摘 要: 以海寧市污水處理" title="污水處理">污水處理廠的軟件冗余現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)為例，論述了總線和冗余技術(shù)在污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用。對系統(tǒng)的硬件、軟件結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了說明。運(yùn)用表明，該系統(tǒng)能夠滿足污水處理的自動控制要求，并且具有先進(jìn)、可靠、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞: 現(xiàn)場總線；冗余； 可編程控制器
Abstract: This paper introduces the software redundancy profibus control system of the sewage treatment. It explains the hardware and software of the system. Through using, this system can satisfy the control demands. It is advanced, reliable and good control performance.
Keyword: Profibus；redundancy；Programmable controller
PROFIBUS是德國于90年代初制訂的國家工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),代號DIN19245。它是一種國際化的開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),即EN50170 歐洲現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)為供應(yīng)商和用戶的投資提供了最佳的保護(hù)并確保供應(yīng)商的獨(dú)立自主性。PROFIBUS具體規(guī)定了串行現(xiàn)場總線的技術(shù)和功能特性,它可使分散式數(shù)字化控制器從現(xiàn)場底層到車間及網(wǎng)絡(luò)化。PROFIBUS分為主設(shè)備(主站" title="主站">主站)和從設(shè)備(從站)。主站決定總線上的數(shù)據(jù)通信。當(dāng)主站得到總線控制權(quán)時(shí),不用外界請求就可以主動發(fā)送信息。從站為外圍設(shè)備,典型的從站包括:輸入/輸出裝置、閥門、驅(qū)動器和測量變送器。它們沒有總線控制權(quán),僅對接收到的信息給予確認(rèn)或當(dāng)主站發(fā)出請求時(shí)向它發(fā)送信息。
1 工藝簡介
傳統(tǒng)的活性污泥處理工藝存在基建投資高、運(yùn)行費(fèi)用高以及電耗高等問題。SBR(Sequence Batch Reactor)序批式處理工藝是近年來國際上比較先進(jìn)的污水處理方法。雖然在上個世紀(jì)初，國外就已經(jīng)研究出這種工藝，但是至今國內(nèi)各大污水處理廠真正采用它的還不多。主要原因就是它對時(shí)間要求比較嚴(yán)格，對自控要求比較苛刻。采用SBR工藝的污水處理廠地點(diǎn)分散，設(shè)備量大，各個工作段位要求銜接緊密，設(shè)備間密切配合，這正給Profibus現(xiàn)場總線提供了用武之地。
SBR污水處理控制系統(tǒng)主要包括：進(jìn)水泵房控制系統(tǒng)、旋流沉砂池控制系統(tǒng)、主反應(yīng)池控制系統(tǒng)、出水泵房控制系統(tǒng)、鼓風(fēng)機(jī)房控制系統(tǒng)，脫水機(jī)房控制系統(tǒng)等。
城市污水管網(wǎng)收集到的污水經(jīng)泵站加壓到進(jìn)水泵房，在這里大的固體雜質(zhì)被格柵機(jī)過濾掉，然后較稀的污水被提升泵送到旋流沉砂池。在這里，污水由于攪拌機(jī)和吸砂機(jī)的作用，其中的固體顆粒又被去除。下一道工序是污水先被送到SBR池的厭氧池，目的是去磷、脫氮，然后流入好氧池，這里有相應(yīng)的菌種來分解、凈化污水。反應(yīng)池中的污泥細(xì)菌生態(tài)系統(tǒng)維持存活的主要條件一個是污水中的有機(jī)物雜質(zhì)，另一個就是氧氣的供應(yīng)。所以污水處理廠專門設(shè)有鼓風(fēng)機(jī)房，通過池底的管道，直接對污水進(jìn)行曝氣。經(jīng)過處理達(dá)標(biāo)的污水可直接排放，多余的污泥被排泥泵送到脫水機(jī)房，通過脫水處理，污泥被壓干制成餅，用作肥料。
2 系統(tǒng)配置及說明
2.1 總體控制要求及功能
污水處理廠自控系統(tǒng)的要求是對污水處理過程進(jìn)行自動控制和自動調(diào)節(jié)，使處理后的水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到要求的范圍。在公司中控室發(fā)出上傳指令時(shí)，將當(dāng)前時(shí)刻運(yùn)行過程中的主要工作參數(shù)（水質(zhì)參數(shù)、流量、液位等）、運(yùn)行狀態(tài)及一定時(shí)間段內(nèi)的主要工藝過程曲線等信息上傳到公司中控室。
功能如下：
?。?） 控制操作：在中心控制室能對被控設(shè)備進(jìn)行在線實(shí)時(shí)控制，如啟停某一設(shè)備，調(diào)節(jié)某些模擬輸出量的大小，在線設(shè)置PLC的某些參數(shù)等。
?。?） 顯示功能：用圖形實(shí)時(shí)地顯示各現(xiàn)場被控設(shè)備的運(yùn)行工況，以及各現(xiàn)場的狀態(tài)參數(shù)。
?。?） 數(shù)據(jù)管理：依據(jù)不同運(yùn)行參數(shù)的變化快慢和重要程度，建立生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)庫，存儲生產(chǎn)原始數(shù)據(jù)，供統(tǒng)計(jì)分析使用。利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析，得出一些有用的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，有利于優(yōu)化SBR池的準(zhǔn)閉環(huán)控制，并把一些必要的參數(shù)和結(jié)果顯示到實(shí)時(shí)畫面和報(bào)表中去。
?。?） 報(bào)警功能：當(dāng)某一模擬量（如電流、壓力、水位等）測量值超過給定范圍或某一開關(guān)量（如電機(jī)啟停、閥門開關(guān)）閥發(fā)生變位時(shí)，可根據(jù)不同的需要發(fā)出不同等級的報(bào)警。
?。?） 打印功能：可以實(shí)現(xiàn)報(bào)表和圖形打印以及各種事件和報(bào)警實(shí)時(shí)打印。打印方式可分為：定時(shí)打印、事件觸發(fā)打印?！?/span>
2.2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
如果采用常規(guī)PLC集中控制方式，將現(xiàn)場信號通過電纜連接到集中控制室內(nèi)的PLC上,由于工藝線路長、現(xiàn)場控制點(diǎn)分布范圍廣，需要敷設(shè)大量的電纜及橋架,且現(xiàn)場環(huán)境惡劣、其施工難度非常大。鑒于此，采用了PROFIBUS-DP" title="PROFIBUS-DP">PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)，根據(jù)工藝劃分，系統(tǒng)共設(shè)了三個主站、五個子站、兩個操作員站。采用西門子的S7-300系列PLC，主站采用CPU315-2DP，其帶有一個DP通訊口和一個MPI口。子站采用通用性較好的ET200M現(xiàn)場模塊，用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和控制，并借助Profibus(工業(yè)現(xiàn)場總線)，方便控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建立。
控制系統(tǒng)分為三個級別，即現(xiàn)場級、控制級、管理級。
2.2.1管理級
管理級集中監(jiān)控各個分站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。管理級現(xiàn)場總線選擇Profibus-FMS總線，兩臺安裝組態(tài)軟件的冗余服務(wù)器作為PROFIBUS- FMS現(xiàn)場總線的主站，安裝在控制室內(nèi)，可以同時(shí)收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)。服務(wù)器采用WinCC 組態(tài)軟件，并配有服務(wù)器軟件包選項(xiàng)。
SIMATIC S7-314、MDS2701無線電臺負(fù)責(zé)與公司的無線數(shù)據(jù)通訊。
2.2.2控制級
控制級主要功能是接收管理層設(shè)置的參數(shù)或命令，對污水處理生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，將現(xiàn)場狀態(tài)輸送到管理層。PLC1和PLC2分別由一個電源模塊 PS 307和一個CPU315-2 DP模塊組成，它們互為熱備,集中處理所有的控制算法、監(jiān)控設(shè)備的自動運(yùn)行。集中控制使得整個污水廠控制系統(tǒng)各個部分之間能夠完全協(xié)調(diào)工作。
2.2.3現(xiàn)場級
現(xiàn)場級控制采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的冗余十分簡單。ET200M遠(yuǎn)程單元通過兩個IM153-2總線接口模塊" title="接口模塊">接口模塊分別連接在兩條PROFIBUS-DP總線上。污水廠配置有6個ET200M遠(yuǎn)程單元，其中兩個在SBR池，其余四個分別在進(jìn)水泵房、出水泵房、鼓風(fēng)機(jī)房和污泥脫水機(jī)房。每個ET200M單元均由2個IM153-2總線接口模塊和其他若干數(shù)字量、模擬量輸入輸出模塊組成。IM153-2總線接口模塊通過總線接收主控主站的命令，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制，其中只有主控PLC的命令生效，而熱備PLC的命令被忽略。數(shù)字量、模擬量輸入輸出模塊的數(shù)量和配置由當(dāng)?shù)氐乃杩刂坪筒杉狞c(diǎn)數(shù)所決定。
3 系統(tǒng)軟件
主控單元S7-300PLC的控制程序采用Step7軟件進(jìn)行編寫，STEP7是SIEMENS開發(fā)的應(yīng)用于S7-300/S7400PLC的編程軟件，運(yùn)行在WindowsNT或Windows98操作系統(tǒng)中，在自動化工程各方面具有友好的用戶功能。該程序采用模塊化編程結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)維護(hù)和擴(kuò)展。
4 結(jié)語
此控制系統(tǒng)于2002年9月調(diào)試完畢，運(yùn)行至今系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。極大地提高了勞動生產(chǎn)率，該系統(tǒng)有效地解決了生產(chǎn)中的很多問題，如減少了生產(chǎn)過程中的突發(fā)故障，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間和搶修時(shí)間，減少了工人的勞動強(qiáng)度，為污水處理廠創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，達(dá)到了節(jié)能、降耗的目的。在生產(chǎn)管理上了一個新臺階。