Profibus現場總線在污水處理控制系統中的應用

摘 要：以海寧市污水處理廠的軟件冗余現場總線控制系統為例，論述了總線和冗余技術在污水處理領域的應用。對系統的硬件、軟件結構及工作原理進行了說明。運用表明，該系統能夠滿足污水處理的自動控制要求，并且具有先進、可靠、控制性能好等優點。

PROFIBUS是德國于90年代初制訂的國家工業現場總線協議標準,代號DIN19245。它是一種國際化的開放式現場總線標準,即EN50170歐洲現場總線標準。該標準為供應商和用戶的投資提供了最佳的保護并確保供應商的獨立自主性。PROFIBUS具體規定了串行現場總線的技術和功能特性,它可使分散式數字化控制器從現場底層到車間及網絡化。PROFIBUS分為主設備(主站)和從設備(從站)。主站決定總線上的數據通信。當主站得到總線控制權時,不用外界請求就可以主動發送信息。從站為外圍設備,典型的從站包括:輸入/輸出裝置、閥門、驅動器和測量變送器。它們沒有總線控制權,僅對接收到的信息給予確認或當主站發出請求時向它發送信息。

一、工藝簡介

傳統的活性污泥處理工藝存在基建投資高、運行費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的污水處理方法。雖然在上個世紀初，國外就已經研究出這種工藝，但是至今國內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間要求比較嚴格，對自控要求比較苛刻。采用SBR工藝的污水處理廠地點分散，設備量大，各個工作段位要求銜接緊密，設備間密切配合，這正給Profibus現場總線提供了用武之地。

SBR污水處理控制系統主要包括：進水泵房控制系統、旋流沉砂池控制系統、主反應池控制系統、出水泵房控制系統、鼓風機房控制系統，脫水機房控制系統等。城市污水管網收集到的污水經泵站加壓到進水泵房，在這里大的固體雜質被格柵機過濾掉，然后較稀的污水被提升泵送到旋流沉砂池。在這里，污水由于攪拌機和吸砂機的作用，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，這里有相應的菌種來分解、凈化污水。反應池中的污泥細菌生態系統維持存活的主要條件一個是污水中的有機物雜質，另一個就是氧氣的供應。所以污水處理廠專門設有鼓風機房，通過池底的管道，直接對污水進行曝氣。經過處理達標的污水可直接排放，多余的污泥被排泥泵送到脫水機房，通過脫水處理，污泥被壓干制成餅，用作肥料。

二、系統配置及說明

1、總體控制要求及功能污水處理廠自控系統的要求是對污水處理過程進行自動控制和自動調節，使處理后的水質指標達到要求的范圍。在公司中控室發出上傳指令時，將當前時刻運行過程中的主要工作參數（水質參數、流量、液位等）、運行狀態及一定時間段內的主要工藝過程曲線等信息上傳到公司中控室。功能如下：

（1）控制操作：在中心控制室能對被控設備進行在線實時控制，如啟停某一設備，調節某些模擬輸出量的大小，在線設置PLC的某些參數等。

（2）顯示功能：用圖形實時地顯示各現場被控設備的運行工況，以及各現場的狀態參數。

（3）數據管理：依據不同運行參數的變化快慢和重要程度，建立生產歷史數據庫，存儲生產原始數據，供統計分析使用。利用實時數據庫和歷史數據庫中的數據進行比較和分析，得出一些有用的經驗參數，有利于優化SBR池的準閉環控制，并把一些必要的參數和結果顯示到實時畫面和報表中去。

（4）報警功能：當某一模擬量（如電流、壓力、水位等）測量值超過給定范圍或某一開關量（如電機啟停、閥門開關）閥發生變位時，可根據不同的需要發出不同等級的報警。

（5）打印功能：可以實現報表和圖形打印以及各種事件和報警實時打印。打印方式可分為：定時打印、事件觸發打印。

2、控制系統網絡結構如果采用常規PLC集中控制方式，將現場信號通過電纜連接到集中控制室內的PLC上,由于工藝線路長、現場控制點分布范圍廣，需要敷設大量的電纜及橋架,且現場環境惡劣、其施工難度非常大。鑒于此，采用了PROFIBUS-DP現場總線技術，根據工藝劃分，系統共設了三個主站、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現場模塊，用于現場數據的采集和控制，并借助Profibus(工業現場總線)，方便控制網絡系統的建立。控制系統分為三個級別，即現場級、控制級、管理級。

（1）管理級管理級集中監控各個分站設備的運行狀態。管理級現場總線選擇Profibus-FMS總線，兩臺安裝組態軟件的冗余服務器作為PROFIBUS-FMS現場總線的主站，安裝在控制室內，可以同時收集現場數據。服務器采用WinCC 組態軟件，并配有服務器軟件包選項。SIMATIC S7-314、MDS2701無線電臺負責與公司的無線數據通訊。

（2）控制級控制級主要功能是接收管理層設置的參數或命令，對污水處理生產過程進行控制，將現場狀態輸送到管理層。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、監控設備的自動運行。集中控制使得整個污水廠控制系統各個部分之間能夠完全協調工作。

（3）現場級現場級控制采用PROFIBUS-DP現場總線，實現控制系統的冗余十分簡單。ET200M遠程單元通過兩個IM153-2總線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遠程單元，其中兩個在SBR池，其余四個分別在進水泵房、出水泵房、鼓風機房和污泥脫水機房。每個ET200M單元均由2個IM153-2總線接口模塊和其他若干數字量、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，實現數據采集和設備控制，其中只有主控PLC的命令生效，而熱備PLC的命令被忽略。數字量、模擬量輸入輸出模塊的數量和配置由當地的所需控制和采集的點數所決定。

三、系統軟件主控單元S7-300PLC的控制程序采用Step7軟件進行編寫，STEP7是SIEMENS開發的應用于S7-300/S7400PLC的編程軟件，運行在WindowsNT或Windows98操作系統中，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構，便于系統維護和擴展。

四、結束語此控制系統于2002年9月調試完畢，運行至今系統穩定、可靠。極大地提高了勞動生產率，該系統有效地解決了生產中的很多問題，如減少了生產過程中的突發故障，縮短了生產準備時間和搶修時間，減少了工人的勞動強度，為污水處理廠創造了可觀的經濟效益和社會效益，達到了節能、降耗的目的。在生產管理上了一個新臺階。