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1、基于Profibus总线的DCS系统在污水处理厂中的应用摘要 本文以山西省某污水处理厂为例，论述了基于Profibus总线的DCS系统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。运行表明，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 污水处理；现场总线；分布式控制1 前言污水处理厂DCS系统是根据进入污水处理厂的水量、水质等变化指标对提升泵房、PMSBR生化反应池、污泥脱水间、风机房、紫外线消毒池、排水泵房等进行控制，并把现场各子单元的工艺参数、报警参数、历史数据等通过现场总线传输到中控室的PC机上，在中控室显示器中反应出来，并能自动
2、打印。通过工业以太网和厂长办公室以及当地环保部门相连，随时监视厂里的生产情况。综合考虑投资、运行成本、处理效果、污水水质等因素，污水处理工艺可分为物理处理、生物处理和化学处理。典型的工艺流程如图1所示：图1 典型工艺流程图污水经过粗格栅清除较大的固体悬浮物后进入曝气沉砂池，在沉砂池侧壁下部鼓人压缩空气，污水中的有机物处于悬浮状态，而吸砂机则将沉砂吸出，送到砂水分离器，污水进人初沉池，至此，完成污水的物理处理工艺阶段。污水进人曝气池，保持好氧条件。对沉淀产生的污泥进行浓缩、消化、脱水等处理。大部分二沉池的污泥回流人曝气池进口。完成生物处理阶段工作后，根据需要选择化学处理方法，最终使污水达到国家排
3、放标准1。2 现场总线与分布式控制概述2.1 现场总线的概念 现场总线是一种在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，可以完成现场自动化设备之间的多点通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换.它是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。简单说，现场总线就是以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输2。2.2 现场总线技术的基本特征开放性、分散化和低成本是现场总线最显著的三大特征，它的出现将使传统的自动控制系统，产生划时代的变革，这场变革的深度和广度将超过历史上任何一次变
4、革，必将开创自动控制的新纪元。(1)开放性：现场总线是开放互连网络。现场总线标准、协议、规范是公开的，现场总线网络是开放的，既可实现同层网络互连，也可实现不同层次网络互连，用户可共享网络资源。(2)分散性：现场总线是结构与功能高度分散的系统。结构上采用了全分布式方案，设备之间可点对点、点对多点或广播多种方式通信。连接到总线上的现场设备是智能化的，且具有按照现场总线协议、规范进行数字通信的能力，并且能够实现分散的功能模块，完成测量、控制、通信的一体化。(3)低成本：现场总线开放的体系结构省去了中间的控制站，降低开发成本，且彻底分散的分布式结构，将一对一模拟信号传输方式变为一对多的数字信号传输方式
5、，节省了模拟信号传输过程中大量的D/A转换装置、布线安装成本和维护费用。2.3 Profibus现场总线技术主流的现场总线技术有以下几种：FF，CAN，Lonworks，DeviceNet，Profibus，Hart，CC-Link，WorldFIP，Interbus。下面主要介绍本文用到的Profibus。Profibus是过程现场总线的缩写，是20世纪80年代末兴起的一种高可靠性、低成本、组态方便快捷、互换性高、互操作性强、便于运行、系统开放的总线系统，代号DIN19245。Profibus具体规定了串行现场总线的技术和功能特性，它可使分散式数字化控制器从现场底层到车间网络化3。Profi
6、bus系统以ISO7498为基础，以开放式系统互联网（OS）I作为参考模型，包括ProfibusDP、ProfibusPA和ProfibusFMS。ProfibusDP是一种高速和便宜的通信连接，它专门为自动控制系统和设备级分散的I/O之间进行通信使用设计。其特点是快速、即插即用、效率高、成本低s。ProfibusPA是专门为过程自动化设计的，可用于爆炸危险区域，其特点是面向过程控制，总线供电，本征安全。ProfibusFMS是用来解决车间级通用性通信任务的，可用于大范围和复杂的通信系统。其特点是通用、大范围应用、多主通信。现场总线控制系统对现场自动化设备的要求较高，而现间段由系列智能节点（控
7、制器、传感器、执行机构等）构成的统一的现场总线系统价格昂贵且难以实现，所以由PLC、PC和现场总线组成与DCS相兼容的系统是比较经济合理的选择。2.4 分布式控制分布式控制系统(Distributed Control System)现已成为工业生产过程控制的重要手段，目前已广泛应用到电力、石油、化工、制药、冶金、建材等众多行业。传统的工业自动化系统中的现场层设备与控制器之间的连接, 是采用一个I/O 点对设备的一个测控点的连接方式,每一个数据至少需要一对双绞线, 一般每个设备只能提供单一的过程信号，大量的相关数据很难得到。传统的DCS 系统结构分为3层, 图2为一个典型的传统DCS 结构图。
8、图2 传统DCS结构 图 3引入现场总线后的DCS体系结构虽然在FCS 系统中, 一对双绞线或一条电缆上可以挂接多个设备, 使得硬件数量与投资大为降低。而且通信总线直接延伸到现场传感器、变送器、控制器和伺服机构, 使操作人员在控制室就能实现主控系统对现场设备的在线监视、诊断、校验和参数整定,从而提高了系统的精度、可监视性和抗干扰能力。但是在一些大型的控制系统中存在着许多比较复杂的闭环控制, 系统运行的模式变化也较多, 必须由运算能力强大的DCS 控制器来完成控制作用。所以, 即使出现FCS, 传统的DCS 结构依旧具有其存在的必要。引入现场总线后的DCS 体系结构如图3所示 。3 系统构成3.
9、1 DCS系统层次根据本污水处理厂工艺特点和技术要求，整个污水处理厂的DCS系统分三个层次：现场控制层、车间监控层、厂级监控层。车间监控层包括：1PLC站（预处理系统）主要包括粗格栅、提升泵、细格栅、沉砂池设备等，主要检测参数有水位、流量、液位差等；主要监控设备有粗格栅、提升泵等。2PLC站（生化处理系统）主要包括PMSBR生化反应池、风机房等，主要检测参数有溶解氧、液位、电流、电压、功率等，主要监控设备有鼓风机、泵类等。3PLC站（泥处理系统）主要包括污泥浓缩池、污泥脱水机房、紫外线消毒系统出水等，主要检测参数有液位、水量水质等，主要监控设备有泥处理设备、消毒设备4。现场控制层包括各子站、各
10、分站及现场设备。厂级监控层包括中控室及厂长办公室。PLC是整个DCS控制系统的核心，负责现场控制信号的处理、执行机构的控制。在处理的关键环节设置现场控制站，本系统中的预处理系统、生化处理系统、泥处理系统分别用一个PLC控制系统，根据实际处理情况和要求，控制泵站系统、曝气设备和排泥设备的启停和工况，以达到设备的最优运行状态，保证污水处理效果。本污水处理厂40kW以上电机全部采用软启动，避免了电机突然启停对电网和设备造成冲击。下位机采用西门子公司的S7300系列产品，它通过接口模板IM1533及ProfibusDP网和上一级的PLC站相连进行数据交换和命令传输5。系统网络结构如图4所示。图4 系统
11、网络结构图3.2 监控软件上位机采用西门子公司的WINCC监控组态软件，实现对整个工艺流程的设备运行状况的实时监控，将工艺流程以直观的画面显示出来，记录在线检测的参数、设备运行状态和过程，分析参数的变化趋势，及时发布和预告情况，实时诊断和报警6。中央控制室设置两台互备的上位机（IPC）冗余相联，有两个完全独立的中央处理站（双电源、双CPU）用以对系统进行开发编程、在线调试和数据修改、存放各种历史数据。值班员通过显示器上显示的各种曲线、报表、画面和声音，可以全面监控工厂工艺参数变化情况、设备运行情况、故障发生情况，通过键盘和鼠标对各站进行远程操作，通过设置的打印机打印所需要的各种资料，控制车间各
12、站的工作状况，根据要求对车间各站发布命令，并能将污水处理厂的各种信号经网络管理层的服务器传输。厂级监控层作为系统的人机接口单元，可实现对污水处理厂的整个产生过程进行监控，同时又可将污水处理厂的各种现场信号经以太网向上一级的管理服务器传输并执行管理层下达的命令。本系统采用Windows NT4.0操作系统、西门子公司的控制系统组态软件WINCC4.2。该软件是工控界流行的Windows界面软件，它支持TCP/IP协议，因而方便管理。利用它很容易开发各种监控界面，显示现场各种工艺参数、状态、历史曲线、故障发生情况等。并利用键盘操作来进行参数的设置及对现场设备的控制。4 结论将基于Profibus的
13、分散控制集中管理的DCS系统成功地运用于污水处理厂，实现了全厂生产过程的自动化，达到了节能降耗、保护设备的目的，减轻了工人的劳动强度，提升了管理水平，提高了工作效率和处理效果，创造了良好的社会效益，改善了周边环境，减轻了对下游水源的污染8。5 参考文献1刘均. 基于PROFIBUS的污水处理自动控制系统J.机电设备,2008(5).2刘爱英.浅议DCS与FCS控制系统J.工程技术，2010(17).3张光杰.Profibus现场总线的结构及应用J.宁夏机械，2009(2).4王小澄.集散控制系统在一级污水处理厂中的应用J.计算机工程，2007（2）.5SIEMENS.SIMATIC S7-300 Programmable Controller Hardware and Installation Mannual，20086张航.基于现场总线的集散控制系统在水厂自动化中的应用J.电工技术，2009（9）.7王小澄.集散控制系统在一级污水处理厂中的应用J.计算机工程，2007（2）.8唐维，刘树森.现代污水厂PROFIBUS总线的应用J.科技探讨，2010(6).
