基于工业以太网〔PROFINET〕的 SBR工艺污水处理自动控制系统.docx

基于工业以太网PROFINET的SBR工艺污水处理自动控制系统基于工业以太网PROFINET的SBR工艺污水处理自动控制系统推出的在PROFIBUS与以太网间全开放的通信协议。PROFINET是一种基于实时工业以太网的自动化解决方案，它以一整套完好高性能并可晋级的方式，可以为PROFIBUS及其他各种现场总线网络提供以太网移植效劳;PROFINET标准的开放性保证了其长远的兼容性与扩展性，进而可以保护用户的投资与利益。PROFINET可以使工程与组态、试运行、操作和维护更为便捷，并且可以与PROFIBUS和其它现场总线网络实现无缝集成与连接。这种跨越供给商的开放式标准建立在工业以太网根底之上，覆盖了工厂自动化的所有领域。依赖于现行的IT标准，并且无条件地支持TCP/IP协议，进而确保了公司范围内从办公区域到现场级的集成通讯。它主要包含3方面的技术：基于通用对象模型COM的分布式自动化系统；规定了PROFIBUS和标准以太网之间的开放、透明通信；提供了一个包括设备层和系统层、独立于制造商的系统模型。PROFINET采用标准以太网作为连接介质，采用TCP/IP协议加上应用层的RPCDCOM来完成节点之间的通信和网络寻址。它可以同时挂接传统PROFIBUS系统和新型的智能现场设备。现有的PROFIBUS网段可以通过一个代理设备proxy连接到PROFINET网络当中，使整套PROFIBUS设备和协议可以原封不动地在PROFINET中使用。传统的PROFIBUS设备可通过代理proxy与PROFINET上面的COM对象进展通信，并通过OLE自动化接口实现COM对象之间的调用。与其他现场总线相比，工业以太网应用主要有以下特点：1实时通信采用以太网交换技术、全双工通信、流量控制等技术，和确定性数据通信调度控制策略、简化通信栈软件层次、现场设备层网络微网段化等针对工业经过控制的通信实时性措施，进步了以太网通信的实时性。2总线供电采用直流电源耦合、电源冗余管理等技术，设计了能实现网络供电或者总线供电的以太网集线器，解决了以太网总线的供电问题。3远间隔传输采用网络分层、控制区域微网段化、网络超小时滞中继和光纤等技术实现了以太网的远间隔传输。4网络平安采用控制区域微网段化，各控制区域通过具有网络隔离和平安过滤的现场控制器与系统主干相连，实现各控制区域与其他区域之间的逻辑上的网络隔离。5可靠性采用分散构造化设计、EMC设计、冗余、自诊断等可靠性设计技术等，进步基于以太网技术的现场设备可靠性。6一网到底即它可以一直延伸到企业现场设备控制层，所以被人们普遍认为是将来控制网络的最正确解决方案，工业以太网已成为现场总线中的主流技术。工程理论证明，在组建企业工控网络时采用PROFINET通讯技术可以节省近15%的硬件投资。3控制系统组成及功能设计当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。所以本系统采用的工业以太网PRIFINET或者现场总线PROFIBUS等技术，适应了当前的这种需求。为了加强系统的可靠性，使整个系统可以长时间无故障地运行，上位监控系统还采用容错冗余技术。3.1系统组成及特点根据全集成自动化TotallyIntegratedAutomation的思想，将污水厂控制系统分为管理级、控制级、现场级。系统简图如下页图：1管理级管理级是系统的核心局部，完成对污水处理经过各局部的管理和控制，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。管理级的工业计算机具有互相通讯的功能，实现数据交换或者分享。考虑到管理层功能构造的层次性和可分割性，采用客户/效劳器ClientServer的体系构造。效劳器选用大型的网络关系数据库，知足开放、分布式数据库管理方式的要求。效劳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效劳器作为上位机，安装有WinCC组态软件的完全版和冗余软件包，两台效劳器互为备用，实现冗余，进步系统的可靠性。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好性和监控操作的连续性。假如一个WinCC效劳器出现故障，该效劳器的客户机工作站自动从发生故障的效劳器切换到备用的效劳器上，使所有的客户机始终可以监控消费经过，修复后的效劳器回到系统后，自动实现归档数据的匹配,管理级与控制级的数据交换均采用了工业以太网,真正表达了公司范围内从办公区域到现场级的集成通讯。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。其主要功能是承受管理层设置的参数或者命令，对污水处理消费经过进展控制，同时将现场状态输送到管理层。控制器是整个系统的核心，所以在控制级中，主要采用三套Siemens公司S7_300CPU315_2PN/DP型PLC组成,采用光纤和交换机构建成数据交换网络,CPU315_2PN/DP配有集成的PROFINET接口,通过该接口连接I/O现场设备,STEP7包含有所需的驱动,可以以延伸到低端PROFIBUS上的设备,而无需重新连接编程器.现场设备也可以使用额外集成的PROFIBUS接口进展连接,而且,PROFINET接口可以用于单元级的通讯.PRIFINETCPU可以使用STEP7在工业以太网上通过编程器/PC进展编程.3现场级现场级是实现系统功能的根底。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、传感器参数进展监测，并把监测到的数据上传；承受控制级的指令对执行机构进展控制。由于控制设备比拟分散，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，本钱高，柔性度低。通过开放的、标准化的现场总线PROFIBUS系统来连接现场控制部件一些控制设备可能是第三方厂商提供，是解决这些问题的最正确方案。分布式配置意味着可编程序控制、I/O模块和现场设备通过PROFIBUS_DP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，可就地转换和处理经过信号。进而保证了控制级与现场级控制设备的独立和兼容，同时解决了与第三方设备撇水器、脱水机等通讯问题,本系统的第三方设备均使用了SIEMENS公司性价比拟高的S7_200小型PLC,通过其附加通讯模块EM277可与PROFIBUS现场总线相连接,进而方便了运行经过中的系统维护和修理。污水处理经过中，需要实时地在线监测各种水质参数以保证准确的工艺运行参数和及时显示处理结果。在本系统中传感器数量大、种类多，包括pH、SS固体悬浮物、DO溶解氧、COD、液位传感器和电磁流量计、压力计等。传感器全部采用德国Endress+Hauser公司的产品，这些传感器都带有PROFIBUS_DP接口，利用这些智能接口，这些仪表能与自动化经过控制系统集成，这样获得的所有经过参数可以集中显示，同时作为工艺的控制参数。3.2工艺控制规律软件编程的主要根据为消费工艺提供的控制规律。同一种处理工艺可能会有不同的控制策略，根据目前的研究状况，SBR工艺的控制可以分为三种：第一种是生物浓度法。是指根据在线测得的水质参数与设定参数形成闭环控制；第二种是反响时间控制。对于时间控制规律而言，它是根据对SBR反响的五个阶段所需要的时间进展自动控制的。第三种是流量程序控制。是根据污水流量的变化来调整各个阶段所需时间进展自动控制。后两种控制方法都不是根据废水的水质变化来改变某些运行参数进展自适应控制的。生物浓度控制的根本思想是动态的控制SBR的反响时间,使其中的有机物浓度用COD或者BOD表示到达允许的排放标准，就停顿曝气。在线测定有机物浓度的BOD或者COD传感器比拟贵，一般都在几十万元，目前还没有应用报道，而且实时性比拟差，反响时间慢。时间控制程序是根据对SBR反响池的五个运行阶段所需要的时间进展自动控制。该方法不是根据污水的水质变化来改变某些运行参数进展自适应控制。对于进水时间、曝气时间、沉淀时间、排水时间及闲置时间均可由上位机设定。SBR反响池的各段工艺经过及其执行时间均严格按时序进展，每个反响池的任何设备均可通过电气柜上的手动/自动转换开关改变其状态，但均不能改变PLC所设定的工作时序，并且一旦切入自动状态后便进入PLC所设定的时序。在自动状态下，操作人员在中心控制室可以通过人机界面实现远程遥控操作。现场设备的工作状态均送往上位机显示。3.3控制程序特点根据以上情况，对应设计了多种控制形式，可根据实际情况由上位机选择运行。1生物浓度法控制程序生物浓度法采用反应控制，利用在线测得的进水水质参数作为输入，按照预先确定好的控制模型进展运算，然后用计算的结果作为输出控制现场的设备，动态控制反响时间，以到达控制反响的目的。2时间控制程序本控制系统严格按照时序、按顺序工作。允许在工作经过中任意进展遥控、自控切换且不影响工作时序。3分组工作程序由于该污水处理厂来水水量不平衡,造成生物处理池的负荷无法平衡,同时吨能量消耗大,运行极不经济。故我们采用了分组运行的方法,每两个生物处理池为一组，既可以两组同时运行，又可以一组投运自动运行，另一组备用手动控制的方式。一方面解决了生物处理池的负荷问题，另一方面也解决了处理池相关设备的检修问题。4上位机组态软件对SCADA数据收集与监控系统系统要求：通过工业以太网PROFINET，具有与多台下位机系统通讯的才能，实时监控多台下位机的工作状态，显示消费经过中的工作曲线；具有远程控制才能；向下位机收集数据，对历史数据进展存储、查询、显示、打印等。因此，在一个自动监控系统中，运行的监控组态软件是系统的数据采集处理中心、远程监视中心和数据转发中心，与各种控制、检测设备如PLC、智能仪表等共同构成能快速响应的控制中心。本系统选用了Siemens公司WinCCWindowsControlCenter6.0组态软件。WinCC具有控制自动化经过的强大功能，是基于个人计算机，同时具有极高性价比的SCADA级操作监视系统。在两台效劳器上安装效劳器版和冗余软件包，工作站上安装运行版。监控系统的功能及特点：1界面显示具有全中文显示，界面友好，操作方便。操作画面采用主菜单的形式，在每幅画面下通过按钮进展切换。在中心控制室能对全系统被控设备进展实时控制，如启停设备，在线设置PLC中程序的某些工艺参数等。机械处理监控界面2实时画面显示功能用图形实时地显示各现场被控设备的运行工况，和现场的状态参数。用模拟仪表、趋势图、曲线、柱状图动态显示参数的实时变化情况。根据阀门开闭及水泵的启停状态，消费管理人员可以快速、明晰地解析整个系统的消费运行情况。3数据管理数据库存储消费经过数据，供统计分析使用。工作人员可以定期把历史数据库备份到其它存储介质，以便于历史数据的查询。利用数据库中的数据进展比拟和分析，得出一些有用的经历参数，有利于优化SBR工艺的闭环控制。4报警功能当参数超过设定范围或者设备发生故障时，可根据组态发出不同等级的声光报警。在每幅画面的最下方都有一个报警框，显示最近发生的报警事件。所有报警信息都可显示在报警综合监视画面，所有的报警信息均被记录在报警数据库中，通过此画面可以查看当前系统的所有报警信息，可以查看长达几个月的报警历史数据，便于以后的事故分析使用。5报表打印功能可以实现报表和图形打印和各种事件和报警实时打印。打印方式分为定时打印和事件实时触发打印。6通讯功能WinCC是基于标准的Windows平台开发的SCADA系统软件，充分考虑了与其它系统交换信息的必要性，支持如DDE，OLE，ODBC，OPC和SQL等标准。可以提供多种方式与上层系统数据交换。7冗余功能两台装有WinCC组态软件的效劳器互为冗余，确保数据完好，进步了系统的可靠性。5完毕语在污水处理控制系统中采用工业以太网PROFINET改变了传统的现场总线及全模拟量传输的数据交换方式，在现场总线级实现了Ethernet数字传输，到达了进步信息传送间隔、传送数据量和传送精度的目的，增强了现场控制灵敏性，降低了数据交换网络初装费和设计施工费用，到达了减少电缆敷设，易于维护和扩展的目的。该控制系统2006年度底在中科国益涿州污水处理厂已投入正常运行，实现了污水处理SBR工艺的自动控制，网络数据交换及控制功能特别稳定,污水处理的效率和效果特别理想，同时降低了能耗，得到了用户的认可,进而获得了良好的经济效益和社会效益。参考文献1西门子ProfiNET系统讲明书.A5E00879148_012006/102尹朝朱历电气时代.终结还是重生_现场总线E路前行,2004/7期3阳宪惠.现场总线技术及其应用.北京：清华大学出版社，19994高艳玲马达等污水生物处理新技术北京：建材工业出版社20060