基于工業以太網的 污水處理自動控制系統
摘要：由于以太網具有應用廣泛、價格低廉、通信速率高、軟硬件產品豐富、應用支持技術成熟等優點，與其他現場總線的控制方案相比降低了網絡的構建成本，提高了系統的可擴展性及兼容性。污水處理自動控制系統中采用工業以太網進行數據交換，在保證準確性的前提下提高了信號傳輸的速度，系統具有較高的可靠性和擴展性。
關鍵詞 工業以太網 PROFINET SBR工藝 SCADA
1 引言
近年來在城市污水處理的工藝中，投資少、運行靈活的SBR處理工藝得到廣泛的應用。SBR(Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process)序批式活性污泥工藝早在1904年就被開發，并取得了較好的效果,只是由于當時的自動化水平和設備制造工藝的限制，所以沒有得到推廣應用。而近年來隨著自動化技術及在線監測技術的飛速發展，為SBR工藝的發展和應用提供了前提條件，因為對污水處理工藝進行自動化監測和實時控制是提高污水處理效率、降低處理能耗的關鍵，所以SBR工藝也是各種污水處理工藝中對自動化系統要求較高的一種工藝。SBR反應過程主要是在生物反應池內進行的，該工藝主要由進水、曝氣、沉淀、排水和閑置等五個階段組成。SBR工藝的處理效果主要取決于其運行參數，其中主要參數包括各反應段時間以及曝氣強度。一般采用以PLC為核心的工藝過程自動監控系統，實時控制鼓風機、水泵、電動閥等設備及各反應段時間，使水質達到國家規定的排放標準。
由此可見，SBR污水處理工藝是一個多參量(如液位、流量、壓力、生物指標等)、多任務(如污水輸送、風量控制、水泵的啟停等)、多設備(如格柵機、水泵、鼓風機、閥門等) 且具有隨機性 、時變性和耦合性的復雜系統。因此，應由穩定可靠的數據信息交換網絡與綜合管理系統來進行自動化的管理，使之安全可靠地運行。
2 工業以太網PROFINET技術應用
所謂工業以太網，一般來講是指技術上與商用以太網（即IEEE802.3標準）兼容，但在產品設計時，在材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質安全等方面能滿足工業現場的需要。
PROFINET是Process Field Net的縮寫，它是PROFIBUS客戶、生產商與系統集成聯盟協會推出的在PROFIBUS與以太網間全開放的通信協議。PROFINET是一種基于實時工業以太網的自動化解決方案，它以一整套完整高性能并可升級的方式，可以為PROFIBUS及其他各種現場總線網絡提供以太網移植服務;PROFINET標準的開放性保證了其長遠的兼容性與擴展性，從而可以保護用戶的投資與利益。 PROFINET可以使工程與組態、試運行、操作和維護更為便捷，并且能夠與PROFIBUS以及其它現場總線網絡實現無縫集成與連接。
這種跨越供應商的開放式標準建立在工業以太網基礎之上，覆蓋了工廠自動化的所有領域。依賴于現行的IT標準，并且無條件地支持TCP/IP協議，從而確保了公司范圍內從辦公區域到現場級的集成通訊。 它主要包含3方面的技術： ① 基于通用對象模型(COM)的分布式自動化系統； ② 規定了PROFIBUS和標準以太網之間的開放、透明通信； ③ 提供了一個包括設備層和系統層、獨立于制造商的系統模型。
PROFINET采用標準以太網作為連接介質，采用TCP/IP協議加上應用層的RPC／DCOM來完成節點之間的通信和網絡尋址。它可以同時掛接傳統PROFIBUS系統和新型的智能現場設備。現有的PROFIBUS網段可以通過一個代理設備(proxy)連接到PROFINET網絡當中，使整套PROFIBUS設備和協議能夠原封不動地在PROFINET中使用。傳統的PROFIBUS設備可通過代理proxy與PROFINET上面的COM對象進行通信，并通過OLE自動化接口實現COM對象之間的調用。
與其他現場總線相比，工業以太網應用主要有以下特點：
1) 實時通信 采用以太網交換技術、全雙工通信、流量控制等技術，以及確定性數據通信調度控制策略、簡化通信棧軟件層次、現場設備層網絡微網段化等針對工業過程控制的通信實時性措施，提高了以太網通信的實時性。
2) 總線供電 采用直流電源耦合、電源冗余管理等技術，設計了能實現網絡供電或總線供電的以太網集線器，解決了以太網總線的供電問題。
3) 遠距離傳輸 采用網絡分層、控制區域微網段化、網絡超小時滯中繼以及光纖等技術實現了以太網的遠距離傳輸。
4) 網絡安全 采用控制區域微網段化，各控制區域通過具有網絡隔離和安全過濾的現場控制器與系統主干相連，實現各控制區域與其他區域之間的邏輯上的網絡隔離。
5) 可靠性 采用分散結構化設計、EMC設計、冗余、自診斷等可靠性設計技術等，提高基于以太網技術的現場設備可靠性。
6) 一網到底 即它可以一直延伸到企業現場設備控制層，所以被人們普遍認為是未來控制網絡的最佳解決方案，工業以太網已成為現場總線中的主流技術。
工程實踐證明，在組建企業工控網絡時采用PROFINET通訊技術可以節省近15%的硬件投資。
3 控制系統組成及功能設計 現代化的污水處理系統需要實現管理與控制一體化，實現辦公自動化。
控制系統不僅與下層控制設備有良好的接口，而且具有與上層管理系統集成的接口，同時具有可擴展性。所以本系統采用的工業以太網PRIFINET或現場總線PROFIBUS等技術，適應了當前的這種需求。為了加強系統的可靠性，使整個系統能夠長時間無故障地運行，上位監控系統還采用容錯（冗余）技術。
3.1系統組成及特點 根據全集成自動化（Totally Integrated Automation）的思想，將污水廠 控制系統分為管理級、控制級、現場級。系統簡圖如下頁圖：
（1）管理級 管理級是系統的核心部分，完成對污水處理過程各部分的管理和控制 ，并實現廠級的辦公自動化。管理級提供人機接口，是整個控制系統與外部信息交換的界面 。管理級的工業計算機具有相互通訊的功能，實現數據交換或共享。考慮到管理層功能結構的層次性和可分割性，采用客戶/服務器（Client／Server）的體系結構。服務器選用大型的網絡關系數據庫，滿足開放、分布式數據庫管理方式的要求。服務器具有遠程控制操作功能、狀態顯示功能、數據處理功能、報警功能、報表功能、通訊功能和冗余功能等。廠中心控制室中設備包括：兩臺安裝Siemens公司WinCC監控組態軟件的冗余服務器作為上位機 ，安裝有WinCC組態軟件的完全版以及冗余軟件包，兩臺服務器互為備用，實現冗余，提高系統的可靠性。裝有WinCC運行版的PC機作為監控工程師操作站。這種配置的最主要的優點是保證數據的完整性和監控操作的連續性。如果一個WinCC服務器出現故障，該服務器的客戶機（工作站）自動從發生故障的服務器切換到備用的服務器上，使所有的客戶機始終可以監控生產過程，修復后的服務器回到系統后，自動實現歸檔數據的匹配,管理級與控制級的數據交換均采用了工業以太網,真正體現了公司范圍內從辦公區域到現場級的集成通訊。
（2）控制級 控制級是實現系統功能的關鍵，也是管理級與現場級之間的樞紐層。 其主要功能是接受管理層設置的參數或命令，對污水處理生產過程進行控制，同時將現場狀態輸送到管理層。控制器是整個系統的核心，所以在控制級中，主要采用三套Siemens公司S7_300(CPU315_2PN/DP)型PLC組成,采用光纖和交換機構建成數據交換網絡, CPU315_2PN/DP配有集成的PROFINET接口,通過該接口連接I/O現場設備,STEP7包含有所需的驅動,也可以延伸到低端PROFIBUS上的設備,而無需重新連接編程器.現場設備也能夠使用額外集成的PROFIBUS接口進行連接,而且,PROFINET接口可以用于單元級的通訊.PRIFINET CPU 能夠使用STEP7在工業以太網上通過編程器/PC進行編程.
（3）現場級 現場級是實現系統功能的基礎。現場級主要由一次儀表（如液位計、DO 傳感器等）、控制設備等組成。其功能主要是對系統設備的狀態、傳感器參數進行監測，并把監測到的數據上傳；接受控制級的指令對執行機構進行控制。由于控制設備比較分散，在傳統的工廠內，輸入／輸出設備連接到一個集中的機架，在設備改變和系統擴展時，導致接線工作量大，成本高，柔性度低。通過開放的、標準化的現場總線PROFIBUS系統來連接現場控制部件(一些控制設備可能是第三方廠商提供)，是解決這些問題的最佳方案。分布式配置意味著可編程序控制 、I/O模塊和現場設備通過PROFIBUS_DP現場總線的信號電纜連接。將輸入/輸出模塊轉換成就地監測器和執行器，可就地轉換和處理過程信號。從而保證了控制級與現場級控制設備的獨立和兼容 ，同時解決了與第三方設備(撇水器、脫水機等)通訊問題,本系統的第三方設備均使用了SIEMENS公司性價比較高的S7_200小型PLC,通過其附加通訊模塊EM277可與PROFIBUS現場總線相連接,從而方便了運行過程中的系統維護和修理。 污水處理過程中，需要實時地在線監測各種水質參數以保證準確的工藝運行參數和及時顯示處理結果。
在本系統中傳感器數量大、種類多，包括pH、SS（固體懸浮 物)、DO（溶解氧）、COD、液位傳感器以及電磁流量計、壓力計等。 傳感器全部采用德國Endress+Hauser公司的產品，這些傳感器都帶有PROFIBUS_DP接口，利用這些智能接口，這些儀表能與自動化過程控制系統集成，這樣獲得的所有過程參數可以集中顯示， 同時作為工藝的控制參數。
3.2 工藝控制規律
軟件編程的主要依據為生產工藝提供的控制規律。同一種處理工藝可能會有不同的控制策略，根據目前的研究狀況，SBR工藝的控制可以分為三種：
第一種是生物濃度法。是指根據在線測得的水質參數與設定參數形成閉環控制；
第二種是反應時間控制。對于時間控制規律而言， 它是根據對SBR反應的五個階段所需要的時間進行自動控制的。
第三種是流量程序控制。是根據污水流量的變化來調整各個階段所需時間進行自動控制。
后兩種控制方法都不是根據廢水的水質變化來改變某些運行參數進行自適應控制的。 生物濃度控制的基本思想是動態的控制SBR的反應時間,使其中的有機物濃度（用COD或BOD表示）達到允許的排放標準，就停止曝氣。在線測定有機物濃度的BOD或COD傳感器比較貴 ，一般都在幾十萬元，目前還沒有應用報道，而且實時性比較差，反應時間慢。時間控制程序是根據對SBR反應池的五個運行階段所需要的時間進行自動控制。該方法不是根據污水的水質變化來改變某些運行參數進行自適應控制。對于進水時間、曝氣時間、 沉淀時間、排水時間及閑置時間均可由上位機設定。SBR反應池的各段工藝過程及其執行時間均嚴格按時序進行，每個反應池的任何設備均可通過電氣柜上的手動/自動轉換開關改變其狀態，但均不能改變PLC所設定的工作時序，并且一旦切入自動狀態后便進入PLC所設定的時序。在自動狀態下，操作人員在中心控制室可以通過人機界面實現遠程遙控操作。現場設備的工作狀態均送往上位機顯示。
3.3 控制程序特點 根據以上情況，對應設計了多種控制模式，可根據實際情況由上位機選擇運行。
(1)生物濃度法控制程序 生物濃度法采用反饋控制，利用在線測得的進水水質參數作為輸入，按照預先確定好的控制模型進行運算，然后用計算的結果作為輸出控制現場的設備，動態控制反應時間，以達到控制反應的目的。
(2)時間控制程序
①本控制系統嚴格按照時序、按順序工作。
②允許在工作過程中任意進行遙控、自控切換且不影響工作時序。
(3)分組工作程序 由于該污水處理廠來水水量不均衡,造成生物處理池的負荷無法平衡,同時噸能量消耗大,運行極不經濟。故我們采用了分組運行的辦法,每兩個生物處理池為一組，既可以兩組同時運行，又可以一組投運自動運行，另一組備用手動控制的方式。一方面解決了生物處理池的負荷問題，另一方面也解決了處理池相關設備的檢修問題。
4 上位機組態軟件
對SCADA（數據采集與監控系統）系統要求：通過工業以太網PROFINET，具有與多臺下位機系統通訊的能力，實時監控多臺下位機的工作狀態 ，顯示生產過程中的工作曲線；具有遠程控制能力；向下位機采集數據，對歷史數據進行存儲、查詢、顯示、打印等。因此，在一個自動監控系統中，運行的監控組態軟件是系統的數據收集處理中心、遠程監視中心和數據轉發中心，與各種控制、檢測設備（如PLC、智能儀表等）共同構成能快速響應的控制中心。 本系統選用了Siemens公司WinCC(Windows Control Center)6.0組態軟件。WinCC具有控制自動化過程的強大功能，是基于個人計算機，同時具有極高性價比的SCADA級操作監視系統 。
在兩臺服務器上安裝服務器版和冗余軟件包，工作站上安裝運行版。 監控系統的功能及特點：
（1） 界面顯示 具有全中文顯示，界面友好，操作方便。操作畫面采用主菜單的形式，在每幅畫面下通過按鈕進行切換。在中心控制室能對全系統被控設備進行實時控制， 如啟停設備，在線設置PLC中程序的某些工藝參數等。 機械處理監控界面
（2）實時畫面顯示功能 用圖形實時地顯示各現場被控設備的運行工況，以及現場的狀態參數。用模擬儀表、趨勢圖、曲線、柱狀圖動態顯示參數的實時變化情況。根據閥門開閉及水泵的啟停狀態，生產管理人員能夠快速、清晰地了解整個系統的生產運行情況。
（3）數據管理 數據庫存儲生產過程數據，供統計分析使用。工作人員可以定期把歷史數據庫備份到其它存儲介質，以便于歷史數據的查詢。利用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SBR工藝的閉環控制。
（4）報警功能 當參數超過設定范圍或設備發生故障時，可根據組態發出不同等級的聲光報警。在每幅畫面的最下方都有一個報警框，顯示最近發生的報警事件。所有報警信息都可顯示在報警綜合監視畫面，所有的報警信息均被記錄在報警數據庫中，通過此畫面可以查看當前系統的所有報警信息，也可查看長達幾個月的報警歷史數據，便于以后的事故分析使用。
（5）報表打印功能 可以實現報表和圖形打印以及各種事件和報警實時打印。打印方式分為定時打印和事件實時觸發打印。
（6）通訊功能 WinCC是基于標準的Windows平臺開發的SCADA系統軟件，充分考慮了與其它系統交換信息的必要性，支持如DDE，OLE，ODBC，OPC和SQL等標準。可以提供多種方式與上層系統數據交換。
（7）冗余功能 兩臺裝有WinCC組態軟件的服務器互為冗余，確保數據完整，提高了系統的可靠性。
5 結束語
在污水處理控制系統中采用工業以太網(PROFINET)改變了傳統的現場總線及全模擬量傳輸的數據交換方式，在現場總線級實現了Ethernet數字傳輸，達到了提高信息傳送距離、傳送數據量和傳送精度的目的，增強了現場控制靈活性，降低了數據交換網絡初裝費和設計施工費用，達到了減少電纜敷設，易于維護和擴展的目的。該控制系統2006年底在中科國益涿州污水處理廠已投入正常運行，實現了污水處理SBR工藝的自動控制，網絡數據交換及控制功能十分穩定,污水處理的效率和效果十分理想，同時降低了能耗，得到了用戶的認可,從而取得了良好的經濟效益和社會效益。
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