西門子全集成自動化解決方案在廣業環保集團污水處理廠的應用設計
［摘要］： 以廣東省清遠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環保集團實施的一批廣東省東西北部污水處理廠的應用。作為西門子系統集成商，廣州東芝白云自動化系統有限公司通過系統配置標準化、系統化，在短時間內完成了這批50多個項目的同時施工調試，充分體現了西門子控制系統的優越性并在最大程度上滿足了用戶的需求。
［關鍵詞］：污水處理 TIA BOT 系統化
前言
水是關系到人類生存和社會發展的基本物質條件，是一種有限的、不可替代的寶貴資源，也是實現經濟社會可持續發展的重要保證。近年來，伴隨著我國經濟快速增長，珠江三角洲等城鎮密集地區的發展迎來了前所未有的機遇期，然而，工業化進展的同時也引發了供水緊張與水體污染等問題，甚至發生了嚴重的“生態危機”事件，國家為此付出了巨大的資源和環境代價，經濟發展與資源環境的矛盾日趨尖銳，亟待解決。
2009年1月，國務院頒布《珠江三角洲地區改革發展規劃綱要》，規劃指出，到2012年城鎮污水處理率要達到80％，城鎮生活垃圾無害化處理率達到85％，工業廢水排放達標率達到90％。根據廣東省“十一五”發展的規劃，在“十一五”期間廣東經濟欠發達地區——東西北地區要實現所有縣城都配備污水處理設施。
在此背景下，為了更好地完成污水處理目標，廣東省廣業資產經營有限公司下屬的環保集團——廣東省廣業環保產業集團公司（簡稱“廣業環保集團”）提出了把欠發達地區的污水處理項目設施，全部打包給有經濟條件、有資質的國有企業來承擔建設、運營這一思路并得到了政府的重視。之后，廣東省財廳率先提出創新機制方案，省財政安排25億元，由省屬企業牽頭籌集100億元，用于東西北地區污水設施建設。由此，在省政府的統一部署下，廣業環保集團承接了廣東省內經濟欠發達地區的一批污水處理廠項目，其中的51個規模（日處理能力）在1~8萬噸的項目由廣州東芝白云自動化系統有限公司（簡稱“東芝白云”）提供電氣及自動化集成系統的設計、工程安裝和保養服務，廣東省清遠市清新縣太平污水處理廠即為其中之一。
廣東省清遠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有限公司簡介
廣州東芝白云自動化系統有限公司是廣州白云電器設備有限公司、株式會社 東芝、東芝（中國）有限公司共同投資設立的中外合資企業。據公司董事總經理筱崎功先生介紹，公司作為西門子授權的系統集成商，自2004年成立以來就把與水環境相關的自動化業務作為主營目標，運用東芝集團多年積累的制造、集成、運營管理的經驗，結合西門子先進的電氣自動化產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有限公司一角（左二為董事總經理筱崎功先生）
嚴峻考驗
2009年8月，廣州東芝白云自動化系統有限公司在得到廣業環保集團負責的廣東省東西北部污水處理廠自動化系統集成訂單后即面臨了前所未有的嚴峻挑戰。多達51個污水處理廠的龐大規模、對于出廠水質必須達標的嚴苛要求以及作為標準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。筱崎功先生在進行回顧時認為，本項目從公司自身提供的技術與管理等層面，可將面臨的挑戰總結為以下兩點：
1. 全廠控制系統的穩定性及易維護性
建設污水處理過程自動化控制系統的目的之一是對全廠設備的工作情況、水質液位等工藝參數以及其它現場數據進行監視和自動調控，防止污水處理過程運行在非正常的狀態之下，提高管理人員的事故處理能力和應變速度，并且可以通過各種自動報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的連續性；另外一個主要目的是實現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備進行操作互動，控制現場設備的自動運行、停止和自動進行參數調節，實現生產現場和過程的無人值守管理。
另外，自動化控制系統還可以實現日常生產調度和管理的自動化，可以通過工作站自動統計日常生產報表、班組交接報告和日常事件記錄日志等文檔材料，可以自動記錄報警情況和生成歷史數據庫和歷史曲線，為生產狀況的分析提供方便。
因此污水處理控制系統的穩定運行及方便操作維護是評價系統優劣的重要條件，也是與污水處理廠日常生產運營息息相關的決定因素。加之廣東東西北部地區潮濕、多雷雨的自然條件，對暴露在室外的儀表、設備的抗外界環境干擾能力也提出了新的考驗。
2. 超短貨期、超大工程量
按照正常工程建設周期，設計實施一個污水處理廠的過程控制系統首先需要詳細分析污水處理被控對象的工藝過程及工作特點、根據統計的與PLC有關的輸入/輸出設備分配I/O點并進行外圍線路設計、再根據電器布置圖及安裝接線圖進行控制柜的設計與施工，同時涉及大量的PLC與監控軟件的組態開發工作，工程量之巨可想而知。本項目遇到的51個污水處理廠工程同時實施并要求在2個月內全部完成，對于所有的系統集成商而言都是一項“不可能完成的任務”。
積極應對
作為與世界知名企業東芝集團合資的公司，廣州東芝白云自動化系統有限公司完整地借鑒并引入了東芝集團先進的項目設計施工流程，從系統分析、基本設計、詳細設計、生產制造、質量檢查、廠內實驗、現場安裝、現場調試到最終交付投產，公司在每一個流程環節都一貫秉承標準化、系統化的原則，對每個工程細節都力求踏實做好、嚴格把關。在不斷認真總結過去的成功經驗的基礎上形成了一套統一規范的管理模式。正是這種高效嚴謹的流程管理與科學務實的工作作風為按時保質完成工程進度提供了先決條件。
從另一個側面來講，作為系統集成商，東芝白云提供的是一種適合水處理領域的應用平臺，在此基礎之上，將自己的工程經驗和對特定應用對象工藝要求的理解轉化為應用解決方案，并通過工程實踐，將供應商提供的應用平臺的價值進行個性化的提升。因此，在工程項目的實施過程中，東芝白云面臨著與自動化廠商、最終用戶（廠方）多方協調配合的工作。考慮到與西門子公司長期以來彼此愉快的合作經歷及其強大的供貨支持、服務保障能力，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環保集團建設運營的廣東東西北部污水處理廠保駕護航。
實施方案
廣東省清遠市清新縣太平污水處理廠位于清新縣太平鎮工業園，一期設計規模為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環節。污水處理段由粗格柵間、進水泵房、細格柵間、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、污泥脫水機房組成。
A2/O 污水處理工藝流程圖
控制系統設計
按照符合水廠總體管控和工藝特點的需求，全廠采用了以計算機加PLC和現場儀表的方式構成一個分布式控制系統，根據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分為管理級和現場級兩個層次。
太平污水處理廠網絡結構圖
（1） 管理級
管理級是全廠控制系統的核心部分，在中控室設置兩臺工控機，通過10/100Mbps快速以太網與各個PLC控制站及廠級內部局域網相連。管理級的兩臺計算機具有相互通訊的功能，可實現數據交換或共享。SCADA監控軟件具有模擬畫面、數據存儲、歷史趨勢和實時圖表、報警管理等功能，操作員可瀏覽污水處理的各工藝過程畫面，顯示當前狀態并按順序記錄、輸出并能完成各類數據的記錄、存盤、報警，處理打印各種生產報表和曲線圖。
中控室現場操作情況
SCADA軟件操作界面
工藝流程界面
（2） 現場級
現場級是實現過程自動化控制的基礎和關鍵環節，由現場儀表、可編程控制器、變頻器等設備組成。太平污水處理廠根據工藝地段設置三個PLC控制站：位于變電所的PLC01分站、位于污泥脫水機房的PLC02分站和位于消毒出水池的PLC03分站，各站點通過高速以太網實現數據交換與通訊。下面以變電所PLC01分站為例介紹PLC系統的硬件配置：
由于具備模塊化結構設計、無風扇結構及易學易用的特點，本項目選用了西門子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構成現場總線分布式控制系統。配置1臺西門子SCALANCE工業以太網交換機將本地數據接入環形網絡，同時設置1臺西門子KTP1000PN人機界面作為現場操作終端，可使操作員通過觸摸屏監控設備運行狀態并進行就地操作。
變電所PLC01控制柜
選用1臺西門子MM430風機泵類專用變頻器，采用變頻調速技術，既可實現無級調速，滿足污水處理工藝過程中各項指標對電機速度控制要求，保證工藝流程相對穩定，又可實現節約能源、減少設備開停次數、延長設備使用壽命的目的，并可解決工程實際運行規模與設計規模不一致帶來的運行過程偏差，對協調各工藝流程間匹配關系，起到重要調節作用，
變電所變頻器控制柜
現場儀表部分，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，選用了性能可靠穩定的高性能超聲液位控制器MultiRanger100和超聲液位差計傳感器Echomax XRS-5/10/15；在粗格柵和細格柵分別安裝1套西門子超聲波液位計，采用具有最先進的繼電器報警和泵控制、體積轉換功能的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，可用于各種嚴酷工況，使用溫度可達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InterRanger DPS300， 配合非接觸的Echomax XCT-12超聲波傳感器和先進的回波處理技術可以連續監視污泥層的厚度，顯著提高生產效率，增加產出量和降低污泥處理的費用；在鼓風出口管等位置安裝了若干西門子SITRANS P ZD 系列數字壓力變送器，這系列產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合；在氧化溝進水管道、消毒池出水管道及回流污泥管道分別安裝了1套流量計，選用了西門子專為惡劣環境設計的SITRANS FM MAGFLO MAG 3100傳感器配合MAGFLO MAG 5000 / MAG 6000變送器。
二沉池現場儀表箱
系統運行效果
據太平污水處理廠李廠長介紹，由廣州東芝白云自動化系統有限公司提供的這套自控系統從安裝到現場調試都進行得非常順利，于2010年4月一次投運成功，確保了全廠生產試運行的如期進行。操作人員普遍反映系統運行穩定，PLC采集數據準確快速，能有效保證重要設備運行安全。目前全廠人員編制為22人，其中8人負責自動化系統的管理與維護，系統運轉以后，日常的維護工作量極小，完全滿足了現代化污水處理廠自動化運行控制的需要。
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，出廠水水質已達到我國《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)規定的一級B排放標準。
與此同時，這批廣東省東西北部污水處理廠項目的其余工程也在東芝白云的統籌實施、標準化生產的基礎上和西門子公司的有力保障下，經過多方配合努力，均在用戶規定時間內順利地完成了自動化產品的集成與系統調試，確保了該項目的整體運作實施。
成功經驗與展望
高性價比的控制系統
由于本項目的污水處理規模均屬中小型，對用戶而言，自動化控制系統的性價比成為了用戶最為關心的關鍵要素之一。實踐證明，由西門子公司提供的這套解決方案不僅技術先進、穩定可靠，而且很好地滿足了城鎮污水處理的工藝要求，更在最大限度上保護了用戶投資，是既因地制宜、又經濟實用的理想選擇。
污水處理行業的BOT運作模式
據有關統計，2009年，由社會資本投資的污水處理項目占當年完工項目總和的近50%，達到歷史最高。全國在建的1900多個污水處理項目（含管網建設項目）中有30%為BOT或BT方式投資。我國當前的城市水業市場模式已經形成了以BOT模式為主導、產業并購加快的格局。此次項目采用的BOT運作模式不僅拓寬了市政基礎設施建設、運行的融資渠道，并且對投資人和經營者實行硬約束，降低了成本，提高了服務水平和質量，是我國未來新建污水處理廠值得借鑒的市場投資建設模式。
西門子與系統集成商的緊密合作
由于自動控制系統集成所采用的產品、技術、方法、過程以至解決方案都是在一定程度上具有共性的，通過經驗、知識的積累和提煉，系統集成商會形成并不斷提升自身的系統集成能力。如東芝白云這樣的系統集成商就具備了在某個特定工業領域的歷經考驗的寶貴行業經驗和工程成就，通過合作，西門子公司在拓展解決方案能力的同時也取得了可觀的市場份額，這樣反過來會加大相應的投入，給系統集成商以更大的支持，最終，誠實互信的密切合作也將給用戶帶來實實在在的利益和保障。
本文標簽：西門子全集成自動化解決方案在廣業環保集團污水處理廠的應用設計
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