摘 要：以海寧市污水處理廠的軟件冗余現(xiàn)場(chǎng)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(duì)系統(tǒng)的硬件、軟件結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了說(shuō)明。運(yùn)用表明，該系統(tǒng)能夠滿足污水處理的自動(dòng)控制要求，并且具有先進(jìn)、可靠、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)。

PROFIBUS是德國(guó)于90年代初制訂的國(guó)家工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),代號(hào)DIN19245。它是一種國(guó)際化的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn),即EN50170歐洲現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)為供應(yīng)商和用戶的投資提供了最佳的保護(hù)并確保供應(yīng)商的獨(dú)立自主性。PROFIBUS具體規(guī)定了串行現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(dāng)主站得到總線控制權(quán)時(shí),不用外界請(qǐng)求就可以主動(dòng)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(dòng)器和測(cè)量變送器。它們沒(méi)有總線控制權(quán),僅對(duì)接收到的信息給予確認(rèn)或當(dāng)主站發(fā)出請(qǐng)求時(shí)向它發(fā)送信息。

一、工藝簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的活性污泥處理工藝存在基建投資高、運(yùn)行費(fèi)用高以及電耗高等問(wèn)題。SBR(Sequence Batch Reactor)序批式處理工藝是近年來(lái)國(guó)際上比較先進(jìn)的污水處理方法。雖然在上個(gè)世紀(jì)初，國(guó)外就已經(jīng)研究出這種工藝，但是至今國(guó)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(duì)時(shí)間要求比較嚴(yán)格，對(duì)自控要求比較苛刻。采用SBR工藝的污水處理廠地點(diǎn)分散，設(shè)備量大，各個(gè)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(chǎng)總線提供了用武之地。

SBR污水處理控制系統(tǒng)主要包括：進(jìn)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(fēng)機(jī)房控制系統(tǒng)，脫水機(jī)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(jìn)水泵房，在這里大的固體雜質(zhì)被格柵機(jī)過(guò)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(jī)和吸砂機(jī)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(lái)分解、凈化污水。反應(yīng)池中的污泥細(xì)菌生態(tài)系統(tǒng)維持存活的主要條件一個(gè)是污水中的有機(jī)物雜質(zhì)，另一個(gè)就是氧氣的供應(yīng)。所以污水處理廠專門設(shè)有鼓風(fēng)機(jī)房，通過(guò)池底的管道，直接對(duì)污水進(jìn)行曝氣。經(jīng)過(guò)處理達(dá)標(biāo)的污水可直接排放，多余的污泥被排泥泵送到脫水機(jī)房，通過(guò)脫水處理，污泥被壓干制成餅，用作肥料。

二、系統(tǒng)配置及說(shuō)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(duì)污水處理過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)，使處理后的水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到要求的范圍。在公司中控室發(fā)出上傳指令時(shí)，將當(dāng)前時(shí)刻運(yùn)行過(guò)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(guò)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(duì)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(chǎng)被控設(shè)備的運(yùn)行工況，以及各現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)參數(shù)。

（3）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(kù)，存儲(chǔ)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(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)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SBR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。

（4）報(bào)警功能：當(dāng)某一模擬量（如電流、壓力、水位等）測(cè)量值超過(guò)給定范圍或某一開(kāi)關(guān)量（如電機(jī)啟停、閥門開(kāi)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(jí)的報(bào)警。

（5）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。

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(chǎng)信號(hào)通過(guò)電纜連接到集中控制室內(nèi)的PLC上,由于工藝線路長(zhǎng)、現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)環(huán)境惡劣、其施工難度非常大。鑒于此，采用了PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，根據(jù)工藝劃分，系統(tǒng)共設(shè)了三個(gè)主站、五個(gè)子站、兩個(gè)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(gè)DP通訊口和一個(gè)MPI口。子站采用通用性較好的ET200M現(xiàn)場(chǎng)模塊，用于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和控制，并借助Profibus(工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(gè)級(jí)別，即現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、控制級(jí)、管理級(jí)。

（1）管理級(jí)管理級(jí)集中監(jiān)控各個(gè)分站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。管理級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線選擇Profibus-FMS總線，兩臺(tái)安裝組態(tài)軟件的冗余服務(wù)器作為PROFIBUS-FMS現(xiàn)場(chǎng)總線的主站，安裝在控制室內(nèi)，可以同時(shí)收集現(xiàn)場(chǎng)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(xiàng)。SIMATIC S7-314、MDS2701無(wú)線電臺(tái)負(fù)責(zé)與公司的無(wú)線數(shù)據(jù)通訊。

（2）控制級(jí)控制級(jí)主要功能是接收管理層設(shè)置的參數(shù)或命令，對(duì)污水處理生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，將現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)輸送到管理層。PLC1和PLC2分別由一個(gè)電源模塊PS 307和一個(gè)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(dòng)運(yùn)行。集中控制使得整個(gè)污水廠控制系統(tǒng)各個(gè)部分之間能夠完全協(xié)調(diào)工作。

（3）現(xiàn)場(chǎng)級(jí)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的冗余十分簡(jiǎn)單。ET200M遠(yuǎn)程單元通過(guò)兩個(gè)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(gè)ET200M遠(yuǎn)程單元，其中兩個(gè)在SBR池，其余四個(gè)分別在進(jìn)水泵房、出水泵房、鼓風(fēng)機(jī)房和污泥脫水機(jī)房。每個(gè)ET200M單元均由2個(gè)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(guò)總線接收主控主站的命令，實(shí)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(dāng)?shù)氐乃杩刂坪筒杉狞c(diǎn)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(jìn)行編寫，STEP7是SIEMENS開(kāi)發(fā)的應(yīng)用于S7-300/S7400PLC的編程軟件，運(yùn)行在WindowsNT或Windows98操作系統(tǒng)中，在自動(dòng)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(hù)和擴(kuò)展。

四、結(jié)束語(yǔ)此控制系統(tǒng)于2002年9月調(diào)試完畢，運(yùn)行至今系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，該系統(tǒng)有效地解決了生產(chǎn)中的很多問(wèn)題，如減少了生產(chǎn)過(guò)程中的突發(fā)故障，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間和搶修時(shí)間，減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，為污水處理廠創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，達(dá)到了節(jié)能、降耗的目的。在生產(chǎn)管理上了一個(gè)新臺(tái)階。