基于Profibus總線的軟冗余污水處理控制系統(tǒng)

　　一、項(xiàng)目簡介
　　
　　浙江省海寧市污水處理工程是浙江省重點(diǎn)建設(shè)工程。整個(gè)工程分為兩部分：*部分為污水監(jiān)測、收集泵站。污水收集管道將收集到的污水經(jīng)過格柵初步過濾后送至收集泵站的集水井，泵站將收集到的污水經(jīng)管道輸送到污水處理廠；第二部分是污水處理廠將管道輸送來的污水再次過濾、沉淀后，送入反應(yīng)池進(jìn)行生化處理。污水處理后分為兩部分，一是處理后的水，直接排入河流或再利用；另一部分是污泥，將污泥送入脫水機(jī)房，進(jìn)行脫水處理，作為有機(jī)肥料。
　　
　　海寧污水處理工程自動(dòng)控制系統(tǒng)采用了世界上的自動(dòng)化生產(chǎn)商一一西門子公司的控制系統(tǒng)與設(shè)備，對(duì)整個(gè)污水處理過程進(jìn)行監(jiān)控，有效地降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)污水處理的自動(dòng)化。上位機(jī)4采用了西門子公司的組態(tài)軟件WinCC5.0版，用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理及實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口功能。控制器4采用了西門子公司的S7-300系列PLC，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)污水處理過程的自動(dòng)監(jiān)控。　　　　　　
　　二、系統(tǒng)介紹
　　
　　1．處理工藝
　　
　　進(jìn)入二十一世紀(jì)，我國的環(huán)保事業(yè)迅速發(fā)展，工業(yè)廢水、生活污水的凈化處理成為當(dāng)務(wù)之急。投資少、運(yùn)行靈活的CASS處理工藝得到廣泛的應(yīng)用。CASS具有占地面積小、工藝流程簡單、對(duì)水量水質(zhì)變化適應(yīng)性強(qiáng)、能同時(shí)脫氮除磷等優(yōu)點(diǎn)。CASS(CyclicActivatedSludgeSystem)工藝是循環(huán)活性污泥技術(shù)(CAST)的一種形式。該工藝是在SBR工藝和氧化溝技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，目前正得到深入研究，并且已經(jīng)在實(shí)際廢水處理工程中得到應(yīng)用。CASS工藝運(yùn)行過程包括充水一曝氣、沉淀(泥水分離)、上清液潷出和充水一閑置等4個(gè)階段，并組成其運(yùn)行的一個(gè)周期。對(duì)污水處理工藝進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測和適時(shí)控制是提高污水處理效率、降低處理能耗的關(guān)鍵。程序以各反應(yīng)段的時(shí)間為控制參數(shù)，或以調(diào)節(jié)池水位、曝氣池水位和各反應(yīng)段時(shí)間聯(lián)合作為控制參數(shù)；實(shí)時(shí)控制鼓風(fēng)機(jī)、水泵、電動(dòng)閥等設(shè)備及曝氣、沉淀時(shí)間等，以達(dá)到自動(dòng)控制處理過程。
　　
　　由此可見，污水處理是一個(gè)多參量(如液位、水質(zhì)成分、流量、壓力等)、多任務(wù)(如污水輸送、風(fēng)量控制、水泵的起停等)，多設(shè)備(如格柵機(jī)、水泵、鼓風(fēng)機(jī)、閥門等)，而且具有隨機(jī)性、時(shí)變性和耦合性的復(fù)雜系統(tǒng)。因此，污水處理工程應(yīng)由一個(gè)智能測控與綜合管理系統(tǒng)來進(jìn)行現(xiàn)代化的管理，使之達(dá)到*水平。
　　
　　2．系統(tǒng)設(shè)備組成
　　
　　系統(tǒng)采用了分布式I/O系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)。兩個(gè)CPUS7-315DP的PLC組成主站，系統(tǒng)之間通過MPI協(xié)議進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)軟冗余。兩個(gè)PLC互為備份，運(yùn)行時(shí)，主站APLC控制系統(tǒng)的運(yùn)行；備用站B監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行，當(dāng)主站A發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到B站，并按照A上個(gè)循環(huán)周期交換的信息繼續(xù)在原來的狀態(tài)下控制系統(tǒng)的運(yùn)行，避免了生產(chǎn)過程從頭開始。PLC通過DP總線與連接到總線上的從站ET200M進(jìn)行信息交換，讀取從站采集到的數(shù)據(jù)，并且發(fā)送控制質(zhì)量。從站裝有冗余接口模塊IM153-2，當(dāng)主站PLC發(fā)生故障時(shí)，從站自動(dòng)切換到備用PLC的總線上，從而保證了整個(gè)系統(tǒng)的繼續(xù)工作。現(xiàn)場的信號(hào)通過安裝在從站ET200M上的分布式I/O模塊，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸送到控制器PLC中進(jìn)行處理。同理，PLC發(fā)出的控制指令通過現(xiàn)場的分布式I/O模塊發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。采用現(xiàn)場總線可以將數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)化放到設(shè)備現(xiàn)場，避免了信號(hào)的干擾，節(jié)省大量的電纜。
　　　　　　         三、控制系統(tǒng)構(gòu)成
　　
　　根據(jù)全集成自動(dòng)化的思想，將污水廠控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場級(jí)、控制級(jí)、管理級(jí)。
　　
　　1．管理級(jí)
　　
　　管理級(jí)現(xiàn)場總線選擇Profibus-FMS總線，冗余服務(wù)器作為Profibus-FMS現(xiàn)場總線的主站，通過通信卡CP5613與Profibus-FMS現(xiàn)場總線連接。
　　
　　2．控制級(jí)
　　
　　控制級(jí)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，也是管理級(jí)與現(xiàn)場級(jí)之間的樞紐層。其主要功能是接受管理層設(shè)置的參數(shù)或命令，對(duì)污水處理生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，同時(shí)將現(xiàn)場狀態(tài)輸送到管理層。控制級(jí)要求具有高可靠性，所以在系統(tǒng)的關(guān)鍵部分中要采用冗余技術(shù)。控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，所以在控制級(jí)中，采用兩個(gè)CPU315-2DP型PLC組成冗余控制器，兩個(gè)PLC之間通過并行總線通訊，進(jìn)行信息交換，相互監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備冗余。每個(gè)PLC上安裝一塊Profibus-FMS通信模塊CP與Profibus-FMS現(xiàn)場總線連接，PLC作為Profibus-FMS現(xiàn)場總線的從站，作為控制系統(tǒng)的下位機(jī)，通過總線與上位機(jī)通信。
　　
　　西門子公司S7315-2DP型號(hào)PLC具有Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)通訊接口，可作為Profibus-DP現(xiàn)場總線的主站。兩個(gè)S7315-2DP主站建立冗余配置的Profibus-DP現(xiàn)場總線系統(tǒng)，與控制現(xiàn)場的遠(yuǎn)程分布式智能I/O模塊連接，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場設(shè)備和傳感器通信。
　　
　　3．現(xiàn)場級(jí)
　　
　　現(xiàn)場級(jí)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)。現(xiàn)場級(jí)主要由一次儀表(如液位計(jì)、DO傳感器等)、控制設(shè)備等組成。其功能主要是對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)、傳感器參數(shù)進(jìn)行檢測，并把檢測到的數(shù)據(jù)上傳；接受控制級(jí)的指令對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。由于設(shè)備比較分散，在傳統(tǒng)的工廠內(nèi)，輸入，輸出信號(hào)連接到一個(gè)集中的機(jī)架，在設(shè)備改變和系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，導(dǎo)致接線工作量大、成本高、柔性度低。通過開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場總線系統(tǒng)來連接部件，應(yīng)用ET200分布式I/O是解決這些問題的*方案。分布式配置意味著，可編程序控制器、I/O模塊和現(xiàn)場設(shè)備通過稱為現(xiàn)場總線的信號(hào)電纜連接。將輸入，輸出模塊轉(zhuǎn)換成就地檢測器和執(zhí)行器，可就地轉(zhuǎn)換和處理過程信號(hào)，不像集中配置那樣進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。在控制點(diǎn)比較集中的控制現(xiàn)場配置一個(gè)遠(yuǎn)程分布式智能I，O模塊ET200M，現(xiàn)場I/O信號(hào)直接輸入I/O模塊，每個(gè)ET200M模塊上安裝有兩塊IM153-2型號(hào)的帶有Profibus-DP接口的模塊，與冗余Profibus-DP現(xiàn)場總線分別連接。
　　
　　4．冗余控制
　　
　　在以上的配置中，系統(tǒng)采用了軟件冗余技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的雙機(jī)熱備冗余。兩個(gè)系統(tǒng)分別標(biāo)記為A、B站，兩個(gè)站的地位是相同的，程序相同，只是通信地址不同。系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，首先起動(dòng)運(yùn)行A站(或B站)，然后起動(dòng)運(yùn)行B站(或A站)，先起動(dòng)的站作為主控制系統(tǒng)，后起動(dòng)的系統(tǒng)作為備用系統(tǒng)監(jiān)視主系統(tǒng)的運(yùn)行。在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，兩個(gè)系統(tǒng)相互交換自身的系統(tǒng)狀態(tài)，同時(shí)主系統(tǒng)向備份系統(tǒng)傳遞程序的重要備份信息(如參數(shù)、狀態(tài)等)。當(dāng)主站控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)(如總線斷開、CPU故障等)，主控系統(tǒng)將控制權(quán)交給備份系統(tǒng)，備份系統(tǒng)按照主控系統(tǒng)傳遞的狀態(tài)繼續(xù)使程序往下運(yùn)行，避免從頭開始。這時(shí)備份系統(tǒng)變?yōu)橹骺叵到y(tǒng)，原先的控制系統(tǒng)消除故障后，重新投入變?yōu)榱藗浞菹到y(tǒng)。
　　
　　由于系統(tǒng)采用了軟件冗余技術(shù)，在成本增加不大的情況下，使整個(gè)控制系統(tǒng)具有*的可靠性，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。根據(jù)以上設(shè)計(jì)思想和關(guān)鍵技術(shù)方案分析得出系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖(見圖3)。　　　　　　
　　四、系統(tǒng)功能
　　
　　根據(jù)以上情況，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)了兩種控制程序，可根據(jù)實(shí)際情況由上位機(jī)選擇運(yùn)行程序。
　　
　　1．生物濃度法控制程序
　　
　　生物濃度法采用反饋控制，利用在線測得的進(jìn)水水質(zhì)參數(shù)(COD、SS、PH、溫度等)作為輸入，按照預(yù)先確定好的控制模型進(jìn)行運(yùn)算，然后用計(jì)算的結(jié)果作為輸出，控制現(xiàn)場的設(shè)備(進(jìn)水閥門、曝氣閥門，攪拌機(jī)等)，動(dòng)態(tài)的控制反應(yīng)時(shí)間(厭氧反應(yīng)時(shí)間、耗氧反應(yīng)時(shí)間、沉淀時(shí)間等)，以達(dá)到控制反應(yīng)的目的。控制系統(tǒng)能根據(jù)進(jìn)水量、溶解氧、進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)(COD及PH等)、出水水質(zhì)要求等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，自動(dòng)調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行狀況，以達(dá)到*的效果及的運(yùn)行。
　　
　　2．時(shí)間控制程序
　　
　　時(shí)間控制程序是根據(jù)對(duì)SBR反應(yīng)池的五個(gè)運(yùn)行階段所需要的時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)控制。該方法不是根據(jù)污水的水質(zhì)變化來改變某些運(yùn)行參數(shù)而進(jìn)行自適應(yīng)控制。對(duì)于進(jìn)水時(shí)間、曝氣時(shí)間、沉淀時(shí)間、排水時(shí)間及閑置時(shí)間均可由上位機(jī)設(shè)定。SBR反應(yīng)池的各段工藝過程及其執(zhí)行時(shí)間均嚴(yán)格按時(shí)序進(jìn)行，每個(gè)反應(yīng)池的任何設(shè)備均可通過電氣柜上的手動(dòng)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)改變其狀態(tài)，但均不能改變PLC所設(shè)定的工作時(shí)序，并且一旦切入自動(dòng)狀態(tài)后便進(jìn)入PLC所設(shè)定的時(shí)序。在自動(dòng)狀態(tài)下，操作人員在中心控制室可以通過人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控操作。現(xiàn)場設(shè)備的工作狀態(tài)均送上位機(jī)顯示。　　　　　　　　
　　五、結(jié)束語
　　
　　整個(gè)系統(tǒng)于2002年10投入運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，盡管污水腐蝕性非常大，但設(shè)備沒有出現(xiàn)不正常運(yùn)行的情況。用戶對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行非常滿意，表示二期將繼續(xù)采用該系統(tǒng)建設(shè)。污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)中采用現(xiàn)場總線和冗余技術(shù)提高了信號(hào)傳輸?shù)木群蜏?zhǔn)確性，解決了傳統(tǒng)控制方案中敷線過多的問題，提高了系統(tǒng)的可靠性和擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)了污水處理的自動(dòng)控制，提高了污水處理的效率和效果，同時(shí)降低了能耗，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。
　　
　　六、應(yīng)用體會(huì)
　　
　　在項(xiàng)目的安裝調(diào)試過程中，對(duì)西門子產(chǎn)品的性能和特點(diǎn)有了更進(jìn)一步的了解，積累了一些經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)。
　　
　　首先，西門子自動(dòng)化產(chǎn)品的硬件質(zhì)量是非常過硬的，如果出現(xiàn)問題一般不會(huì)是硬件問題，應(yīng)該查找參數(shù)設(shè)置是否正確，如對(duì)于DP總線，當(dāng)距離比較長時(shí)，應(yīng)當(dāng)降低通信速率，否則就會(huì)出現(xiàn)通信故障，如出現(xiàn)時(shí)斷時(shí)通的現(xiàn)象。
　　
　　其次，注意合理設(shè)置CPU的PC連接數(shù)量，如果設(shè)置的太多，當(dāng)超出設(shè)置的zui大連接數(shù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)通信時(shí)斷時(shí)通的情況，尤其是在冗余系統(tǒng)中特別注意。冗余系統(tǒng)中PLC-般要與多臺(tái)上位機(jī)通信，保證在下位機(jī)控制器切換后相應(yīng)的上位機(jī)也同時(shí)實(shí)現(xiàn)切換。當(dāng)同時(shí)連接數(shù)超過設(shè)定zui大值時(shí)，上位機(jī)WinCC界面會(huì)出現(xiàn)黑屏現(xiàn)象，即同時(shí)與連接該P(yáng)LC的上位機(jī)交替接通連接。比如，一般CPU默認(rèn)設(shè)置連接PCzui大數(shù)為3，當(dāng)上位機(jī)出現(xiàn)4個(gè)同時(shí)與該CPU通信時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象。
　　
　　第三，模擬量輸入信號(hào)要與輸入通道共地，否則會(huì)出現(xiàn)采集信號(hào)與輸入信號(hào)不一致的現(xiàn)象。
　　
　　zui后，要注意的是在軟冗余系統(tǒng)中，控制器之間通信采用的協(xié)議要根據(jù)交換數(shù)據(jù)量的大小和實(shí)時(shí)性要求合理選用。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高并且通信數(shù)據(jù)量不大的情況，可以采用MPI協(xié)議，這樣可以降低成本；對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高并且通信量大的情況，一般采用Profibus協(xié)議，基本能夠滿足要求。