的應(yīng)用平臺的價(jià)值進(jìn)行個(gè)性化的提升。因此，在工程項(xiàng)目的實(shí)施過程中，東芝白云面臨著與自動化廠商、最終用戶（廠方）多方協(xié)調(diào)配合的工作?？紤]到與西門子公司長期以來彼此愉快的合作經(jīng)歷及其強(qiáng)大的供貨支持、服務(wù)保障能力，東芝白云毫不猶豫地選擇了西門子的全集成自動化解決方案為廣業(yè)環(huán)保集團(tuán)建設(shè)運(yùn)營的廣東東西北部污水處理廠保駕護(hù)航。
實(shí)施方案
廣東省清遠(yuǎn)市清新縣太平污水處理廠位于清新縣太平鎮(zhèn)工業(yè)園，一期設(shè)計(jì)規(guī)模為1萬噸/日，污水處理工藝采用A2/O 工藝。
工藝描述
A2/O 生物法為目前我國中小型污水處理廠廣泛應(yīng)用的一種污水處理工藝。主要處理工段可分為污水處理和污泥處理兩個(gè)環(huán)節(jié)。污水處理段由粗格柵間、進(jìn)水泵房、細(xì)格柵間、旋流沉砂池、微曝氧化溝、二沉池和消毒出水池組成。污泥處理段由回流污泥泵站、污泥脫水機(jī)房組成。
A2/O 污水處理工藝流程圖
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
按照符合水廠總體管控和工藝特點(diǎn)的需求，全廠采用了以計(jì)算機(jī)加PLC和現(xiàn)場儀表的方式構(gòu)成一個(gè)分布式控制系統(tǒng)，根據(jù)西門子公司全集成自動化（TIA，Totally Integrated Automation）的思想，可以將太平污水處理廠控制系統(tǒng)分為管理級和現(xiàn)場級兩個(gè)層次。
太平污水處理廠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
（1） 管理級
管理級是全廠控制系統(tǒng)的核心部分，在中控室設(shè)置兩臺工控機(jī)，通過10/100Mbps快速以太網(wǎng)與各個(gè)PLC控制站及廠級內(nèi)部局域網(wǎng)相連。管理級的兩臺計(jì)算機(jī)具有相互通訊的功能，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換或共享。SCADA監(jiān)控軟件具有模擬畫面、數(shù)據(jù)存儲、歷史趨勢和實(shí)時(shí)圖表、報(bào)警管理等功能，操作員可瀏覽污水處理的各工藝過程畫面，顯示當(dāng)前狀態(tài)并按順序記錄、輸出并能完成各類數(shù)據(jù)的記錄、存盤、報(bào)警，處理打印各種生產(chǎn)報(bào)表和曲線圖。
中控室現(xiàn)場操作情況
SCADA軟件操作界面
工藝流程界面
（2） 現(xiàn)場級
現(xiàn)場級是實(shí)現(xiàn)過程自動化控制的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由現(xiàn)場儀表、可編程控制器、變頻器等設(shè)備組成。太平污水處理廠根據(jù)工藝地段設(shè)置三個(gè)PLC控制站：位于變電所的PLC01分站、位于污泥脫水機(jī)房的PLC02分站和位于消毒出水池的PLC03分站，各站點(diǎn)通過高速以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與通訊。下面以變電所PLC01分站為例介紹PLC系統(tǒng)的硬件配置：
由于具備模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、無風(fēng)扇結(jié)構(gòu)及易學(xué)易用的特點(diǎn)，本項(xiàng)目選用了西門子S7-300系列PLC作為主控制器，通過CPU315-2PN/DP自帶的PROFIBUS-DP通訊端口與一套S7-200系列PLC構(gòu)成現(xiàn)場總線分布式控制系統(tǒng)。配置1臺西門子SCALANCE工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)將本地?cái)?shù)據(jù)接入環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)設(shè)置1臺西門子KTP1000PN人機(jī)界面作為現(xiàn)場操作終端，可使操作員通過觸摸屏監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行就地操作。
變電所PLC01控制柜
選用1臺西門子MM430風(fēng)機(jī)泵類專用變頻器，采用變頻調(diào)速技術(shù)，既可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，滿足污水處理工藝過程中各項(xiàng)指標(biāo)對電機(jī)速度控制要求，保證工藝流程相對穩(wěn)定，又可實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源、減少設(shè)備開停次數(shù)、延長設(shè)備使用壽命的目的，并可解決工程實(shí)際運(yùn)行規(guī)模與設(shè)計(jì)規(guī)模不一致帶來的運(yùn)行過程偏差，對協(xié)調(diào)各工藝流程間匹配關(guān)系，起到重要調(diào)節(jié)作用，
變電所變頻器控制柜
現(xiàn)場儀表部分，在污泥回流泵房和提升泵站各安裝1套、在缺氧池/出水井安裝2套西門子超聲波液位計(jì)，選用了性能可靠穩(wěn)定的高性能超聲液位控制器MultiRanger100和超聲液位差計(jì)傳感器Echomax XRS-5/10/15；在粗格柵和細(xì)格柵分別安裝1套西門子超聲波液位計(jì)，采用具有最先進(jìn)的繼電器報(bào)警和泵控制、體積轉(zhuǎn)換功能的MultiRanger200，它與耐腐蝕的與耐腐蝕的Echomax XRS-5/15超聲波傳感器一起使用，可用于各種嚴(yán)酷工況，使用溫度可達(dá)145℃；在二沉池安裝了2套基于微處理器的污泥層厚度檢測系統(tǒng)InterRanger DPS300， 配合非接觸的Echomax XCT-12超聲波傳感器和先進(jìn)的回波處理技術(shù)可以連續(xù)監(jiān)視污泥層的厚度，顯著提高生產(chǎn)效率，增加產(chǎn)出量和降低污泥處理的費(fèi)用；在鼓風(fēng)出口管等位置安裝了若干西門子SITRANS P ZD 系列數(shù)字壓力變送器，這系列產(chǎn)品帶有不銹鋼外殼和液晶顯示表頭，可滿足精確測量與高耐用性能的完美結(jié)合；在氧化溝進(jìn)水管道、消毒池出水管道及回流污泥管道分別安裝了1套流量計(jì)，選用了西門子專為惡劣環(huán)境設(shè)計(jì)的SITRANS FM MAGFLO MAG 3100傳感器配合MAGFLO MAG 5000 / MAG 6000變送器。
二沉池現(xiàn)場儀表箱
系統(tǒng)運(yùn)行效果
據(jù)太平污水處理廠李廠長介紹，由廣州東芝白云自動化系統(tǒng)有限公司提供的這套自控系統(tǒng)從安裝到現(xiàn)場調(diào)試都進(jìn)行得非常順利，于2010年4月一次投運(yùn)成功，確保了全廠生產(chǎn)試運(yùn)行的如期進(jìn)行。操作人員普遍反映系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，PLC采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確快速，能有效保證重要設(shè)備運(yùn)行安全。目前全廠人員編制為22人，其中8人負(fù)責(zé)自動化系統(tǒng)的管理與維護(hù)，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)以后，日常的維護(hù)工作量極小，完全滿足了現(xiàn)代化污水處理廠自動化運(yùn)行控制的需要。
截止目前，太平污水處理廠在西門子全集成自動化解決方案的全程管控下，出廠水水質(zhì)已達(dá)到我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)規(guī)定的一級B排放標(biāo)準(zhǔn)。
與此同時(shí)，這批廣東省東西北部污水處理廠項(xiàng)目的其余工程也在東芝白云的統(tǒng)籌實(shí)施、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)上和西門子公司的有力保障下，經(jīng)過多方配合努力，均在用戶規(guī)定時(shí)間內(nèi)順利地完成了自動化產(chǎn)品的集成與系統(tǒng)調(diào)試，確保了該項(xiàng)目的整體運(yùn)作實(shí)施。
成功經(jīng)驗(yàn)與展望
高性價(jià)比的控制系統(tǒng)
由于本項(xiàng)目的污水處理規(guī)模均屬中小型，對用戶而言，自動化控制系統(tǒng)的性價(jià)比成為了用戶最為關(guān)心的關(guān)鍵要素之一。實(shí)踐證明，由西門子公司提供的這套解決方案不僅技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定可靠，而且很好地滿足了城鎮(zhèn)污水處理的工藝要求，更在最大限度上保護(hù)了用戶投資，是既因地制宜、又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的理想選擇。
污水處理行業(yè)的BOT運(yùn)作模式
據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，2009年，由社會資本投資的污水處理項(xiàng)目占當(dāng)年完工項(xiàng)目總和的近50%，達(dá)到歷史最高。全國在建的1900多個(gè)污水處理項(xiàng)目（含管網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目）中有30%為BOT或BT方式投資。我國當(dāng)前的城市水業(yè)市場模式已經(jīng)形成了以BOT模式為主導(dǎo)、產(chǎn)業(yè)并購加快的格局。此次項(xiàng)目采用的BOT運(yùn)作模式不僅拓寬了市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、運(yùn)行的融資渠道，并且對投資人和經(jīng)營者實(shí)行硬約束，降低了成本，提高了服務(wù)水平和質(zhì)量，是我國未來新建污水處理廠值得借鑒的市場投資建設(shè)模式。
西門子與系統(tǒng)集成商的緊密合作
由于自動控制系統(tǒng)集成所采用的產(chǎn)品、技術(shù)、方法、過程以至解決方案都是在一定程度上具有共性的，通過經(jīng)驗(yàn)、知識的積累和提煉，系統(tǒng)集成商會形成并不斷提升自身的系統(tǒng)集成能力。如東芝白云這樣的系統(tǒng)集成商就具備了在某個(gè)特定工業(yè)領(lǐng)域的歷經(jīng)考驗(yàn)的寶貴行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和工程成就，通過合作，西門子公司在拓展解決方案能力的同時(shí)也取得了可觀的市場份額，這樣反過來會加大相應(yīng)的投入，給系統(tǒng)集成商以更大的支持，最終，誠實(shí)互信的密切合作也將給用戶帶來實(shí)實(shí)在在的利益和保障。
本文標(biāo)簽：西門子全集成自動化解決方案在廣業(yè)環(huán)保集團(tuán)污水處理廠的應(yīng)用設(shè)計(jì)
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