基于Profibus總線的DCS系統(tǒng)在污水處理廠中的應用

1、基于Profibus總線的DCS系統(tǒng)在污水處理廠中的應用摘要 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)在污水處理領域的應用.對系統(tǒng)的硬件、軟件結(jié)構(gòu)及工作原理進行了說明。運行表明，該系統(tǒng)能夠滿足污水處理的自動控制要求，并且具有先進、可靠、控制性能好等優(yōu)點.關(guān)鍵詞 污水處理；現(xiàn)場總線；分布式控制1 前言污水處理廠DCS系統(tǒng)是根據(jù)進入污水處理廠的水量、水質(zhì)等變化指標對提升泵房、PMSBR生化反應池、污泥脫水間、風機房、紫外線消毒池、排水泵房等進行控制，并把現(xiàn)場各子單元的工藝參數(shù)、報警參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)等通過現(xiàn)場總線傳輸?shù)街锌厥业腜C機上，在中控室顯示器中反應出來，并能自動

2、打印。通過工業(yè)以太網(wǎng)和廠長辦公室以及當?shù)丨h(huán)保部門相連，隨時監(jiān)視廠里的生產(chǎn)情況。綜合考慮投資、運行成本、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)過粗格柵清除較大的固體懸浮物后進入曝氣沉砂池，在沉砂池側(cè)壁下部鼓人壓縮空氣，污水中的有機物處于懸浮狀態(tài)，而吸砂機則將沉砂吸出，送到砂水分離器，污水進人初沉池,至此，完成污水的物理處理工藝階段.污水進人曝氣池,保持好氧條件。對沉淀產(chǎn)生的污泥進行濃縮、消化、脫水等處理.大部分二沉池的污泥回流人曝氣池進口。完成生物處理階段工作后，根據(jù)需要選擇化學處理方法，最終使污水達到國家排

3、放標準1。2 現(xiàn)場總線與分布式控制概述2。1 現(xiàn)場總線的概念現(xiàn)場總線是一種在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運行的、性能可靠、造價低廉的通信系統(tǒng)，可以完成現(xiàn)場自動化設備之間的多點通信，實現(xiàn)底層現(xiàn)場設備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場與外界的信息交換.它是應用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng),也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡.簡單說,現(xiàn)場總線就是以數(shù)字通信替代了傳統(tǒng)420mA模擬信號及普通開關(guān)量信號的傳輸2。2.2 現(xiàn)場總線技術(shù)的基本特征開放性、分散化和低成本是現(xiàn)場總線最顯著的三大特征，它的出現(xiàn)將使傳統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)，產(chǎn)生劃時代的變革,這場變革的深度和廣度將超過歷史上任何一次變革，

4、必將開創(chuàng)自動控制的新紀元。(1）開放性:現(xiàn)場總線是開放互連網(wǎng)絡.現(xiàn)場總線標準、協(xié)議、規(guī)范是公開的，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡是開放的,既可實現(xiàn)同層網(wǎng)絡互連，也可實現(xiàn)不同層次網(wǎng)絡互連,用戶可共享網(wǎng)絡資源.(2）分散性：現(xiàn)場總線是結(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,設備之間可點對點、點對多點或廣播多種方式通信。連接到總線上的現(xiàn)場設備是智能化的,且具有按照現(xiàn)場總線協(xié)議、規(guī)范進行數(shù)字通信的能力,并且能夠?qū)崿F(xiàn)分散的功能模塊,完成測量、控制、通信的一體化。（3)低成本：現(xiàn)場總線開放的體系結(jié)構(gòu)省去了中間的控制站，降低開發(fā)成本,且徹底分散的分布式結(jié)構(gòu)，將一對一模擬信號傳輸方式變?yōu)橐粚Χ嗟臄?shù)字信號傳輸方式，節(jié)

5、省了模擬信號傳輸過程中大量的D/A轉(zhuǎn)換裝置、布線安裝成本和維護費用。2。3 Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)主流的現(xiàn)場總線技術(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是過程現(xiàn)場總線的縮寫，是20世紀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、便于運行、系統(tǒng)開放的總線系統(tǒng)，代號DIN19245。Profibus具體規(guī)定了串行現(xiàn)場總線的技術(shù)和功能特性,它可使分散式數(shù)字化控制器從現(xiàn)場底層到車間網(wǎng)絡化3。Profibus

6、系統(tǒng)以ISO7498為基礎,以開放式系統(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，它專門為自動控制系統(tǒng)和設備級分散的I/O之間進行通信使用設計。其特點是快速、即插即用、效率高、成本低s.ProfibusPA是專門為過程自動化設計的，可用于爆炸危險區(qū)域，其特點是面向過程控制,總線供電，本征安全。ProfibusFMS是用來解決車間級通用性通信任務的,可用于大范圍和復雜的通信系統(tǒng)。其特點是通用、大范圍應用、多主通信.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)對現(xiàn)場自動化設備的要求較高，而現(xiàn)間段由系列智能節(jié)點（控制器、

7、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)等）構(gòu)成的統(tǒng)一的現(xiàn)場總線系統(tǒng)價格昂貴且難以實現(xiàn)，所以由PLC、PC和現(xiàn)場總線組成與DCS相兼容的系統(tǒng)是比較經(jīng)濟合理的選擇。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)過程控制的重要手段，目前已廣泛應用到電力、石油、化工、制藥、冶金、建材等眾多行業(yè)。傳統(tǒng)的工業(yè)自動化系統(tǒng)中的現(xiàn)場層設備與控制器之間的連接， 是采用一個I/O 點對設備的一個測控點的連接方式,每一個數(shù)據(jù)至少需要一對雙絞線， 一般每個設備只能提供單一的過程信號，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)場總線后的DCS體系結(jié)構(gòu)雖然在FCS 系統(tǒng)中， 一對雙絞線或一條電纜上可以掛接多個設備, 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)場傳感器、變送器、控制器和伺服機構(gòu)， 使操作人員在控制室就能實現(xiàn)主控系統(tǒng)對現(xiàn)場設備的在線監(jiān)視、診斷、校驗和參數(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雜的閉環(huán)控制， 系統(tǒng)運行的模式變化也較多， 必須由運算能力強大的DCS 控制器來完成控制作用。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和技術(shù)要求,整個污水處理廠的DCS系統(tǒng)分三個層次:現(xiàn)場控制層、車間監(jiān)控層、廠級監(jiān)控層。車間監(jiān)控層包括：1PLC站(預處理系統(tǒng)）主要包括粗格柵、提升泵、細格柵、沉砂池設備等，主要檢測參數(shù)有水位、流量、液位差等；主要監(jiān)控設備有粗格柵、提升泵等。2PLC站(生化處理系統(tǒng)）主要包括PMSBR生化反應池、風機房等，主要檢測參數(shù)有溶解氧、液位、電流、電壓、功率等，主要監(jiān)控設備有鼓風機、泵類等.3PLC站（泥處理系統(tǒng)）主要包括污泥濃縮池、污泥脫水機房、紫外線消毒系統(tǒng)出水等，主要檢測參數(shù)有液位、水量水質(zhì)等，主要監(jiān)控設備有泥處理設備、消毒設備4.現(xiàn)場控制層包括各子站、各分站及現(xiàn)

10、場設備.廠級監(jiān)控層包括中控室及廠長辦公室.PLC是整個DCS控制系統(tǒng)的核心，負責現(xiàn)場控制信號的處理、執(zhí)行機構(gòu)的控制。在處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)設置現(xiàn)場控制站,本系統(tǒng)中的預處理系統(tǒng)、生化處理系統(tǒng)、泥處理系統(tǒng)分別用一個PLC控制系統(tǒng)，根據(jù)實際處理情況和要求,控制泵站系統(tǒng)、曝氣設備和排泥設備的啟停和工況，以達到設備的最優(yōu)運行狀態(tài)，保證污水處理效果。本污水處理廠40kW以上電機全部采用軟啟動,避免了電機突然啟停對電網(wǎng)和設備造成沖擊。下位機采用西門子公司的S7300系列產(chǎn)品，它通過接口模板IM1533及ProfibusDP網(wǎng)和上一級的PLC站相連進行數(shù)據(jù)交換和命令傳輸5。系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

11、圖3.2 監(jiān)控軟件上位機采用西門子公司的WINCC監(jiān)控組態(tài)軟件，實現(xiàn)對整個工藝流程的設備運行狀況的實時監(jiān)控，將工藝流程以直觀的畫面顯示出來,記錄在線檢測的參數(shù)、設備運行狀態(tài)和過程，分析參數(shù)的變化趨勢，及時發(fā)布和預告情況,實時診斷和報警6.中央控制室設置兩臺互備的上位機（IPC）冗余相聯(lián)，有兩個完全獨立的中央處理站(雙電源、雙CPU）用以對系統(tǒng)進行開發(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)。值班員通過顯示器上顯示的各種曲線、報表、畫面和聲音，可以全面監(jiān)控工廠工藝參數(shù)變化情況、設備運行情況、故障發(fā)生情況，通過鍵盤和鼠標對各站進行遠程操作，通過設置的打印機打印所需要的各種資料,控制車間各站的工作

12、狀況，根據(jù)要求對車間各站發(fā)布命令，并能將污水處理廠的各種信號經(jīng)網(wǎng)絡管理層的服務器傳輸.廠級監(jiān)控層作為系統(tǒng)的人機接口單元,可實現(xiàn)對污水處理廠的整個產(chǎn)生過程進行監(jiān)控,同時又可將污水處理廠的各種現(xiàn)場信號經(jīng)以太網(wǎng)向上一級的管理服務器傳輸并執(zhí)行管理層下達的命令.本系統(tǒng)采用Windows NT4。0操作系統(tǒng)、西門子公司的控制系統(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。利用它很容易開發(fā)各種監(jiān)控界面，顯示現(xiàn)場各種工藝參數(shù)、狀態(tài)、歷史曲線、故障發(fā)生情況等.并利用鍵盤操作來進行參數(shù)的設置及對現(xiàn)場設備的控制。4 結(jié)論將基于Profibus的分散控制集中管理的DCS系統(tǒng)成功地運用于污水處理廠，實現(xiàn)了全廠生產(chǎn)過程的自動化,達到了節(jié)能降耗、保護設備的目的，減輕了工人的勞動強度，提升了管理水平，提高了工作效率和處理效果，創(chuàng)造了良好的社會效益，改善了周邊環(huán)境，減輕了對下游水源的污染8。5 參考文獻1劉均. 基于PROFIBUS的污水處理自動控制系統(tǒng)J。機電設備，2008（5）。2劉愛英。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)場總線的結(jié)構(gòu)及應用J。寧夏機械,2009(2）。4王小澄。集散控制系統(tǒng)在一級污水處理廠中的應用J.計算機工程,2007(2)。5SI