基于PROFIBUS總線技術(shù)的自控系統(tǒng)和智能儀表在水處理行業(yè)中的應(yīng)用(最終).

1、基于PROFIBUS總線技術(shù)的自控系統(tǒng)和智能儀表在水處理行業(yè)中的應(yīng)用Application of PROFIBUS in sewage treatment曹清宇1 趙建軍2 趙瑾1 鄭偉1 王斌1 蘇波1（1 西安航天自動(dòng)化股份有限公司 7100652 西安市市政管理局污水籌建處 710000） 摘要：西安市第四污水處理廠設(shè)計(jì)總規(guī)模為50萬噸/日，一期設(shè)計(jì)規(guī)模為25萬噸/日。此項(xiàng)目為西北最大的污水處理廠之一，具有設(shè)備數(shù)量多，控制地點(diǎn)分散，處理工藝要求高，系統(tǒng)穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格等特點(diǎn)。故設(shè)計(jì)采用領(lǐng)先的PROFIBUS總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)全廠自動(dòng)控制和儀表系統(tǒng)集成。本文就此總線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、配置、實(shí)

2、現(xiàn)和特點(diǎn)進(jìn)行論述，提出總線技術(shù)在水處理行業(yè)的完整解決方案。關(guān)鍵詞： 水處理控制系統(tǒng)；Profibus-DP；Profibus-PA；STEP7；智能儀表Abstract:This paper introduces that the Xi'an NO.4 sewage treatment plant designed for 500000 tons / day, the first project design capacity is 250000 tons / day. It is the largest sewage treatment plant of the Northwest,

3、 it has more than the number of devices, control locations scattered, processing technology requirements, system stability and real-time critical and so on. Therefore it designed with the advanced technology to achieve the PROFIBUS bus automatic control and meters systems integration. This article d

4、iscourses that the fieldbus control system design, configuration, implementation, and discusses the characteristics of proposed fieldbus technology in water treatment industry a complete solution.Keywords:Control system for sewage treatment ; Profibus-DP; Profibus-PA; STEP7; intelligent instrument一、

5、項(xiàng)目簡介隨著環(huán)境問題日益被社會(huì)各界所重視，污水處理成為環(huán)境保護(hù)中最亟待解決和與社會(huì)發(fā)展最息息相關(guān)的課題。西安市政府貫徹國家政策，大力興建水處理工程，西安市第四污水處理廠是其中最具代表性的項(xiàng)目之一。西安市第四污水處理廠項(xiàng)目是日本國際協(xié)力銀行ODA貸款項(xiàng)目，該廠接納污水服務(wù)范圍包括西安市城區(qū)部分區(qū)域、北郊及東郊部分區(qū)域，污水規(guī)劃流域面積約45km2,工程設(shè)計(jì)規(guī)模為50萬噸/日， 其中一期設(shè)計(jì)規(guī)模為25萬噸/日，污水處理采用缺氧/厭氧/好氧（倒置A2/O）二級(jí)生物處理工藝，出水經(jīng)漕運(yùn)明渠排至渭河；污泥處理采用重力濃縮后中溫兩級(jí)消化、機(jī)械脫水工藝，脫水后泥餅外運(yùn)填埋。消化產(chǎn)生的沼氣用于污泥加熱，實(shí)現(xiàn)資

6、源再利用。污水廠主要產(chǎn)生臭味的構(gòu)筑物設(shè)置臭氣收集系統(tǒng)，經(jīng)生物除臭系統(tǒng)進(jìn)行凈化處理。具體工藝流程如下圖所示： 圖1 工藝流程圖13根據(jù)污水廠工藝流程及布局情況，采用“集中監(jiān)視，分散控制”的自控系統(tǒng)。系統(tǒng)包括中央監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場控制站、電視監(jiān)控系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)及智能儀表。中央監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)在廠區(qū)綜合辦公樓中心控制室，包括監(jiān)控工作站，管理工作站，工程師站等。中央監(jiān)控站通過光纖以太網(wǎng)與五個(gè)現(xiàn)場控制站進(jìn)行通訊。五個(gè)現(xiàn)場控制站根據(jù)工藝區(qū)域劃分，其中PLC1控制站設(shè)在粗格柵及進(jìn)水提升泵房，PLC2控制站設(shè)在變配電室，PLC3控制站設(shè)在加氯加藥間，PLC4控制站設(shè)在脫水機(jī)房，PLC5控制站設(shè)在鍋爐房及浴室。在各監(jiān)測點(diǎn)

7、采用支持Profibus協(xié)議的流量、壓力、溫度、液位及水質(zhì)分析等儀表，實(shí)現(xiàn)在線測量、故障診斷，信號(hào)送至就近的現(xiàn)場控制站進(jìn)行監(jiān)控。根據(jù)項(xiàng)目情況，采用西門子S7-400系列PLC作為主控系統(tǒng)，控制站具體硬件配置如下：序號(hào)名稱/概述訂貨號(hào)生產(chǎn)廠家PLC主站1電源模塊, PS407 10A6ES7407-0KA02-0AA0德國西門子2CPU模塊, CPU 414-36ES7414-3XM05-0AB0德國西門子3機(jī)架,UR26ES7400-1JA01-0AA0德國西門子4以太網(wǎng)通信模塊, CP443-16GK7443-1EX11-0XE0德國西門子5PROFIBUS通信模塊, CP443-56GK7

8、443-5DX04-0XE0德國西門子PLC I/O站1接口模板, IM153-26ES7153-2BA02-0XB0德國西門子2電源模塊,PS307 5A6ES7307-1EA00-0AA0德國西門子3數(shù)字量輸入模塊, SM321（32DI）6ES7321-1BL00-0AA0德國西門子4數(shù)字量輸出模塊, SM322（32DO）6ES7322-1BL00-0AA0德國西門子5模擬量輸入模塊, SM331（8AI）6ES7331-7KF02-0AB0德國西門子6模擬量輸出模塊, SM332（8AO）6ES7332-5HF00-0AB0德國西門子PLC OP站1觸摸屏MP277, Key, 10

9、.4"6AV66430DD011AX1   德國西門子2總線連接器6ES7972-0BA50-0XA0德國西門子3PROFIBUS電纜6XV1830-0EH10德國西門子PLC 交換機(jī)1以太網(wǎng)交換機(jī)SCALANCE X408-26GK5408-2FD00-2AA2德國西門子2100M多模光纖模塊MM491-26GK5491-2AB00-8AA2德國西門子PLC PA站1電源模塊,PS307 5A6ES7307-1EA00-0AA0德國西門子2接口模板, IM153-26ES7153-2BA82-0XB0德國西門子3DP/PA藕合器6ES7157-0AC83-0XA

10、0德國西門子4PA總線電纜6XV1830-5EH10德國西門子5T型頭(每包10個(gè))6GK1905-0AA00德國西門子6終端電阻(每包5個(gè))6GK1905-0AE00德國西門子7總線模塊（熱插拔）, BM PS/IM 6ES7195-7HA00-0XA0 德國西門子8Coupler有源背板6ES7195-7HF80-0XA0德國西門子9總線連接器6ES7972-0BA50-0XA0德國西門子二、控制系統(tǒng)構(gòu)成在此項(xiàng)目中自控系統(tǒng)采用管理層、控制層、現(xiàn)場層三級(jí)控制方式。控制網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示： 對(duì)于下位控制系統(tǒng)而言，每個(gè)站根據(jù)控制點(diǎn)數(shù)的差別和現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行硬件選型配置如下所述：PLC1控制站-粗格

11、柵及提升泵房現(xiàn)場控制站本站PLC選用西門子PLC S7-400系列產(chǎn)品， CPU為CPU414-3DP?，F(xiàn)場PLC控制站與儀表、專用控制設(shè)備之間通過標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)現(xiàn)場總線（Profibus DP/PA）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，現(xiàn)場控制站通過西門子交換機(jī)SCALANCE X408-2成為廠區(qū)百兆冗余光纖以太環(huán)網(wǎng)上的站點(diǎn)，完成與中控室監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間的通訊。粗格柵及提升泵房現(xiàn)場控制站的I/O點(diǎn)為：DI=181 DO=79 AI=0 AO=0。硬件組態(tài)配置如圖3： 圖2 PLC系統(tǒng)配置圖 圖3 PLC1控制站組態(tài)圖PLC2控制站站-變配電室現(xiàn)場控制站本站PLC選用西門子PLC S7-400系列產(chǎn)品， CPU為CPU4

12、14-3DP。現(xiàn)場PLC控制站與儀表、專用控制設(shè)備之間通過標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)現(xiàn)場總線（Profibus DP/PA）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，現(xiàn)場控制站通過西門子交換機(jī)SCALANCE X408-2成為廠區(qū)百兆冗余光纖以太環(huán)網(wǎng)上的站點(diǎn)，完成與中控室監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間的通訊。變配電室現(xiàn)場控制站的I/O點(diǎn)為：DI: DI=208 DO=72 AI=0 AO=0。硬件組態(tài)配置如圖4： 圖4 PLC2控制站組態(tài)圖PLC3控制站-加氯投藥間現(xiàn)場控制站本站PLC選用西門子PLC S7-400系列產(chǎn)品，CPU為CPU414-3DP?，F(xiàn)場PLC控制站與儀表、專用控制設(shè)備之間通過標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)現(xiàn)場總線（Profibus DP/PA）進(jìn)行數(shù)據(jù)通

13、信，現(xiàn)場控制站通過西門子交換機(jī)SCALANCE X408-2成為廠區(qū)百兆冗余光纖以太環(huán)網(wǎng)上的站點(diǎn)，完成與中控室監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間的通訊。PLC3控制站與儀表和專用設(shè)備之間都通過Profibus DP接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。硬件組態(tài)配置如圖5： 圖5 PLC3控制站組態(tài)圖PLC4控制站-脫水機(jī)房現(xiàn)場控制站本站PLC選用西門子PLC S7-400系列產(chǎn)品，CPU為CPU414-3DP?，F(xiàn)場PLC控制站與儀表、專用控制設(shè)備之間通過標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)現(xiàn)場總線（Profibus DP/PA）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，現(xiàn)場控制站通過西門子交換機(jī)SCALANCE X408-2成為廠區(qū)百兆冗余光纖以太環(huán)網(wǎng)上的站點(diǎn)，完成與中控室監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間

14、的通訊。脫水機(jī)房現(xiàn)場控制站的I/O點(diǎn)為：DI=128 DO=42 AI=20 AO=0 。硬件組態(tài)配置如圖6： 圖6 PLC4控制站組態(tài)圖三、控制系統(tǒng)完成的功能西安市第四污水處理廠項(xiàng)目采用管理層、控制層、現(xiàn)場層三級(jí)控制方式。分層控制使得用戶權(quán)限分明，整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰，局部故障不影響系統(tǒng)其它部分運(yùn)行，系統(tǒng)易于擴(kuò)展和維護(hù)。3.1 三級(jí)控制方式簡述 3.1.1管理層管理層負(fù)責(zé)監(jiān)控廠區(qū)的五個(gè)PLC控制站及其下屬的各個(gè)從站的運(yùn)行情況，管理層由四臺(tái)SIEMENS工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成，安裝WINCC組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)上位系統(tǒng)的監(jiān)控和全廠報(bào)表、數(shù)據(jù)趨勢的生成。管理層通過光纖以太環(huán)網(wǎng)和五個(gè)控制層PLC通訊，通過控制層

15、對(duì)現(xiàn)場層設(shè)備進(jìn)行中控遠(yuǎn)程操作。管理層使用西門子光電交換機(jī)SCALANCE X408-2進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，通過設(shè)置固定IP地址進(jìn)行通訊。光纖以太網(wǎng)192.168.0.100192.168.0.101S7-400S7-400S7-400S7-400S7-400192.168.0.1 192.168.0.2 192.168.0.3 192.168.0.4 192.168.0.5 3.1.2控制層控制層主要功能是從管理層接收數(shù)據(jù)和指令， PLC按照預(yù)先編制的程序?qū)υO(shè)備進(jìn)行操作，并且周期掃描各個(gè)從站狀態(tài)，將現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行情況傳送至管理層控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)上下位之間、中控和現(xiàn)場之間指令發(fā)送和信息傳輸?？刂茖佑晌鍌€(gè)

16、PLC主控站構(gòu)成，每個(gè)主控站和中控計(jì)算機(jī)之間采用光纖以太環(huán)網(wǎng)連接，各個(gè)主控PLC站依照工藝及控制設(shè)備的區(qū)別進(jìn)行配置，其核心為西門子S7-400系列PLC，CPU模塊為CPU414-3DP,通過以太網(wǎng)模塊CP443-1及光電交換機(jī)SCALANCE X408-2連接至光纖環(huán)網(wǎng)。主控PLC通過PROFIBUS總線模塊CP443-5級(jí)聯(lián)現(xiàn)場總線與現(xiàn)場層S7-200從站通訊，實(shí)現(xiàn)主-從分布式控制。S7-400CPU414-3DPCP 443-5CP 443-1SCALANCEX408-2以太網(wǎng)PROFIBUS-DP總線。 。S7-200智能從站S7-200智能從站帶總線控制的電動(dòng)閥帶總線控制的變頻器3.

17、1.3現(xiàn)場層現(xiàn)場層通過PROFIBUS-DP總線和控制層通訊?，F(xiàn)場通用設(shè)備通過MCC柜進(jìn)行相關(guān)操作，MCC與主控PLC之間為硬接線，設(shè)備I/O點(diǎn)采用西門子IM153-2模塊擴(kuò)展成為總線遠(yuǎn)程I/O站。變頻器、格柵機(jī)、刮泥機(jī)、排泥閥等集成西門子S7-200 PLC作為現(xiàn)場控制從站。S7-200 PLC通過西門子EM277通訊模塊與PROFIBUS-DP總線連接，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至控制層主控PLC（S7-400）?，F(xiàn)場層過程檢測和在線分析儀表為SIEMENS、 HACH、E+H公司支持PROFIBUS-DP總線的智能儀表；污泥處理區(qū)為防爆區(qū)域，故采用具有本征安全的PROFIBUS-PA總線。在主控

18、PLC上配置IM153-2模塊和DP/PA耦合器FDC157-0,將PA總線耦合至DP總線實(shí)現(xiàn)PA協(xié)議儀表和主控PLC之間的數(shù)據(jù)傳輸。CPU414-3DPCP 443-5硬接線帶總線控制的變頻器IM153-2I/O模塊現(xiàn)場設(shè)備EM277S7-200智能從站PROFIBUS-DP總線支持DP協(xié)議的智能儀表IM153-2FDC157-0PROFIBUS-PA總線支持PA協(xié)議的智能儀表S7-4003.2基于PROFIBUS總線的主-從分布式控制系統(tǒng)和儀表集成的實(shí)現(xiàn)方法根據(jù)上述配置方案對(duì)各系統(tǒng)、設(shè)備進(jìn)行硬件組態(tài)和程序設(shè)計(jì)。編程及組態(tài)軟件為STEP7v5.4簡體中文版。系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于維護(hù)和擴(kuò)展

19、。下面分別敘述控制系統(tǒng)和儀表系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。3.2.1主-從分布式控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法對(duì)于總線遠(yuǎn)程I/O方式，設(shè)置IM153-2模塊的總線地址，在總線兩端加終端電阻并組態(tài)硬件，即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。對(duì)于S7-200 PLC，設(shè)置EM277模塊的總線地址，模塊上的“DX MODE”燈亮，代表S7-200與總線物理連接正常。將S7-200中需要傳輸?shù)母髯兞窟M(jìn)行地址映射到內(nèi)存交換區(qū)V-Memory中，200和400的CPU就是通過這個(gè)地址的一一對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的。通過上述設(shè)置和編程方式，將S7-200控制的設(shè)備和系統(tǒng)通過總線連接集成到整體自控系統(tǒng)中。3.2.2智能儀表系統(tǒng)集成的實(shí)現(xiàn)方法在儀表組態(tài)時(shí)需要注意

20、，DP/PA耦合器下連接的PA總線在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上屬于DP總線的擴(kuò)展，所以不對(duì)耦合器進(jìn)行組態(tài)。同一條DP總線上儀表地址不能重復(fù)，無論其分布在哪個(gè)PA總線上。使用“PI直接讀”命令從儀表地址中讀值，不同的讀取地址對(duì)應(yīng)不同的儀表信息，內(nèi)容要根據(jù)儀表本身組態(tài)和設(shè)置情況而定。在水處理中使用的在線分析儀表，一個(gè)變送器可能連接多個(gè)傳感器，根據(jù)探頭地址進(jìn)行相關(guān)數(shù)值的讀取。3.3自控系統(tǒng)典型程序功能描述本項(xiàng)目總線電動(dòng)閥的流程控制可以體現(xiàn)總線控制的特點(diǎn)，現(xiàn)描述如下：總線上共有24個(gè)電動(dòng)閥，因?yàn)槊拷M閥門的控制工藝一致，只是實(shí)際變量地址不同，故采用自定義函數(shù)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。自定義函數(shù)中采用形式參數(shù)作為中間變量，每次調(diào)用相

21、同函數(shù)，對(duì)函數(shù)接口賦予不同的實(shí)際參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制?？刂屏鞒虉D如下所示：選定需要成組的閥門將選定閥門依次排序每組閥門依次序開啟上一組閥門關(guān)閉到位下一組閥門開啟是否設(shè)備是否故障是報(bào)上位軟件記錄到報(bào)表否開到位是否超過時(shí)限是下一組閥門開啟否3.4 實(shí)際工程中遇到的問題及解決方法西安市第四污水處理廠項(xiàng)目是西北首家大規(guī)模采用PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)的自控儀表系統(tǒng)集成工程，經(jīng)過項(xiàng)目實(shí)踐，總結(jié)出總線技術(shù)在使用時(shí)需要注意的問題：1、 總線連接的可靠性問題在實(shí)際調(diào)試過程中，雙絞線屏蔽層有可能破損導(dǎo)致接地，使得線路接地電勢不相等，導(dǎo)致總線通訊故障。宜采用單端接地法，可有效去除接地不等勢影響；在組態(tài)時(shí)添加系統(tǒng)組織塊“OB80-0B87”,“OB120-122”作用為某個(gè)從站掉線不影響總線通訊。2、 對(duì)S7-200進(jìn)行讀寫操作時(shí)指令地址映射問題通過總線與S7-200通訊時(shí)，地址映射區(qū)“V-Memory”的設(shè)置是通訊成功的關(guān)鍵。根據(jù)西門子總線通訊規(guī)定，V區(qū)的寫操作在前端地址，讀操作在后端地址。如果沒有按照這個(gè)規(guī)則讀取，則從站和主站無法通訊。3、 智能儀表參數(shù)和數(shù)值讀取問題總線儀表的數(shù)值是經(jīng)過變送器處理過的數(shù)字信號(hào)。所以在儀表讀值時(shí)，首先要考慮信號(hào)