PROFIBUS分布式IO在上海某污水處理廠的應(yīng)用
摘要
上海某污水處理廠處理能力在1萬m³/日。控制系統(tǒng)選用S7-300 PLC加PROFIBUS分布式IO是一種即經(jīng)濟(jì)又切合實(shí)際的解決方案。由于PROFIBUS是國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，具有開放性好、第三方產(chǎn)品種類多、產(chǎn)品互換性兼容性好的特點(diǎn)。本系統(tǒng)選用北京鼎實(shí)科技的PROFIBUS分布式IO連接西門子S7-300 PLC，不僅使系統(tǒng)性能價(jià)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(tǒng)選用S7-300 PLC加PROFIBUS分布式IO是一種即經(jīng)濟(jì)又切合實(shí)際的解決方案。由于PROFIBUS是國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，具有開放性好、第三方產(chǎn)品種類多、產(chǎn)品互換性兼容性好的特點(diǎn)。本系統(tǒng)選用北京鼎實(shí)科技的PROFIBUS分布式IO連接西門子S7-300 PLC，不僅使系統(tǒng)性能價(jià)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(tǒng)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(yōu)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(shí)公司DS300B系列PROFIBUS分布式IO。DS300B系列是可擴(kuò)展模塊。PROFIBUS通訊適配器CC-PB-1.0帶有標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS-DP接口，開關(guān)量、模擬量模塊通過冗余的CAN BUS進(jìn)行擴(kuò)展，最多可以擴(kuò)展16個(gè)模塊。各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛的組合以用于擴(kuò)展。人機(jī)界面選用昆侖通態(tài)品牌，并配北京鼎實(shí)公司的PROFIBUS轉(zhuǎn)MODBUS橋接模塊，使昆侖通態(tài)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(yōu)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(shí)公司DS300B系列PROFIBUS分布式IO。DS300B系列是可擴(kuò)展模塊。PROFIBUS通訊適配器CC-PB-1.0帶有標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS-DP接口，開關(guān)量、模擬量模塊通過冗余的CAN BUS進(jìn)行擴(kuò)展，最多可以擴(kuò)展16個(gè)模塊。各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛的組合以用于擴(kuò)展。人機(jī)界面選用昆侖通態(tài)品牌，并配北京鼎實(shí)公司的PROFIBUS轉(zhuǎn)MODBUS橋接模塊，使昆侖通態(tài)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(tǒng)的要求是對污水處理過程進(jìn)行自動控制和自動調(diào)節(jié)，使處理后的水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到要求的范圍；在中控室發(fā)出上傳指令時(shí)，將當(dāng)前時(shí)刻運(yùn)行過程中的主要工作參數(shù)（水質(zhì)參數(shù)、流量、液位等）、運(yùn)行狀態(tài)及一定時(shí)間段內(nèi)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(shè)備進(jìn)行在線實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)地顯示各現(xiàn)場被控設(shè)備的運(yùn)行工況，以及各現(xiàn)場的狀態(tài)參數(shù)。
?。?）數(shù)據(jù)管理：
依據(jù)不同運(yùn)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(jì)分析使用。利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析，得出一些有用的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，有利于優(yōu)化曝氣池的準(zhǔn)閉環(huán)控制，并把一些必要的參數(shù)和結(jié)果顯示到實(shí)時(shí)畫面和報(bào)表中去。
?。?）報(bào)警功能：
當(dāng)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(jī)啟停、閥門開關(guān)）閥發(fā)生變位時(shí)，可根據(jù)不同的需要發(fā)出不同等級的報(bào)警。
?。?）打印功能：
可以實(shí)現(xiàn)報(bào)表和圖形打印以及各種事件和報(bào)警實(shí)時(shí)打印。打印方式可分為：定時(shí)打印、事件觸發(fā)打印。
污水處理廠自控系統(tǒng)的要求是對污水處理過程進(jìn)行自動控制和自動調(diào)節(jié)，使處理后的水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到要求的范圍；在中控室發(fā)出上傳指令時(shí)，將當(dāng)前時(shí)刻運(yùn)行過程中的主要工作參數(shù)（水質(zhì)參數(shù)、流量、液位等）、運(yùn)行狀態(tài)及一定時(shí)間段內(nèi)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(shè)備進(jìn)行在線實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)地顯示各現(xiàn)場被控設(shè)備的運(yùn)行工況，以及各現(xiàn)場的狀態(tài)參數(shù)。
?。?）數(shù)據(jù)管理：
依據(jù)不同運(yùn)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(jì)分析使用。利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析，得出一些有用的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，有利于優(yōu)化曝氣池的準(zhǔn)閉環(huán)控制，并把一些必要的參數(shù)和結(jié)果顯示到實(shí)時(shí)畫面和報(bào)表中去。
?。?）報(bào)警功能：
當(dāng)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(jī)啟停、閥門開關(guān)）閥發(fā)生變位時(shí)，可根據(jù)不同的需要發(fā)出不同等級的報(bào)警。
?。?）打印功能：
可以實(shí)現(xiàn)報(bào)表和圖形打印以及各種事件和報(bào)警實(shí)時(shí)打印。打印方式可分為：定時(shí)打印、事件觸發(fā)打印。
3、系統(tǒng)構(gòu)成及其布局
如果采用常規(guī)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(diǎn)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、施工難度非常大。鑒于此，采用了PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)，根據(jù)工藝劃分，系統(tǒng)共設(shè)了兩個(gè)主站、兩個(gè)子站、兩個(gè)操作員站。主站采用CPU315-2DP，子站采用北京鼎實(shí)公司DS300B系列分布式IO遠(yuǎn)程模塊，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。其自控系統(tǒng)見下圖
如果采用常規(guī)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(diǎn)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、施工難度非常大。鑒于此，采用了PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)，根據(jù)工藝劃分，系統(tǒng)共設(shè)了兩個(gè)主站、兩個(gè)子站、兩個(gè)操作員站。主站采用CPU315-2DP，子站采用北京鼎實(shí)公司DS300B系列分布式IO遠(yuǎn)程模塊，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。其自控系統(tǒng)見下圖
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(jìn)行控制，將現(xiàn)場狀態(tài)輸送到管理層。根據(jù)本廠工藝流程和總平面布置，結(jié)合馬達(dá)控制中心MCC的位置和供配電范圍，按照控制對象的區(qū)域、設(shè)備數(shù)量，以就近采集和單元控制為劃分區(qū)域的原則，在曝氣池旁中控室設(shè)主站PLC。在進(jìn)水泵房、脫水機(jī)房設(shè)兩座現(xiàn)場子站，主站與現(xiàn)場子站之間采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線?，F(xiàn)場子站采用北京鼎實(shí)公司DS300B系列分布式IO，每個(gè)DS300B由1個(gè)PROFIBUS通訊適配器模塊和其它若干數(shù)字量、模擬量輸入及輸出模塊組成。
進(jìn)水泵房現(xiàn)場從站PLC－1監(jiān)控范圍為粗格柵、進(jìn)水泵房、細(xì)格柵、沉砂池等，其主要控制對象為粗細(xì)格柵間的粗細(xì)格柵及進(jìn)水電動閘門、進(jìn)水泵房的污水提升泵、沉砂池的排砂裝置和砂水分離等設(shè)備，此外，還負(fù)責(zé)進(jìn)水水質(zhì)如PH、SS（濁度測量）等參數(shù)的在線檢測。其I/O配置為：DI＝138、DO＝58、A1＝16 、AO＝4。
脫水機(jī)房現(xiàn)場子站PLC－2監(jiān)控范圍為脫水機(jī)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(jī)房的進(jìn)泥泵、輸送機(jī)、濃縮機(jī)、加藥系統(tǒng)等設(shè)備。其I/O配置為：DI＝48、DO＝16、Al＝8。
曝氣池主站PLC監(jiān)控范圍為厭氧池、曝氣池、鼓風(fēng)機(jī)房，主要完成對處理工藝參數(shù)的監(jiān)測控制，如對溶解氧、污泥濃度、pH值、ORP值等參數(shù)的測控。對曝氣設(shè)備、攪拌設(shè)備、排水設(shè)備及剩余泵等進(jìn)行操作控制，以滿足對處理出水水質(zhì)的要求。其I/O配置為：DI＝184、DO＝60、A1=24。
4、系統(tǒng)軟件計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)采用Microsoft Windows 2000 Professional中文版操作系統(tǒng)。歷史數(shù)據(jù)庫采用Microsoft SQLServer 2000中文版軟件。上位機(jī)監(jiān)控軟件采用Wincc5.1組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)。
2）MCGS組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了對整個(gè)系統(tǒng)的開關(guān)量、狀態(tài)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(gè)進(jìn)水泵的電流、頻率、出口壓力等都實(shí)時(shí)顯示在工作站的主界面上，便于調(diào)度員及時(shí)掌握系統(tǒng)的運(yùn)行情況。
3）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上安裝Microsoft SQL2000中文版數(shù)據(jù)庫軟件，用來儲存整個(gè)污水廠重要的歷史數(shù)據(jù)，通過MCGS與Microsoft SQL 2000的通訊來讀取歷史數(shù)據(jù)。單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器可以避免因?yàn)橄到y(tǒng)局部故障導(dǎo)致歷史數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象的發(fā)生。
4）STEP7可以利用IEC-1131標(biāo)準(zhǔn)中八種編程語言中的6種（STL、LAD、FBD、CFC、SFC和SCL）進(jìn)行編程?！ ?BR>5、結(jié)束語
通過應(yīng)用北京鼎實(shí)公司DS300B系列分布式IO替代西門子ET200方案，在保證工程質(zhì)量的前提下大大降低了硬件成本。此方案自控系統(tǒng)在該污水處理廠投入使用以來，運(yùn)行至今系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。設(shè)備具有調(diào)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(diǎn)，提高了勞動生產(chǎn)率，同時(shí)由于軟硬件均采用模塊化結(jié)構(gòu)，方便了工程技術(shù)人員的安裝、調(diào)試和維修。
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