PROFIBUS分布式IO在上海某污水處理廠的應用
摘要
上海某污水處理廠處理能力在1萬m³/日。控制系統選用S7-300 PLC加PROFIBUS分布式IO是一種即經濟又切合實際的解決方案。由于PROFIBUS是國際現場總線標準，具有開放性好、第三方產品種類多、產品互換性兼容性好的特點。本系統選用北京鼎實科技的PROFIBUS分布式IO連接西門子S7-300 PLC，不僅使系統性能價格比提高，還增加了在線IO模塊診斷、安全輸出等功能，值得同行借鑒、推廣。
上海某污水處理廠處理能力在1萬m³/日。控制系統選用S7-300 PLC加PROFIBUS分布式IO是一種即經濟又切合實際的解決方案。由于PROFIBUS是國際現場總線標準，具有開放性好、第三方產品種類多、產品互換性兼容性好的特點。本系統選用北京鼎實科技的PROFIBUS分布式IO連接西門子S7-300 PLC，不僅使系統性能價格比提高，還增加了在線IO模塊診斷、安全輸出等功能，值得同行借鑒、推廣。
1、自控系統的硬件選擇
污水處理主要是順序邏輯控制，這正是PLC控制的優勢所在。在此工程中，PROFIBUS主站選S7-300 PLC，分布式IO選用北京鼎實公司DS300B系列PROFIBUS分布式IO。DS300B系列是可擴展模塊。PROFIBUS通訊適配器CC-PB-1.0帶有標準PROFIBUS-DP接口，開關量、模擬量模塊通過冗余的CAN BUS進行擴展，最多可以擴展16個模塊。各種單獨的模塊之間可進行廣泛的組合以用于擴展。人機界面選用昆侖通態品牌，并配北京鼎實公司的PROFIBUS轉MODBUS橋接模塊，使昆侖通態HMI連接到DP總線上。
污水處理主要是順序邏輯控制，這正是PLC控制的優勢所在。在此工程中，PROFIBUS主站選S7-300 PLC，分布式IO選用北京鼎實公司DS300B系列PROFIBUS分布式IO。DS300B系列是可擴展模塊。PROFIBUS通訊適配器CC-PB-1.0帶有標準PROFIBUS-DP接口，開關量、模擬量模塊通過冗余的CAN BUS進行擴展，最多可以擴展16個模塊。各種單獨的模塊之間可進行廣泛的組合以用于擴展。人機界面選用昆侖通態品牌，并配北京鼎實公司的PROFIBUS轉MODBUS橋接模塊，使昆侖通態HMI連接到DP總線上。
2、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，有利于優化曝氣池的準閉環控制，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。
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，有利于優化曝氣池的準閉環控制，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。
3、系統構成及其布局
如果采用常規集中控制方式，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、施工難度非常大。鑒于此，采用了PROFIBUS現場總線技術，根據工藝劃分，系統共設了兩個主站、兩個子站、兩個操作員站。主站采用CPU315-2DP，子站采用北京鼎實公司DS300B系列分布式IO遠程模塊，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。其自控系統見下圖
如果采用常規集中控制方式，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、施工難度非常大。鑒于此，采用了PROFIBUS現場總線技術，根據工藝劃分，系統共設了兩個主站、兩個子站、兩個操作員站。主站采用CPU315-2DP，子站采用北京鼎實公司DS300B系列分布式IO遠程模塊，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。其自控系統見下圖
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。根據本廠工藝流程和總平面布置，結合馬達控制中心MCC的位置和供配電范圍，按照控制對象的區域、設備數量，以就近采集和單元控制為劃分區域的原則，在曝氣池旁中控室設主站PLC。在進水泵房、脫水機房設兩座現場子站，主站與現場子站之間采用PROFIBUS-DP現場總線。現場子站采用北京鼎實公司DS300B系列分布式IO，每個DS300B由1個PROFIBUS通訊適配器模塊和其它若干數字量、模擬量輸入及輸出模塊組成。
進水泵房現場從站PLC－1監控范圍為粗格柵、進水泵房、細格柵、沉砂池等，其主要控制對象為粗細格柵間的粗細格柵及進水電動閘門、進水泵房的污水提升泵、沉砂池的排砂裝置和砂水分離等設備，此外，還負責進水水質如PH、SS（濁度測量）等參數的在線檢測。其I/O配置為：DI＝138、DO＝58、A1＝16 、AO＝4。
脫水機房現場子站PLC－2監控范圍為脫水機房、儲泥池，其主要控制對象為儲泥池的攪拌器、電動閥門，脫水機房的進泥泵、輸送機、濃縮機、加藥系統等設備。其I/O配置為：DI＝48、DO＝16、Al＝8。
曝氣池主站PLC監控范圍為厭氧池、曝氣池、鼓風機房，主要完成對處理工藝參數的監測控制，如對溶解氧、污泥濃度、pH值、ORP值等參數的測控。對曝氣設備、攪拌設備、排水設備及剩余泵等進行操作控制，以滿足對處理出水水質的要求。其I/O配置為：DI＝184、DO＝60、A1=24。
4、系統軟件計算機操作系統采用Microsoft Windows 2000 Professional中文版操作系統。歷史數據庫采用Microsoft SQLServer 2000中文版軟件。上位機監控軟件采用Wincc5.1組態軟件來實現。
2）MCGS組態軟件實現了對整個系統的開關量、狀態量、電量、模擬量的采集和處理，并顯示在工作站的HMI上；對一些污水處理廠重要的物理量如各個進水泵的電流、頻率、出口壓力等都實時顯示在工作站的主界面上，便于調度員及時掌握系統的運行情況。
3）數據庫服務器上安裝Microsoft SQL2000中文版數據庫軟件，用來儲存整個污水廠重要的歷史數據，通過MCGS與Microsoft SQL 2000的通訊來讀取歷史數據。單獨設計一個數據庫服務器可以避免因為系統局部故障導致歷史數據丟失現象的發生。
4）STEP7可以利用IEC-1131標準中八種編程語言中的6種（STL、LAD、FBD、CFC、SFC和SCL）進行編程。
5、結束語
通過應用北京鼎實公司DS300B系列分布式IO替代西門子ET200方案，在保證工程質量的前提下大大降低了硬件成本。此方案自控系統在該污水處理廠投入使用以來，運行至今系統穩定、可靠。設備具有調試簡單、操作方便、使用安全、效率高、故障率低，污水處理效果好的特點，提高了勞動生產率，同時由于軟硬件均采用模塊化結構，方便了工程技術人員的安裝、調試和維修。
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