基于Profibus總線的DCS系統(tǒng)在污水處理廠中的應(yīng)用

1、基于Profibus總線的DCS系統(tǒng)在污水處理廠中的應(yīng)用摘要 本文以山西省某污水處理廠為例，論述了基于Profibus總線的DCS系統(tǒng)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)行表明，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).關(guān)鍵詞 污水處理；現(xiàn)場(chǎng)總線；分布式控制1 前言污水處理廠DCS系統(tǒng)是根據(jù)進(jìn)入污水處理廠的水量、水質(zhì)等變化指標(biāo)對(duì)提升泵房、PMSBR生化反應(yīng)池、污泥脫水間、風(fēng)機(jī)房、紫外線消毒池、排水泵房等進(jìn)行控制，并把現(xiàn)場(chǎng)各子單元的工藝參數(shù)、報(bào)警參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸?shù)街锌厥业腜C機(jī)上，在中控室顯示器中反應(yīng)出來(lái)，并能自動(dòng)

2、打印。通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)和廠長(zhǎng)辦公室以及當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門(mén)相連，隨時(shí)監(jiān)視廠里的生產(chǎn)情況。綜合考慮投資、運(yùn)行成本、處理效果、污水水質(zhì)等因素，污水處理工藝可分為物理處理、生物處理和化學(xué)處理.典型的工藝流程如圖1所示：圖1 典型工藝流程圖污水經(jīng)過(guò)粗格柵清除較大的固體懸浮物后進(jìn)入曝氣沉砂池，在沉砂池側(cè)壁下部鼓人壓縮空氣，污水中的有機(jī)物處于懸浮狀態(tài)，而吸砂機(jī)則將沉砂吸出，送到砂水分離器，污水進(jìn)人初沉池,至此，完成污水的物理處理工藝階段.污水進(jìn)人曝氣池,保持好氧條件。對(duì)沉淀產(chǎn)生的污泥進(jìn)行濃縮、消化、脫水等處理.大部分二沉池的污泥回流人曝氣池進(jìn)口。完成生物處理階段工作后，根據(jù)需要選擇化學(xué)處理方法，最終使污水達(dá)到國(guó)家排

3、放標(biāo)準(zhǔn)1。2 現(xiàn)場(chǎng)總線與分布式控制概述2。1 現(xiàn)場(chǎng)總線的概念現(xiàn)場(chǎng)總線是一種在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境運(yùn)行的、性能可靠、造價(jià)低廉的通信系統(tǒng)，可以完成現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備之間的多點(diǎn)通信，實(shí)現(xiàn)底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)與外界的信息交換.它是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng),也被稱(chēng)為開(kāi)放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò).簡(jiǎn)單說(shuō),現(xiàn)場(chǎng)總線就是以數(shù)字通信替代了傳統(tǒng)420mA模擬信號(hào)及普通開(kāi)關(guān)量信號(hào)的傳輸2。2.2 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的基本特征開(kāi)放性、分散化和低成本是現(xiàn)場(chǎng)總線最顯著的三大特征，它的出現(xiàn)將使傳統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，產(chǎn)生劃時(shí)代的變革,這場(chǎng)變革的深度和廣度將超過(guò)歷史上任何一次變革，

4、必將開(kāi)創(chuàng)自動(dòng)控制的新紀(jì)元。(1）開(kāi)放性:現(xiàn)場(chǎng)總線是開(kāi)放互連網(wǎng)絡(luò).現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議、規(guī)范是公開(kāi)的，現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)是開(kāi)放的,既可實(shí)現(xiàn)同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可實(shí)現(xiàn)不同層次網(wǎng)絡(luò)互連,用戶(hù)可共享網(wǎng)絡(luò)資源.(2）分散性：現(xiàn)場(chǎng)總線是結(jié)構(gòu)與功能高度分散的系統(tǒng).結(jié)構(gòu)上采用了全分布式方案,設(shè)備之間可點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或廣播多種方式通信。連接到總線上的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是智能化的,且具有按照現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議、規(guī)范進(jìn)行數(shù)字通信的能力,并且能夠?qū)崿F(xiàn)分散的功能模塊,完成測(cè)量、控制、通信的一體化。（3)低成本：現(xiàn)場(chǎng)總線開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)省去了中間的控制站，降低開(kāi)發(fā)成本,且徹底分散的分布式結(jié)構(gòu)，將一對(duì)一模擬信號(hào)傳輸方式變?yōu)橐粚?duì)多的數(shù)字信號(hào)傳輸方式，節(jié)

5、省了模擬信號(hào)傳輸過(guò)程中大量的D/A轉(zhuǎn)換裝置、布線安裝成本和維護(hù)費(fèi)用。2。3 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)主流的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)有以下幾種：FF，CAN，Lonworks，DeviceNet，Profibus，Hart，CCLink，WorldFIP，Interbus.下面主要介紹本文用到的Profibus。Profibus是過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線的縮寫(xiě)，是20世紀(jì)80年代末興起的一種高可靠性、低成本、組態(tài)方便快捷、互換性高、互操作性強(qiáng)、便于運(yùn)行、系統(tǒng)開(kāi)放的總線系統(tǒng)，代號(hào)DIN19245。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(chē)間網(wǎng)絡(luò)化3。Profibus

6、系統(tǒng)以ISO7498為基礎(chǔ),以開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)（OS）I作為參考模型，包括ProfibusDP、ProfibusPA和ProfibusFMS。ProfibusDP是一種高速和便宜的通信連接，它專(zhuān)門(mén)為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散的I/O之間進(jìn)行通信使用設(shè)計(jì)。其特點(diǎn)是快速、即插即用、效率高、成本低s.ProfibusPA是專(zhuān)門(mén)為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)的，可用于爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，其特點(diǎn)是面向過(guò)程控制,總線供電，本征安全。ProfibusFMS是用來(lái)解決車(chē)間級(jí)通用性通信任務(wù)的,可用于大范圍和復(fù)雜的通信系統(tǒng)。其特點(diǎn)是通用、大范圍應(yīng)用、多主通信.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備的要求較高，而現(xiàn)間段由系列智能節(jié)點(diǎn)（控制器、

7、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）構(gòu)成的統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)價(jià)格昂貴且難以實(shí)現(xiàn)，所以由PLC、PC和現(xiàn)場(chǎng)總線組成與DCS相兼容的系統(tǒng)是比較經(jīng)濟(jì)合理的選擇。2.4 分布式控制分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System）現(xiàn)已成為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的重要手段，目前已廣泛應(yīng)用到電力、石油、化工、制藥、冶金、建材等眾多行業(yè)。傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備與控制器之間的連接， 是采用一個(gè)I/O 點(diǎn)對(duì)設(shè)備的一個(gè)測(cè)控點(diǎn)的連接方式,每一個(gè)數(shù)據(jù)至少需要一對(duì)雙絞線， 一般每個(gè)設(shè)備只能提供單一的過(guò)程信號(hào)，大量的相關(guān)數(shù)據(jù)很難得到.傳統(tǒng)的DCS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為3層， 圖2為一個(gè)典型的傳統(tǒng)DCS 結(jié)構(gòu)圖. 圖2

8、傳統(tǒng)DCS結(jié)構(gòu) 圖 3引入現(xiàn)場(chǎng)總線后的DCS體系結(jié)構(gòu)雖然在FCS 系統(tǒng)中， 一對(duì)雙絞線或一條電纜上可以掛接多個(gè)設(shè)備, 使得硬件數(shù)量與投資大為降低.而且通信總線直接延伸到現(xiàn)場(chǎng)傳感器、變送器、控制器和伺服機(jī)構(gòu)， 使操作人員在控制室就能實(shí)現(xiàn)主控系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的在線監(jiān)視、診斷、校驗(yàn)和參數(shù)整定，從而提高了系統(tǒng)的精度、可監(jiān)視性和抗干擾能力。但是在一些大型的控制系統(tǒng)中存在著許多比較復(fù)雜的閉環(huán)控制， 系統(tǒng)運(yùn)行的模式變化也較多， 必須由運(yùn)算能力強(qiáng)大的DCS 控制器來(lái)完成控制作用。所以， 即使出現(xiàn)FCS， 傳統(tǒng)的DCS 結(jié)構(gòu)依舊具有其存在的必要。引入現(xiàn)場(chǎng)總線后的DCS 體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。3 系統(tǒng)構(gòu)成3。1 DC

9、S系統(tǒng)層次根據(jù)本污水處理廠工藝特點(diǎn)和技術(shù)要求,整個(gè)污水處理廠的DCS系統(tǒng)分三個(gè)層次:現(xiàn)場(chǎng)控制層、車(chē)間監(jiān)控層、廠級(jí)監(jiān)控層。車(chē)間監(jiān)控層包括：1PLC站(預(yù)處理系統(tǒng)）主要包括粗格柵、提升泵、細(xì)格柵、沉砂池設(shè)備等，主要檢測(cè)參數(shù)有水位、流量、液位差等；主要監(jiān)控設(shè)備有粗格柵、提升泵等。2PLC站(生化處理系統(tǒng)）主要包括PMSBR生化反應(yīng)池、風(fēng)機(jī)房等，主要檢測(cè)參數(shù)有溶解氧、液位、電流、電壓、功率等，主要監(jiān)控設(shè)備有鼓風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)等.3PLC站（泥處理系統(tǒng)）主要包括污泥濃縮池、污泥脫水機(jī)房、紫外線消毒系統(tǒng)出水等，主要檢測(cè)參數(shù)有液位、水量水質(zhì)等，主要監(jiān)控設(shè)備有泥處理設(shè)備、消毒設(shè)備4.現(xiàn)場(chǎng)控制層包括各子站、各分站及現(xiàn)

10、場(chǎng)設(shè)備.廠級(jí)監(jiān)控層包括中控室及廠長(zhǎng)辦公室.PLC是整個(gè)DCS控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)控制信號(hào)的處理、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。在處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)控制站,本系統(tǒng)中的預(yù)處理系統(tǒng)、生化處理系統(tǒng)、泥處理系統(tǒng)分別用一個(gè)PLC控制系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際處理情況和要求,控制泵站系統(tǒng)、曝氣設(shè)備和排泥設(shè)備的啟停和工況，以達(dá)到設(shè)備的最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，保證污水處理效果。本污水處理廠40kW以上電機(jī)全部采用軟啟動(dòng),避免了電機(jī)突然啟停對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備造成沖擊。下位機(jī)采用西門(mén)子公司的S7300系列產(chǎn)品，它通過(guò)接口模板IM1533及ProfibusDP網(wǎng)和上一級(jí)的PLC站相連進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和命令傳輸5。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

11、圖3.2 監(jiān)控軟件上位機(jī)采用西門(mén)子公司的WINCC監(jiān)控組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工藝流程的設(shè)備運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，將工藝流程以直觀的畫(huà)面顯示出來(lái),記錄在線檢測(cè)的參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和過(guò)程，分析參數(shù)的變化趨勢(shì)，及時(shí)發(fā)布和預(yù)告情況,實(shí)時(shí)診斷和報(bào)警6.中央控制室設(shè)置兩臺(tái)互備的上位機(jī)（IPC）冗余相聯(lián)，有兩個(gè)完全獨(dú)立的中央處理站(雙電源、雙CPU）用以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)編程、在線調(diào)試和數(shù)據(jù)修改、存放各種歷史數(shù)據(jù)。值班員通過(guò)顯示器上顯示的各種曲線、報(bào)表、畫(huà)面和聲音，可以全面監(jiān)控工廠工藝參數(shù)變化情況、設(shè)備運(yùn)行情況、故障發(fā)生情況，通過(guò)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)對(duì)各站進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，通過(guò)設(shè)置的打印機(jī)打印所需要的各種資料,控制車(chē)間各站的工作

12、狀況，根據(jù)要求對(duì)車(chē)間各站發(fā)布命令，并能將污水處理廠的各種信號(hào)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)管理層的服務(wù)器傳輸.廠級(jí)監(jiān)控層作為系統(tǒng)的人機(jī)接口單元,可實(shí)現(xiàn)對(duì)污水處理廠的整個(gè)產(chǎn)生過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控,同時(shí)又可將污水處理廠的各種現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)經(jīng)以太網(wǎng)向上一級(jí)的管理服務(wù)器傳輸并執(zhí)行管理層下達(dá)的命令.本系統(tǒng)采用Windows NT4。0操作系統(tǒng)、西門(mén)子公司的控制系統(tǒng)組態(tài)軟件WINCC4.2。該軟件是工控界流行的Windows界面軟件,它支持TCP/IP協(xié)議，因而方便管理。利用它很容易開(kāi)發(fā)各種監(jiān)控界面，顯示現(xiàn)場(chǎng)各種工藝參數(shù)、狀態(tài)、歷史曲線、故障發(fā)生情況等.并利用鍵盤(pán)操作來(lái)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。4 結(jié)論將基于Profibus的分散控制集中管理的DCS系統(tǒng)成功地運(yùn)用于污水處理廠，實(shí)現(xiàn)了全廠生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化,達(dá)到了節(jié)能降耗、保護(hù)設(shè)備的目的，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了管理水平，提高了工作效率和處理效果，創(chuàng)造了良好的社會(huì)效益，改善了周邊環(huán)境，減輕了對(duì)下游水源的污染8。5 參考文獻(xiàn)1劉均. 基于PROFIBUS的污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)J。機(jī)電設(shè)備，2008（5）。2劉愛(ài)英。淺議DCS與FCS控制系統(tǒng)J。工程技術(shù)，2010(17）。3張光杰。Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用J。寧夏機(jī)械,2009(2）。4王小澄。集散控制系統(tǒng)在一級(jí)污水處理廠中的應(yīng)用J.計(jì)算機(jī)工程,2007(2)。5SI