基于Profibus总线的软冗余污水处理控制系统

　　一、项目简介
　　
　　浙江省海宁市污水处理工程是浙江省重点建设工程。整个工程分为两部分：*部分为污水监测、收集泵站。污水收集管道将收集到的污水经过格栅初步过滤后送至收集泵站的集水井，泵站将收集到的污水经管道输送到污水处理厂；第二部分是污水处理厂将管道输送来的污水再次过滤、沉淀后，送入反应池进行生化处理。污水处理后分为两部分，一是处理后的水，直接排入河流或再利用；另一部分是污泥，将污泥送入脱水机房，进行脱水处理，作为有机肥料。
　　
　　海宁污水处理工程自动控制系统采用了世界上的自动化生产商一一西门子公司的控制系统与设备，对整个污水处理过程进行监控，有效地降低了劳动强度，实现污水处理的自动化。上位机4采用了西门子公司的组态软件WinCC5.0版，用于数据的存储、处理及实现人机接口功能。控制器4采用了西门子公司的S7-300系列PLC，负责对整个污水处理过程的自动监控。　　　　　　
　　二、系统介绍
　　
　　1．处理工艺
　　
　　进入二十一世纪，我国的环保事业迅速发展，工业废水、生活污水的净化处理成为当务之急。投资少、运行灵活的CASS处理工艺得到广泛的应用。CASS具有占地面积小、工艺流程简单、对水量水质变化适应性强、能同时脱氮除磷等优点。CASS(CyclicActivatedSludgeSystem)工艺是循环活性污泥技术(CAST)的一种形式。该工艺是在SBR工艺和氧化沟技术的基础上开发出来的，目前正得到深入研究，并且已经在实际废水处理工程中得到应用。CASS工艺运行过程包括充水一曝气、沉淀(泥水分离)、上清液滗出和充水一闲置等4个阶段，并组成其运行的一个周期。对污水处理工艺进行自动化监测和适时控制是提高污水处理效率、降低处理能耗的关键。程序以各反应段的时间为控制参数，或以调节池水位、曝气池水位和各反应段时间联合作为控制参数；实时控制鼓风机、水泵、电动阀等设备及曝气、沉淀时间等，以达到自动控制处理过程。
　　
　　由此可见，污水处理是一个多参量(如液位、水质成分、流量、压力等)、多任务(如污水输送、风量控制、水泵的起停等)，多设备(如格栅机、水泵、鼓风机、阀门等)，而且具有随机性、时变性和耦合性的复杂系统。因此，污水处理工程应由一个智能测控与综合管理系统来进行现代化的管理，使之达到*水平。
　　
　　2．系统设备组成
　　
　　系统采用了分布式I/O系统组成控制系统。两个CPUS7-315DP的PLC组成主站，系统之间通过MPI协议进行信息交换，实现软冗余。两个PLC互为备份，运行时，主站APLC控制系统的运行；备用站B监视系统的运行，当主站A发生故障时，系统自动切换到B站，并按照A上个循环周期交换的信息继续在原来的状态下控制系统的运行，避免了生产过程从头开始。PLC通过DP总线与连接到总线上的从站ET200M进行信息交换，读取从站采集到的数据，并且发送控制质量。从站装有冗余接口模块IM153-2，当主站PLC发生故障时，从站自动切换到备用PLC的总线上，从而保证了整个系统的继续工作。现场的信号通过安装在从站ET200M上的分布式I/O模块，经转换后输送到控制器PLC中进行处理。同理，PLC发出的控制指令通过现场的分布式I/O模块发送给执行机构。采用现场总线可以将数据的采集与转化放到设备现场，避免了信号的干扰，节省大量的电缆。
　　　　　　         三、控制系统构成
　　
　　根据全集成自动化的思想，将污水厂控制系统分为现场级、控制级、管理级。
　　
　　1．管理级
　　
　　管理级现场总线选择Profibus-FMS总线，冗余服务器作为Profibus-FMS现场总线的主站，通过通信卡CP5613与Profibus-FMS现场总线连接。
　　
　　2．控制级
　　
　　控制级是实现系统功能的关键，也是管理级与现场级之间的枢纽层。其主要功能是接受管理层设置的参数或命令，对污水处理生产过程进行控制，同时将现场状态输送到管理层。控制级要求具有高可靠性，所以在系统的关键部分中要采用冗余技术。控制器是整个系统的核心，所以在控制级中，采用两个CPU315-2DP型PLC组成冗余控制器，两个PLC之间通过并行总线通讯，进行信息交换，相互监视，实现双机热备冗余。每个PLC上安装一块Profibus-FMS通信模块CP与Profibus-FMS现场总线连接，PLC作为Profibus-FMS现场总线的从站，作为控制系统的下位机，通过总线与上位机通信。
　　
　　西门子公司S7315-2DP型号PLC具有Profibus-DP网络通讯接口，可作为Profibus-DP现场总线的主站。两个S7315-2DP主站建立冗余配置的Profibus-DP现场总线系统，与控制现场的远程分布式智能I/O模块连接，实现与现场设备和传感器通信。
　　
　　3．现场级
　　
　　现场级是实现系统功能的基础。现场级主要由一次仪表(如液位计、DO传感器等)、控制设备等组成。其功能主要是对系统设备的状态、传感器参数进行检测，并把检测到的数据上传；接受控制级的指令对设备进行控制。由于设备比较分散，在传统的工厂内，输入，输出信号连接到一个集中的机架，在设备改变和系统扩展时，导致接线工作量大、成本高、柔性度低。通过开放的、标准化的现场总线系统来连接部件，应用ET200分布式I/O是解决这些问题的*方案。分布式配置意味着，可编程序控制器、I/O模块和现场设备通过称为现场总线的信号电缆连接。将输入，输出模块转换成就地检测器和执行器，可就地转换和处理过程信号，不像集中配置那样进行程序设计。在控制点比较集中的控制现场配置一个远程分布式智能I，O模块ET200M，现场I/O信号直接输入I/O模块，每个ET200M模块上安装有两块IM153-2型号的带有Profibus-DP接口的模块，与冗余Profibus-DP现场总线分别连接。
　　
　　4．冗余控制
　　
　　在以上的配置中，系统采用了软件冗余技术实现系统的双机热备冗余。两个系统分别标记为A、B站，两个站的地位是相同的，程序相同，只是通信地址不同。系统起动时，首先起动运行A站(或B站)，然后起动运行B站(或A站)，先起动的站作为主控制系统，后起动的系统作为备用系统监视主系统的运行。在系统的运行过程中，两个系统相互交换自身的系统状态，同时主系统向备份系统传递程序的重要备份信息(如参数、状态等)。当主站控制系统发生故障时(如总线断开、CPU故障等)，主控系统将控制权交给备份系统，备份系统按照主控系统传递的状态继续使程序往下运行，避免从头开始。这时备份系统变为主控系统，原先的控制系统消除故障后，重新投入变为了备份系统。
　　
　　由于系统采用了软件冗余技术，在成本增加不大的情况下，使整个控制系统具有*的可靠性，可以实现连续工作。根据以上设计思想和关键技术方案分析得出系统总体结构图(见图3)。　　　　　　
　　四、系统功能
　　
　　根据以上情况，对应设计了两种控制程序，可根据实际情况由上位机选择运行程序。
　　
　　1．生物浓度法控制程序
　　
　　生物浓度法采用反馈控制，利用在线测得的进水水质参数(COD、SS、PH、温度等)作为输入，按照预先确定好的控制模型进行运算，然后用计算的结果作为输出，控制现场的设备(进水阀门、曝气阀门，搅拌机等)，动态的控制反应时间(厌氧反应时间、耗氧反应时间、沉淀时间等)，以达到控制反应的目的。控制系统能根据进水量、溶解氧、进水水质指标(COD及PH等)、出水水质要求等进行实时控制，自动调整设备的运行状况，以达到*的效果及的运行。
　　
　　2．时间控制程序
　　
　　时间控制程序是根据对SBR反应池的五个运行阶段所需要的时间进行自动控制。该方法不是根据污水的水质变化来改变某些运行参数而进行自适应控制。对于进水时间、曝气时间、沉淀时间、排水时间及闲置时间均可由上位机设定。SBR反应池的各段工艺过程及其执行时间均严格按时序进行，每个反应池的任何设备均可通过电气柜上的手动，自动转换开关改变其状态，但均不能改变PLC所设定的工作时序，并且一旦切入自动状态后便进入PLC所设定的时序。在自动状态下，操作人员在中心控制室可以通过人机界面实现远程遥控操作。现场设备的工作状态均送上位机显示。　　　　　　　　
　　五、结束语
　　
　　整个系统于2002年10投入运行，系统运行情况良好，尽管污水腐蚀性非常大，但设备没有出现不正常运行的情况。用户对系统运行非常满意，表示二期将继续采用该系统建设。污水处理自动控制系统中采用现场总线和冗余技术提高了信号传输的精度和准确性，解决了传统控制方案中敷线过多的问题，提高了系统的可靠性和扩展性，实现了污水处理的自动控制，提高了污水处理的效率和效果，同时降低了能耗，取得了良好的经济效益与社会效益。
　　
　　六、应用体会
　　
　　在项目的安装调试过程中，对西门子产品的性能和特点有了更进一步的了解，积累了一些经验和体会。
　　
　　首先，西门子自动化产品的硬件质量是非常过硬的，如果出现问题一般不会是硬件问题，应该查找参数设置是否正确，如对于DP总线，当距离比较长时，应当降低通信速率，否则就会出现通信故障，如出现时断时通的现象。
　　
　　其次，注意合理设置CPU的PC连接数量，如果设置的太多，当超出设置的zui大连接数时，会出现通信时断时通的情况，尤其是在冗余系统中特别注意。冗余系统中PLC-般要与多台上位机通信，保证在下位机控制器切换后相应的上位机也同时实现切换。当同时连接数超过设定zui大值时，上位机WinCC界面会出现黑屏现象，即同时与连接该PLC的上位机交替接通连接。比如，一般CPU默认设置连接PCzui大数为3，当上位机出现4个同时与该CPU通信时，就会出现上述现象。
　　
　　第三，模拟量输入信号要与输入通道共地，否则会出现采集信号与输入信号不一致的现象。
　　
　　zui后，要注意的是在软冗余系统中，控制器之间通信采用的协议要根据交换数据量的大小和实时性要求合理选用。对于实时性要求不高并且通信数据量不大的情况，可以采用MPI协议，这样可以降低成本；对于实时性要求高并且通信量大的情况，一般采用Profibus协议，基本能够满足要求。