基于Profibus的SBR工艺污水处理自动控制系统
基于Profibus的SBR工艺污水处理自动控制系统
摘要：在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。该系统采用了三层网络结构：管理级、控制级和现场级；具有设计先进、易于扩展和运行安全可靠等特点。实际运行效果非常明显。
关键词：Profibus SBR 冗余技术 分布式I/O模块
0 引言
进入21世纪，我国的环保事业迅速发展，、生活污水的净化处理成为当务之急。投 资少、运行灵活的SBR处理工艺得到广泛的应用。SBR工艺早在1904年就被开发，由于当时的 自动化水平比较低，所以没有得到推广应用，而近年来随着自动化技术、设备及在线监测仪 表的发展，使得对污水处理的自动化成为可能。同时对污水处理工艺进行自动化监测和实时 控制是提高污水处理效率、降低处理能耗的关键。SBR反应主要是在反应池内进行的，该工 艺 主要由进水、、沉淀、排水和闲置等五个阶段组成。SBR工艺的处理效果主要取决于其 运行参数，其中主要参数包括各反应段时间以及强度。一般采用以PLC为核心的工艺过 程自动监控系统，实时控制鼓风机、水泵、电动阀等设备及各反应段时间，使水质达到 国家规定的排放标准。
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、水泵的启停等)、多设备(如格栅机、水泵、鼓风机、阀门等) 且具有随机性 、时变性和耦合性的复杂系统。因此，污水处理应由一个智能监控与综合管理系统来进行现 代化的管理，使之安全可靠地运行。
1 现场总线技术
在污水处理厂中，现场控制设备分布范围比较广，如果采用传统的控制方案，势必要敷设大 量的控制和信号电缆，浪费大量的人力和物力，十分不经济，同时使系统复杂，可靠性降低 。采用目前比较流行的现场总线技术，可以降低成本，同时提高系统的可靠性，使系统易于 扩展和维护。Profibus是Process Fieldbus的缩写，是一种国际性的开放式的现场总线标准 。目前世界上多数自动化技术生产厂家都为它们的自动化设备提供Profibus通信接口。Profibus已经广泛地应用于加工制造、过程控制和楼宇自动化，是一项成熟的技术。Profibus根据 应用特点可分为Profibus DP, Porfibus FMS, Profibus PA等三个兼容版本。Profibus DP是 经过高速优化的、廉价的通信链路，专为自控系统和设备级分散式I/O之间设 计的接口；使 用Profibus总线模块用于分布式控制系统的高速数据传输可以取代昂贵的24 V或0～20 mA并行信号线。 ProfibusFMS解决车间级普通的通信任务，提供大量数据通信服务，提供中等任务的传输 速度。
2 系统组成及功能设计
现代化的污水处理系统需要实现管理与控制一体化，实现办公自动化。控制系统不仅与 下层控制设备有良好的接口，而且具有与上层管理系统集成的接口，同时具有可扩展性。所 以现代化污水处理系统要求在底层采用现场总线或者工业以太网等技术，上层则选用优秀的 监控组态软件。为了加强系统的可靠性，使整个系统能够长时间无故障地运行，需要采用容 错技术。 根据全集成自动化（Totally Integrated Automation）的思想，将污水厂 控制系统分为管理级、控制级、现场级。
（1）管理级。管理级是系统的核心部分，完成对污水处理过程各部分的管理和控制 ，并实现厂级的办公自动化。管理级提供人机接口，是整个控制系统与外部信息交换的界面 。管理级的各台计算机具有相互通讯的功能，实现数据交换或共享。考虑到管理层功能结构 的层次性和可分割性，采用客户/服务器（Client／Server）的体系结构。服务器选用 大型的网络关系数据库，满足开放、分布式数据库管理方式的要求。服务器具有远程控制操 作功能、状态显示功能、数据处理功能、报警功能、报表功能、通讯功能和冗余功能等。厂 中心控制室中设备包括：两台安装Siemens公司WinCC监控组态软件的冗余服务器作为上位机 ，两台服务器安装WinCC组态软件的完全版以及冗余软件包，两台服务器互为备用，实现冗 余，提高系统的可靠性。装有WinCC运行版的PC机作为监控工程师操作站。这种配置的最主 要的优点是保证数据的完整性和监控操作的连续性。如果一个WinCC服务器出现故障，该服 务器的客户机自动从发生故障的服务器切换到备用的服务器上，使所有的客 户机 始终可以监控生产过程，修复后的服务器回到系统后，自动实现归档数据的匹配。
管理级现场总线选择ProfibusFMS总线，冗余服务器作为ProfibusFMS现场总线的主站 ，通过CP通信模块与ProfibusFMS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Siemens公司CPU3152DP型PLC组成冗 余 控制器，一个为主站，一个为备用站。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ProfibusFMS通信模块CP与ProfibusFM S现场总线连接，PLC作为ProfibusFMS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。Siemens公司S7 3152DP型号PLC具有ProfibusDP网络通讯接口，可作为ProfibusDP现场总线的主站。两个S7 3152DP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、传感器参数进行监测，并 把监测到的数据上传；接受控制级的指令对执行机构进行控制。由于控制设备比较分散，在 传统的工厂内，输入／输出设备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Siemens公司ET200分布式I/O是解决这些问题的最佳方案。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监 测器和执行器，可就地转换和处理过程信号。可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型号带有ProfibusDP接口的模块，与冗余ProfibusDP现场 总线分别 连接。ET200M模块采用活动总线式底板（Active Bus
