西门子PCS7系统在上海竹园第一污水处理厂中的应用 5页

西门子PCS7系统在上海竹园第一污水处理厂中的应用龙靖曹丽芹吕亚军戚琛琛（上海电器科学研究所(集团)有限公司）摘要:以上海市竹园第一污水处理厂的现场总线控制系统为例，论述了总线和冗余技术在污水处理领域的应用。对系统的硬件、软件结构及工作原理进行了说明。运用表明，该系统能够满足污水处理的自动控制要求，并且具有先进、可靠、控制性能好等优点。关键词:PCS7过程控制系统现场总线可编程控制器1．项目概述竹园第一污水处理厂为上海市合流污水治理一期工程续建工程。污水处理厂建设用地位于浦东外高桥现有合流污水一期工程出水高位井附近。工程规模为170万m/d，旱季最高日最高时流量25.04m/s，雨天设计合流污水量为49.32m/s，超限部分经超越管渠道直接溢流出厂外；污水处理采用化学生物强化一级处理工艺。2．PCS7控制系统实现的模式全厂控制系统分为三个级别，即管理级、现场级、控制级。2.1管理级管理级设在污水处理厂综合楼内的中央控制室（简称中控室），监控管理计算机系统通过工业以太网，采用冗余光纤电缆环网与各PLC分控站连接。集中监控各个分控站设备的运行状态。管理级选择工业以太网通讯，两台安装组态软件的冗余服务器作为主站，安装在控制室内，可以同时收集现场数据。服务器采用WinCC组态软件，并配有服务器软件包选项。中控室完成全厂的自动控制和生产管理，它监视、管理、控制整个污水处理厂的全部生产过程和工艺过程。中控室设置冗余C/S(客户机/服务器)结构形式的计算机网络，还设有工程师操作站、便携式编程站、大型动态模拟显示屏、闭路电视监控系统、DLP图像投影装置、数据图表打印记录装置。中控室的操作人员通过操作站的人机界面监视生产过程，调整工艺参数，控制现场设备。模拟屏控制器负责将全厂生产工艺动态数据送到模拟屏显示。模拟显示屏动态显示的内容包括各主要设备的状态、电气系统状态、主要现场数据(如进出水水质、流量、液位、事故报警等)。图像投影装置可显示闭路电视监控图像和监控管理计算机系统的所有屏幕显示图像。各种报表，过程曲线等可由不同功能的打印机输出。综上所述，具体实现功能如下：（1）控制操作：在中心控制室能对被控设备进行在线实时控制，如启停某一设备，调节某些模拟输出量的大小，在线设置PLC的某些参数等。（2）显示功能：用图形实时地显示各现场被控设备的运行工况，以及各现场的状态参数。\n（3）数据管理：依据不同运行参数的变化快慢和重要程度，建立生产历史数据库，存储生产原始数据，供统计分析使用。（4）报警功能：当某一模拟量（如电流、压力、水位等）测量值超过给定范围或某一开关量（如电机启停、阀门开关）阀发生变位时，可根据不同的需要发出不同等级的报警。（5）打印功能：可以实现报表和图形打印以及各种事件和报警实时打印。打印方式可分为：定时打印、事件触发打印。2.2控制级控制级设五座分控站，PLC1～PLC5站，它们分别由一块电源模块PS407和一个S7-400系列可编程控制器CPU416-2模块及两个CP443-1以太网模块实现以太网冗余，及若干个CP443-5DP模块组成，主要功能是接收管理层设置的参数或命令，对污水处理生产过程进行控制，将现场状态输送到管理层。集中处理所有的控制算法、监控设备的自动运行。集中控制使得整个污水厂控制系统各个部分之间能够完全协调工作。根据工艺上工作区的划分，现场控制站控制区域分别为：(1)PLC1现场控制站：合流一期入流井、外高桥入流井、细格栅、漩流沉砂池、汇流井、1＃切换井、厂区污水泵房、分变配电室。(2)PLC2现场控制站:快速混合池1～24、生物絮凝反应池1～24、平流沉淀池1～24、回流及剩余污泥泵组1～2、1＃分变配电室。(3)PLC3现场控制站:快速混合池25～48、生物絮凝反应池25～48、平流沉淀池25～48、回流及剩余污泥泵组3～4、2＃分变配电室。(4)PLC4现场控制站:2＃切换井、3＃切换井、出口泵房、污水厂出流井、厂区雨水泵房、4＃分变配电室。(5)PLC5现场控制站:鼓风机房、加药间及药剂贮罐、污泥浓缩池、污泥调节池、脱水机房、分变配电室。污水处理厂平面图如下所示：\n2.3现场级现场设控制备主要包括格栅、鼓风机、污水泵、回流污泥泵、剩余污泥泵、脱水机、搅拌器、刮泥机、电动阀门、闸门、电动堰门、输送机及各种水位仪表及水质分析仪器检测数据的采集并做到关键设备的连锁，实现整个污水处理过程的自动化。现场级控制采用PROFIBUS-DP现场总线，现场仪表主要以DP、PA接口形式挂接至总线,其中PROFIBUS-PA适用于PROFIBUS的过程仪表自动化,PA将自动化系统和过程控制系统与压力、温度和液位变送器等现场设备连接起来；ET200M远程单元通过IM153-2DP总线接口模块连接在PROFIBUS-DP总线上。每个ET200M单元均由IM153-2总线接口模块和其他若干S7-300系列数字量、模拟量输入输出模块组成。现场级控制在现场进行工艺检测参数、设备运行工况信号的采集、检测和控制，并向中央控制室进行实时传送。中央控制室可调用各现场站的全部运行信息，在中央控制室可控制现场主要设备的启动和停止,并通过视频摄像系统实时监视全厂的运行状况。3．PCS7控制系统的配置：\n（1）采用PCS7过程控制系统作为全厂的自动化系统硬件平台，5个现场控制站分别有一套PCS7现场控制器（S7400系列），该现场控制器包括电源模块，带DP口的CPU模块，和现场DP设备接口的DP模块，还有为实现各现场控制站和中央控制室组成一个光纤环形冗余通讯网速率为100M以太网络系统所必需的以太网接口模块，因传输距离较远，为把干扰和信号的衰减降低到最低限度，各控制站及中央控制室间信号的传输采用光缆介质，各控制站柜内配置有光纤交换机，提供光缆接口。（2）在现场控制站中，以S7-400作为主站,主要采用带有热插拔特性(HOTSWAP)的ET-200M系统作为现场远程分布式输入输出从站，该系统可允许模块插入和取出，而不必停止设备运行，大大提高了系统的可靠性。所有现场设备的输入输出信号连接到ET-200M，ET-200M可通过PROFIBUS－DP与现场控制站S7-400通讯。在ET－200M现场总线I/O子站上可扩展任何一种用于S7可编程控制器的I/O信号模块、功能模块和通讯模块。由于ET－200M具有出色的模块扩展能力因而特别适用于解决独立的、复杂的控制任务。ET－200M在PROFIBUS－DP现场总线中作为一个被动的站(从站)，其最大的数据传送速率可达12Mbit/s。另外在一些重要区域对于重要设备,为降低风险系数,就地主要采用S7-200和S7-300作为从站与主站进行数据交换。PROFIBUS－DP主要用于设备级的高速数据通信。带有PROFIBUS-DP接口的中央控制器（CPU）以高速串行连接的方式与分散现场设备（I/O、设备、阀门等）通信，这种和分散设备之间的数据通信通常是以循环的方式进行。现场仪表主要以DP,PA接口形式挂接至总线.（3）中控室配置工程师站、操作员站、模拟屏、模拟屏计算机、背投及打印机等设备。其中工程师站为过程控制系统提供系统和全厂范围的编程、人机接口、自动化系统、以及分布式I/O。工程师站具有操作员站的全部功能，编程、组态、调试和修改等由工程师站完成，此外还可以完成复杂计算和特殊控制功能，而且具有自诊断功能和在线/离线组态功能。PCS7系统的人机接口是基于WINCC5.2版。为WINCC额外提供专门设计用于过程控制系统选件，它与基本的WINCC功能结合，形成一种完整的、功能强大、现\n代化的操作员站。模拟屏计算机通过PCS7系统读取现场设备仪表的状态数据，通过模拟屏内部控制器与模拟屏进行实时通讯，动态模拟显示现场状况。利用PCS7强大的报表功能能实现动态曲线及历史报表的打印工作。4．PCS7控制系统的功能及优势：（1）采用优秀的上位机软件WinCC作为操作和监控的人机界面，利用开放的现场总线和工业以太网实现现场信息采集和系统通讯，采用S7自动化系统作为现场控制单元实现过程控制，以灵活多样的分布式I/O接收现场传感检测信号。（2）基于全集成自动化思想的系统，其集成的核心是统一的过程数据库和唯一的数据库管理软件，所有的系统信息都存储于一个数据库中。（3）系统大量采用了新技术,在网络配置上使用标准的工业以太网和PROFIBUS网络。（4）PCS7过程控制系统消除了DCS和PLC控制系统的界限,真正实现了仪控和电控的一体化。（5）通过冗余的100Mbps光纤环网(工业以太网)相连接,分别将信号传送至中央控制室,全厂主要机泵等运转设备的开、停和故障信号都将在过程控制系统和中央控制室的大型模拟屏上显示。大大加强了网络抗电磁干扰的能力,省去了采用普通双绞线连网所必须考虑的防雷击及过电压保护的措施,使得控制系统安全可靠,风险系数大大降低。（6）系统的现场控制站采用带有带电热插拔特性的SIMATICET200M分布式输入/输出控制站,允许控制站中的信号模块在系统运行的情况下插拔,而无需停止系统,大大提高了系统的可靠性。（7）PROFIBUS总线的采用，在不降低中控室反应速度的基础上，大大节省了电缆敷设工作和费用，特别是在污水处理厂这样恶劣的环境，为以后的维护工作打下了良好的基础。（8）系统开放性强，易于连接到企业管理网，可与常见的办公软件进行数据交换，可大幅度地降低工程设计，维护费用。5．结论PCS7控制系统作为全厂的精髓和灵魂，它使上海市竹园污水处理厂的300多套机械设备和200多套仪表自动化程度达到了一个较高的层次，很好地实现了分散控制、集中管理的思想，充分协调好了全厂各类主要设备高效、可靠地运行；同时也证明了总线系统在大容量系统中也能很好的应用，在自动化系统可靠性的前提下，最大限度地降低了运行成本。参考文献1．《进程控制现场总线——工程、运行与维护》作者：陈小枫董景辰清华大学出版社2．《集散控制系统与现场总线》作者：杨宁赵玉刚北航出版社