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Profibus现场总线在污水处理控制系统中的应用 |
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作者：上海交通大学 谢鲲 |
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本文以海宁市污水处理厂的软件冗余现场总线控制系统为例，论述了总线和冗余技术在污水处理领域的应用。对系统的硬件、软件结构及工作原理进行了说明。运用表明，该系统能够满足污水处理的自动控制要求，并且具有先进、可靠、控制性能好等优点。
PROFIBUS是德国于90年代初制订的国家工业现场总线协议标准，代号DIN19245。它是一种国际化的开放式现场总线标准，即EN50170欧洲现场总线标准。该标准为供应商和用户的投资提供了最佳的保护并确保供应商的独立自主性。PROFIBUS具体规定了串行现场总线的技术和功能特性，它可使分散式数字化控制器从现场底层到车间及网络化。PROFIBUS分为主设备(主站)和从设备(从站)。主站决定总线上的数据通信。当主站得到总线控制权时，不用外界请求就可以主动发送信息。从站为外围设备，典型的从站包括:输入/输出装置、阀门、驱动器和测量变送器。它们没有总线控制权，仅对接收到的信息给予确认或当主站发出请求时向它发送信息。
1 工艺简介
传统的活性污泥处理工艺存在基建投资高、运行费用高以及电耗高等问题。SBR(Sequence Batch Reactor)序批式处理工艺是近年来国际上比较先进的污水处理方法。虽然在上个世纪初，国外就已经研究出这种工艺，但是至今国内各大污水处理厂真正采用它的还不多。主要原因就是它对时间要求比较严格，对自控要求比较苛刻。采用SBR工艺的污水处理厂地点分散，设备量大，各个工作段位要求衔接紧密，设备间密切配合，这正给Profibus现场总线提供了用武之地。
图1 SBR污水处理流程
SBR污水处理控制系统主要包括：进水泵房控制系统、旋流沉砂池控制系统、主反应池控制系统、出水泵房控制系统、鼓风机房控制系统，脱水机房控制系统等。
城市污水管网收集到的污水经泵站加压到进水泵房，在这里大的固体杂质被格栅机过滤掉，然后较稀的污水被提升泵送到旋流沉砂池。在这里，污水由于搅拌机和吸砂机的作用，其中的固体颗粒又被去除。下一道工序是污水先被送到SBR池的厌氧池，目的是去磷、脱氮，然后流入好氧池，这里有相应的菌种来分解、净化污水。反应池中的污泥细菌生态系统维持存活的主要条件一个是污水中的有机物杂质，另一个就是氧气的供应。所以污水处理厂专门设有鼓风机房，通过池底的管道，直接对污水进行曝气。经过处理达标的污水可直接排放，多余的污泥被排泥泵送到脱水机房，通过脱水处理，污泥被压干制成饼，用作肥料。
2 系统配置及说明
2.1 总体控制要求及功能
污水处理厂自控系统的要求是对污水处理过程进行自动控制和自动调节，使处理后的水质指标达到要求的范围。在公司中控室发出上传指令时，将当前时刻运行过程中的主要工作参数（水质参数、流量、液位等）、运行状态及一定时间段内的主要工艺过程曲线等信息上传到公司中控室。
功能如下：
(1) 控制操作：在中心控制室能对被控设备进行在线实时控制，如启停某一设备，调节某些模拟输出量的大小，在线设置PLC的某些参数等。
(2) 显示功能：用图形实时地显示各现场被控设备的运行工况，以及各现场的状态参数。
(3) 数据管理：依据不同运行参数的变化快慢和重要程度，建立生产历史数据库，存储生产原始数据，供统计分析使用。利用实时数据库和历史数据库中的数据进行比较和分析，得出一些有用的经验参数，有利于优化SBR池的准闭环控制，并把一些必要的参数和结果显示到实时画面和报表中去。
(4) 报警功能：当某一模拟量（如电流、压力、水位等）测量值超过给定范围或某一开关量（如电机启停、阀门开关）阀发生变位时，可根据不同的需要发出不同等级的报警。
(5) 打印功能：可以实现报表和图形打印以及各种事件和报警实时打印。打印方式可分为：定时打印、事件触发打印。
2.2 控制系统网络结构
如果采用常规PLC集中控制方式，将现场信号通过电缆连接到集中控制室内的PLC上，由于工艺线路长、现场控制点分布范围广，需要敷设大量的电缆及桥架，且现场环境恶劣、其施工难度非常大。鉴于此，采用了PROFIBUS-DP现场总线技术，根据工艺划分，系统共设了三个主站、五个子站、两个操作员站。采用西门子的S7-300系列PLC，主站采用CPU315-2DP，其带有一个DP通讯口和一个MPI口。子站采用通用性较好的ET200M现场模块，用于现场数据的采集和控制，并借助Profibus(工业现场总线)，方便控制网络系统的建立。
控制系统分为三个级别，即现场级、控制级、管理级。
2.2.1 管理级
管理级集中监控各个分站设备的运行状态。管理级现场总线选择Profibus-FMS总线，两台安装组态软件的冗余服务器作为PROFIBUS-FMS现场总线的主站，安装在控制室内，可以同时收集现场数据。服务器采用WinCC 组态软件，并配有服务器软件包选项。
SIMATIC S7-314、MDS2701无线电台负责与公司的无线数据通讯。
2.2.2 控制级
控制级主要功能是接收管理层设置的参数或命令，对污水处理生产过程进行控制，将现场状态输送到管理层。PLC1和PLC2分别由一个电源模块PS 307和一个CPU315-2 DP模块组成，它们互为热备，集中处理所有的控制算法、监控设备的自动运行。集中控制使得整个污水厂控制系统各个部分之间能够完全协调工作。
2.2.3 现场级
现场级控制采用PROFIBUS-DP现场总线，实现控制系统的冗余十分简单。ET200M远程单元通过两个IM153-2总线接口模块分别连接在两条PROFIBUS-DP总线上。污水厂配置有6个ET200M远程单元，其中两个在SBR池，其余四个分别在进水泵房、出水泵房、鼓风机房和污泥脱水机房。每个ET200M单元均由2个IM153-2总线接口模块和其他若干数字量、模拟量输入输出模块组成。IM153-2总线接口模块通过总线接收主控主站的命令，实现数据采集和设备控制，其中只有主控PLC的命令生效，而热备PLC的命令被忽略。数字量、模拟量输入输出模块的数量和配置由当地的所需控制和采集的点数所决定。
图2 控制系统结构图
3 系统软件
主控单元S7-300PLC的控制程序采用Step7软件进行编写，STEP7是SIEMENS开发的应用于S7-300/S7400PLC的编程软件，运行在WindowsNT或Windows98操作系统中，在自动化工程各方面具有友好的用户功能。该程序采用模块化编程结构，便于系统维护和扩展。
图3 软件流程图
4 结语
此控制系统于2002年9月调试完毕，运行至今系统稳定、可靠。极大地提高了劳动生产率，该系统有效地解决了生产中的很多问题，如减少了生产过程中的突发故障，缩短了生产准备时间和抢修时间，减少了工人的劳动强度，为污水处理厂创造了可观的经济效益和社会效益，达到了节能、降耗的目的。在生产管理上了一个新台阶。(end)
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(6/29/2005) |
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