西门子全集成自动化解决方案在广业环保集团污水处理厂的应用——

［摘要］： 以广东省清远市清新县太平污水处理厂为例，介绍了西门子全集成自动化解决方案在广业环保集团实施的一批广东省东西北部污水处理厂的应用。作为西门子系统集成商，广州东芝白云自动化系统有限公司通过系统配置标准化、系统化，在短时间内完成了这批50多个项目的同时施工调试，充分体现了西门子控制系统的优越性并在最大程度上满足了用户的需求。［关键词］：污水处理 TIA BOT 系统化前言        水是关系到人类生存和社会发展的基本物质条件，是一种有限的、不可替代的宝贵资源，也是实现经济社会可持续发展的重要保证。近年来，伴随着我国经济快速增长，珠江三角洲等城镇密集地区的发展迎来了前所未有的机遇期，然而，工业化进展的同时也引发了供水紧张与水体污染等问题，甚至发生了严重的“生态危机”事件，国家为此付出了巨大的资源和环境代价，经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐，亟待解决。        2009年1月，国务院颁布《珠江三角洲地区改革发展规划纲要》，规划指出，到2012年城镇污水处理率要达到80％，城镇生活垃圾无害化处理率达到85％，工业废水排放达标率达到90％。根据广东省“十一五”发展的规划，在“十一五”期间广东经济欠发达地区--东西北地区要实现所有县城都配备污水处理设施。        在此背景下，为了更好地完成污水处理目标，广东省广业资产经营有限公司下属的环保集团--广东省广业环保产业集团公司（简称“广业环保集团”）提出了把欠发达地区的污水处理项目设施，全部打包给有经济条件、有资质的国有企业来承担建设、运营这一思路并得到了政府的重视。之后，广东省财厅率先提出创新机制方案，省财政安排25亿元，由省属企业牵头筹集100亿元，用于东西北地区污水设施建设。由此，在省政府的统一部署下，广业环保集团承接了广东省内经济欠发达地区的一批污水处理厂项目，其中的51个规模（日处理能力）在1~8万吨的项目由广州东芝白云自动化系统有限公司（简称“东芝白云”）提供电气及自动化集成系统的设计、工程安装和保养服务，广东省清远市清新县太平污水处理厂即为其中之一。
   广东省清远市清新县太平污水处理厂俯视图 广州东芝白云自动化系统有限公司简介        广州东芝白云自动化系统有限公司是广州白云电器设备有限公司、株式会社 东芝、东芝（中国）有限公司共同投资设立的中外合资企业。据公司董事总经理筱崎功先生介绍，公司作为西门子授权的系统集成商，自2004年成立以来就把与水环境相关的自动化业务作为主营目标，运用东芝集团多年积累的制造、集成、运营管理的经验，结合西门子先进的电气自动化产品为客户提供符合我国国情的全套解决方案。
   广州东芝白云自动化系统有限公司一角（左二为董事总经理筱崎功先生） 严峻考验        2009年8月，广州东芝白云自动化系统有限公司在得到广业环保集团负责的广东省东西北部污水处理厂自动化系统集成订单后即面临了前所未有的严峻挑战。多达51个污水处理厂的庞大规模、对于出厂水质必须达标的严苛要求以及作为标准示范工程的重大影响都给东芝白云施加了前所未有的压力与考验。筱崎功先生在进行回顾时认为，本项目从公司自身提供的技术与管理等层面，可将面临的挑战总结为以下两点：1. 全厂控制系统的稳定性及易维护性        建设污水处理过程自动化控制系统的目的之一是对全厂设备的工作情况、水质液位等工艺参数以及其它现场数据进行监视和自动调控，防止污水处理过程运行在非正常的状态之下，提高管理人员的事故处理能力和应变速度，并且可以通过各种自动报警手段和紧急处理程序把事故隐患消灭于萌芽之中，保障污水处理过程的安全可靠性和生产的连续性；另外一个主要目的是实现对污水处理过程的全方位自动控制，可以通过操作员工作站与全厂设备进行操作互动，控制现场设备的自动运行、停止和自动进行参数调节，实现生产现场和过程的无人值守管理。        另外，自动化控制系统还可以实现日常生产调度和管理的自动化，可以通过工作站自动统计日常生产报表、班组交接报告和日常事件记录日志等文档材料，可以自动记录报警情况和生成历史数据库和历史曲线，为生产状况的分析提供方便。        因此污水处理控制系统的稳定运行及方便操作维护是评价系统优劣的重要条件，也是与污水处理厂日常生产运营息息相关的决定因素。加之广东东西北部地区潮湿、多雷雨的自然条件，对暴露在室外的仪表、设备的抗外界环境干扰能力也提出了新的考验。2. 超短货期、超大工程量        按照正常工程建设周期，设计实施一个污水处理厂的过程控制系统首先需要详细分析污水处理被控对象的工艺过程及工作特点、根据统计的与PLC有关的输入/输出设备分配I/O点并进行外围线路设计、再根据电器布置图及安装接线图进行控制柜的设计与施工，同时涉及大量的PLC与监控软件的组态开发工作，工程量之巨可想而知。本项目遇到的51个污水处理厂工程同时实施并要求在2个月内全部完成，对于所有的系统集成商而言都是一项“不可能完成的任务”。 积极应对        作为与世界知名企业东芝集团合资的公司，广州东芝白云自动化系统有限公司完整地借鉴并引入了东芝集团先进的项目设计施工流程，从系统分析、基本设计、详细设计、生产制造、质量检查、厂内实验、现场安装、现场调试到最终交付投产，公司在每一个流程环节都一贯秉承标准化、系统化的原则，对每个工程细节都力求踏实做好、严格把关。在不断认真总结过去的成功经验的基础上形成了一套统一规范的管理模式。正是这种高效严谨的流程管理与科学务实的工作作风为按时保质完成工程进度提供了先决条件。        从另一个侧面来讲，作为系统集成商，东芝白云提供的是一种适合水处理领域的应用平台，在此基础之上，将自己的工程经验和对特定应用对象工艺要求的理解转化为应用解决方案，并通过工程实践，将供应商提供的应用平台的价值进行个性化的提升。因此，在工程项目的实施过程中，东芝白云面临着与自动化厂商、最终用户（厂方）多方协调配合的工作。考虑到与西门子公司长期以来彼此愉快的合作经历及其强大的供货支持、服务保障能力，东芝白云毫不犹豫地选择了西门子的全集成自动化解决方案为广业环保集团建设运营的广东东西北部污水处理厂保驾护航。 实施方案        广东省清远市清新县太平污水处理厂位于清新县太平镇工业园，一期设计规模为1万吨/日，污水处理工艺采用A2/O 工艺。工艺描述        A2/O 生物法为目前我国中小型污水处理厂广泛应用的一种污水处理工艺。主要处理工段可分为污水处理和污泥处理两个环节。污水处理段由粗格栅间、进水泵房、细格栅间、旋流沉砂池、微曝氧化沟、二沉池和消毒出水池组成。污泥处理段由回流污泥泵站、污泥脱水机房组成。
   A2/O 污水处理工艺流程图控制系统设计        按照符合水厂总体管控和工艺特点的需求，全厂采用了以计算机加PLC和现场仪表的方式构成一个分布式控制系统，根据西门子公司全集成自动化（TIA，Totally Integrated Automation）的思想，可以将太平污水处理厂控制系统分为管理级和现场级两个层次。
   太平污水处理厂网络结构图（1） 管理级        管理级是全厂控制系统的核心部分，在中控室设置两台工控机，通过10/100Mbps快速以太网与各个PLC控制站及厂级内部局域网相连。管理级的两台计算机具有相互通讯的功能，可实现数据交换或共享。SCADA监控软件具有模拟画面、数据存储、历史趋势和实时图表、报警管理等功能，操作员可浏览污水处理的各工艺过程画面，显示当前状态并按顺序记录、输出并能完成各类数据的记录、存盘、报警，处理打印各种生产报表和曲线图。
   中控室现场操作情况SCADA软件操作界面
   工艺流程界面  （2） 现场级        现场级是实现过程自动化控制的基础和关键环节，由现场仪表、可编程控制器、变频器等设备组成。太平污水处理厂根据工艺地段设置三个PLC控制站：位于变电所的PLC01分站、位于污泥脱水机房的PLC02分站和位于消毒出水池的PLC03分站，各站点通过高速以太网实现数据交换与通讯。下面以变电所PLC01分站为例介绍PLC系统的硬件配置：        由于具备模块化结构设计、无风扇结构及易学易用的特点，本项目选用了西门子S7-300系列PLC作为主控制器，通过CPU315-2PN/DP自带的PROFIBUS-DP通讯端口与一套S7-200系列PLC构成现场总线分布式控制系统。配置1台西门子SCALANCE工业以太网交换机将本地数据接入环形网络，同时设置1台西门子KTP1000PN人机界面作为现场操作终端，可使操作员通过触摸屏监控设备运行状态并进行就地操作。  
   变电所PLC01控制柜         选用1台西门子MM430风机泵类专用变频器，采用变频调速技术，既可实现无级调速，满足污水处理工艺过程中各项指标对电机速度控制要求，保证工艺流程相对稳定，又可实现节约能源、减少设备开停次数、延长设备使用寿命的目的，并可解决工程实际运行规模与设计规模不一致带来的运行过程偏差，对协调各工艺流程间匹配关系，起到重要调节作用，
   变电所变频器控制柜        现场仪表部分，在污泥回流泵房和提升泵站各安装1套、在缺氧池/出水井安装2套西门子超声波液位计，选用了性能可靠稳定的高性能超声液位控制器MultiRanger100和超声液位差计传感器Echomax XRS-5/10/15；在粗格栅和细格栅分别安装1套西门子超声波液位计，采用具有最先进的继电器报警和泵控制、体积转换功能的MultiRanger200，它与耐腐蚀的与耐腐蚀的Echomax XRS-5/15超声波传感器一起使用，可用于各种严酷工况，使用温度可达145℃；在二沉池安装了2套基于微处理器的污泥层厚度检测系统InterRanger DPS300， 配合非接触的Echomax XCT-12超声波传感器和先进的回波处理技术可以连续监视污泥层的厚度，显着提高生产效率，增加产出量和降低污泥处理的费用；在鼓风出口管等位置安装了若干西门子SITRANS P ZD 系列数字压力变送器，这系列产品带有不锈钢外壳和液晶显示表头，可满足精确测量与高耐用性能的完美结合；在氧化沟进水管道、消毒池出水管道及回流污泥管道分别安装了1套流量计，选用了西门子专为恶劣环境设计的SITRANS FM MAGFLO MAG 3100传感器配合MAGFLO MAG 5000 / MAG 6000变送器。
   二沉池现场仪表箱 系统运行效果        据太平污水处理厂李厂长介绍，由广州东芝白云自动化系统有限公司提供的这套自控系统从安装到现场调试都进行得非常顺利，于2010年4月一次投运成功，确保了全厂生产试运行的如期进行。操作人员普遍反映系统运行稳定，PLC采集数据准确快速，能有效保证重要设备运行安全。目前全厂人员编制为22人，其中8人负责自动化系统的管理与维护，系统运转以后，日常的维护工作量极小，完全满足了现代化污水处理厂自动化运行控制的需要。        截止目前，太平污水处理厂在西门子全集成自动化解决方案的全程管控下，出厂水水质已达到我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)规定的一级B排放标准。        与此同时，这批广东省东西北部污水处理厂项目的其余工程也在东芝白云的统筹实施、标准化生产的基础上和西门子公司的有力保障下，经过多方配合努力，均在用户规定时间内顺利地完成了自动化产品的集成与系统调试，确保了该项目的整体运作实施。 成功经验与展望高性价比的控制系统        由于本项目的污水处理规模均属中小型，对用户而言，自动化控制系统的性价比成为了用户最为关心的关键要素之一。实践证明，由西门子公司提供的这套解决方案不仅技术先进、稳定可靠，而且很好地满足了城镇污水处理的工艺要求，更在最大限度上保护了用户投资，是既因地制宜、又经济实用的理想选择。污水处理行业的BOT运作模式        据有关统计，2009年，由社会资本投资的污水处理项目占当年完工项目总和的近50%，达到历史最高。全国在建的1900多个污水处理项目（含管网建设项目）中有30%为BOT或BT方式投资。我国当前的城市水业市场模式已经形成了以BOT模式为主导、产业并购加快的格局。此次项目采用的BOT运作模式不仅拓宽了市政基础设施建设、运行的融资渠道，并且对投资人和经营者实行硬约束，降低了成本，提高了服务水平和质量，是我国未来新建污水处理厂值得借鉴的市场投资建设模式。西门子与系统集成商的紧密合作        由于自动控制系统集成所采用的产品、技术、方法、过程以至解决方案都是在一定程度上具有共性的，通过经验、知识的积累和提炼，系统集成商会形成并不断提升自身的系统集成能力。如东芝白云这样的系统集成商就具备了在某个特定工业领域的历经考验的宝贵行业经验和工程成就，通过合作，西门子公司在拓展解决方案能力的同时也取得了可观的市场份额，这样反过来会加大相应的投入，给系统集成商以更大的支持，最终，诚实互信的密切合作也将给用户带来实实在在的利益和保障。