摘 要：以海寧市污水處理廠的軟件冗余現(xiàn)場總線控制系統(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)及工作原理進行了說明。運用表明，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、可靠、控制性能好等優(yōu)點。

PROFIBUS是德國于90年代初制訂的國家工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議標準,代號DIN19245。它是一種國際化的開放式現(xiàn)場總線標準,即EN50170歐洲現(xiàn)場總線標準。該標準為供應(yīng)商和用戶的投資提供了最佳的保護并確保供應(yīng)商的獨立自主性。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)和從設(shè)備(從站)。主站決定總線上的數(shù)據(jù)通信。當主站得到總線控制權(quán)時,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或當主站發(fā)出請求時向它發(fā)送信息。

一、工藝簡介

傳統(tǒng)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(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(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)、鼓風機房控制系統(tǒng)，脫水機房控制系統(tǒng)等。城市污水管網(wǎng)收集到的污水經(jīng)泵站加壓到進水泵房，在這里大的固體雜質(zhì)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(yīng)的菌種來分解、凈化污水。反應(yīng)池中的污泥細菌生態(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)有鼓風機房，通過池底的管道，直接對污水進行曝氣。經(jīng)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(tǒng)配置及說明

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行自動控制和自動調(diào)節(jié)，使處理后的水質(zhì)指標達到要求的范圍。在公司中控室發(fā)出上傳指令時，將當前時刻運行過程中的主要工作參數(shù)（水質(zhì)參數(shù)、流量、液位等）、運行狀態(tài)及一定時間段內(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：

（1）控制操作：在中心控制室能對被控設(shè)備進行在線實時控制，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。

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

（3）數(shù)據(jù)管理：依據(jù)不同運行參數(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)計分析使用。利用實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行比較和分析，得出一些有用的經(jīng)驗參數(shù)，有利于優(yōu)化SBR池的準閉環(huán)控制，并把一些必要的參數(shù)和結(jié)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(guān)量（如電機啟停、閥門開關(guān)）閥發(fā)生變位時，可根據(jù)不同的需要發(fā)出不同等級的報警。

（5）打印功能：可以實現(xiàn)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(fā)打印。

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。

（1）管理級管理級集中監(jiān)控各個分站設(shè)備的運行狀態(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。SIMATIC S7-314、MDS2701無線電臺負責與公司的無線數(shù)據(jù)通訊。

（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。

（3）現(xiàn)場級現(xiàn)場級控制采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線，實現(xiàn)控制系統(tǒng)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(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?shù)氐乃杩刂坪筒杉狞c數(shù)所決定。

三、系統(tǒng)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(fā)的應(yīng)用于S7-300/S7400PLC的編程軟件，運行在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)維護和擴展。

四、結(jié)束語此控制系統(tǒng)于2002年9月調(diào)試完畢，運行至今系統(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(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益和社會效益，達到了節(jié)能、降耗的目的。在生產(chǎn)管理上了一個新臺階。