PLC軟冗余系統在城市污水處理工程中的應用

摘 要:目前國內中小城市污水處理控制系統的設計選型中明顯的延續有大型污水處理控制系統的痕跡，控制系統的大型化、復雜化是當今很突出，很普遍的現象。主要介紹西門子S7-300 PLC軟冗余系統在中小城市污水處理控制系統中的應用，介紹了軟冗余系統的工作原理、設計選型、網絡組態及在中小城市污水處理控制系統中應用體會。實際應用證明采用該系統既保證了可靠性、穩定性和實時性，又降低了工程建設成本。

關鍵詞:可編程序控制器; 軟件冗余; 工業以太網; SIMATIC S7-300; Profibus協議

中圖分類號:TP273 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)09-0205-03

Application of PLC Soft-redundant System in Urban Waste Treatment Project

GUI Yue-wu

(Shanghai Municipal Engineering Design General Institute， Hefei 230061， China)

Abstract: It is evident that the design selection of current waste treatment control systems in domestic medium and small citiesstill reserve the trace ofthe large-scale waste treatment control systems. The adoption of the large-scale and complex control system is a very prominent and common phenomenon. The application of Siemens S7-300 PLC soft-redundant system in the medium and small urban waste treatment control system is introduced. The working principle of soft-redundant system， design selection， network configuration and the application experience in the medium and small urban waste treatment control systems are described. The actual application proves that the system not only guarantee the reliability， stability， and real-time， but also reduce the project construction cost.

Keywords: PLC; soft-redundant; industry Ethernet network; SIMATIC S7-300; Profibus protocal

0 引 言

隨著我國經濟發展和城鎮化進程的加快，中小城市污水量呈現逐年增加趨勢，為減少污水收集管網的工程建設投資，中小城市污水處理設施呈現分散、規模小等特點[1]。受經濟發展水平、處理要求、運營管理經驗和水平等影響，大型污水處理控制系統難以適應這些中小污水處理工程的建設要求，尋找適合城市中、小污水廠的污水處理控制系統顯得十分重要。本文介紹西門子S7-300 PLC 軟冗余系統在安徽無為縣城污水處理廠的成功應用，該系統既保證了系統的可靠性、穩定性和實時性，又降低了工程建設成本。

1 系統介紹

安徽無為縣城污水處理廠是一座由安徽現代污水處理有限公司按BOT方式(建設-運行-移交)籌資建設的的城市污水處理廠，處理規模一期40 000 m3/d，廠址位于無為縣城東北部陳家村西側，占地面積約3.34公頃。無為污水處理廠主要處理來自縣城東北區約13萬人的生活污水及工業廢水，采用A/A/O工藝，主要構筑物包括粗格柵及進水泵房、細格柵及旋流沉沙池、生物反應池、二沉池配水井及污泥泵房、二沉池、紫外線消毒渠和儲泥池等[2]，其流程圖如圖1所示。設計要求出水水質達到GB18918-2002國家一級B排放標準，污水處理過程中產生的污泥采用濃縮脫水處理后外運至垃圾填埋場填埋。

圖1 無為污水處理廠一期工藝流程圖

無為污水處理廠控制系統設1個監控中心(中控室)、3個現場PLC站(模擬屏站PLC01、變配電間站PLC02、污泥脫水間PLC03站)。其中變配電間站最為重要，主要控制提升泵站、格柵井、沉沙池、氧化溝、二沉池、回流泵站、剩余污泥泵站、貯泥池的自動運行。關鍵控制對象是氧化溝中的含氧量和回流污泥量，以保證維持微生物的生存環境，達到去除原污水中污染物的目的。

2 選型比較

對于變配電間站控制系統的選型，以前類似工程大多采用A-B公司的ControlLogix系列或是西門子S7-400系列的硬件冗余系統，具有穩定性好、切換速度快等優點，但造價相對昂貴，是國內大型污水處理控制系統的優先選擇。目前中小城市的污水項目很多為BOT項目且對控制系統切換時間要求條件不是太高，所以要求控制系統選型時既要保證性能，又要降低成本。據德國西門子公司提供的資料，硬件雙機冗余系統的價格比軟冗余系統高40%左右，但可用率只提高0.08%[3]。在國外大部分同等規模的污水處理廠中也未采用雙機硬件冗余系統，所以需要對控制系統的技術有更深入的了解，避免在設計選型上照抄、照搬。通過對西門子硬件冗余和軟件冗余系統的深入分析和性能比較，最后決定選用價格相對便宜而性能又比較穩定的軟冗余系統。

3 軟冗余系統結構和原理

控制系統冗余常見方式是中央處理器冗余、I/O冗余和通訊冗余。中央處理器冗余是在主處理器失效時，備用處理器自動投入運行從而接管控制。在控制權的交互方式上又分為硬件冗余和軟件冗余兩種。硬件冗余是采用硬件方式進行切換，除成對的使用中央處理器外，還需專用的熱備模塊負責檢測處理器，一旦發現主處理器失效，馬上將系統控制權交給備用處理器。硬件冗余采用光纖通訊，通訊速度快，系統穩定，切換時間更短，但是成本也高。軟件冗余方式只需要成對的處理器，用軟件編程的方式進行處理器的切換，組成比較經濟，構成十分靈活，但程序處理需要一定的時間，對于時鐘同步及切換時間要求不是十分嚴格的場合，選用軟件冗余方式是非常經濟有效的[4-5]。

3.1 系統結構

軟冗余系統的基本結構如圖2所示。

西門子S7-300 PLC 軟冗余系統由A和B兩套PLC控制站組成。開始時A站為主，B站為備用，當主站A中的任何一個組件出錯，控制任務會自動切換到備用站B當中執行，這時，B站為主，A站為備用，這種切換過程是包括電源、CPU、通訊電纜和IM153接口模塊的整體切換。系統運行過程中，即使沒有任何組件出錯，操作人員也可以通過設定控制字，實現手動的主備系統切換。這種手動切換功能對控制系統的軟硬件調整、更換和擴容非常有用的[6]。

圖2 軟冗余系統的基本結構

3.2 系統工作原理

在軟冗余系統進行工作時，A，B控制站(處理器，通訊、I/O)獨立運行，由主站的PLC掌握對ET200從站中的I/O控制權。A，B站中的PLC程序由非冗余(non-duplicated)用戶程序段和冗余(redundant backup)用戶程序段組成，主系統PLC執行全部的用戶程序，備用系統PLC只執行非冗余用戶程序段，而跳過冗余用戶程序段。軟冗余系統中PLC內部程序運行過程如圖3所示。

圖3 軟冗余系統PLC內部運行圖

在主控制站發生故障時，主備控制站的切換時間=故障診斷檢測時間+同步數據傳輸時間+DP從站切換時間。如果CPU的故障是停機或斷電，故障診斷為大約100~1 000 ms。數據同步所需時間取決于同步數據量的大小和同步所采用的網絡方式，目前普遍采用Ethernet網方式。以CPU 315-2DP為例，同步1 000 B的數據所需時間大約為[7]200~300 ms。還有2個DP從站的切換時間在70 ms左右[8]。無論控制程序循環掃描到哪里，當前激活的系統(即主系統)隨時都會接收并處理報警，但在主系統A與備用系統B進行切換過程中產生的報警存在被丟失的可能[9]。

4 硬件選型

無為縣城污水處理工程變配電間站軟冗余系統選用SIMATIC S7-300系列PLC，中央處理器為 CPU315-2DP，編程軟件為Step7 V5.2。其中PLC本體與遠程I/O通訊為PROFIBUS協議的串口通訊，PLC與計算機采用工業以太網，并以工業以太網作為冗余網絡。其PLC模塊選型[10]如下:

(1) 電源模塊6ES7307-1EA00-0AA0兩塊給CPU供電;

(2) 中央處理器CPU315-2DP 6ES7315-2AG10-0AB0兩塊，工作存儲器512 KB;

(3) 通訊模塊6GK7343-1EX20-0XE0兩塊與計算機進行網絡通訊并進行兩個CPU間的冗余通訊;

(4) 接口模塊6ES7153-2AA02-0XB0兩塊進行PROFIBUS遠程I/O和系統間的冗余通訊;

(5) 電源模塊6EP1333-2AA00兩塊給ET200供電;

(6) DI數字量輸入模塊6ES7321-1BL00-0AA0 六塊采集現場設備的開停、運行及故障狀態;

(7) DO數字量輸出模塊6ES7322-1BL00-0AA0 三塊控制現場設備的啟停;

(8) AI模擬量輸入模塊6ES7331-7KF02-0AB0 四塊采集現場的液位、壓力、流量、PH/T、濁度以及風機和加藥泵的頻率信號;

(9) AO模擬量輸出模塊6ES7332-5HF00-0AB0 兩塊通過程序的PID自動控制調節風機和加藥裝置的頻率。

5 系統檢測結果

變配電間站S7-300軟冗余系統投入運行后系統工作正常。在工程調試時，技術人員通過設定控制字實現手動的主備系統切換。測試時沒有出現主從系統切換時中斷，切換時一切控制正常，包括控制繼電器不會斷開、模擬量輸出控制變頻器轉速不會丟失等。還有測試時PROFIBUS總線傳輸正常，沒有掉落模塊的情況出現。這表明西門子S7-300軟冗余系統應用于對主備系統切換時間要求不高的中小型污水處理控制系統中是完全可行的。

6 結 語

該系統于2006年9月投入使用，運行順利，用戶對選擇軟冗余系統非常滿意。目前本系統已經成功推廣到安徽阜陽、安慶、淮南和宿州等地的污水處理系統中，用戶反映非常良好。通過上述項目，證實PLC軟冗余系統完全可以滿足中小型污水處理控制系統的技術要求，基本實現無憂切換。PLC軟冗余系統在生產中的實際使用，為企業帶來了效益，相信也為這種冗余系統廣泛推廣到其他行業應用提供了一定的參考價值。

參考文獻

[1]朱雁伯.中國城市污水處理事業發展現狀與趨勢[DB/OL].[2006-11-5].http://www.66wen.com，2006.

[2]張統.污水處理工藝及工程方案設計[M].北京:中國建筑工業出版社，2002.

[3]SIEMENS.S7-300/400 CPU選型手冊[M].北京:西門子公司，2003.

[4]崔堅，李佳.西門子工業網絡通信指南[M].北京:機械工業出版社，2003.

[5]李強，王磊.PLC軟件冗余系統在燃油鍋爐中的應用[D].西安:西安理工大學，2006.

[6]SIEMENS.S7-300軟冗余指南[M]. 北京:西門子公司，2003

[7]SIEMENS.SIEMENS SIMATIC PROFIBUS-DP應用技術手冊[M].北京:SIEMENS AG，2001.

[8]楊憲惠.現場總線及其應用[M].北京:清華大學出版社，1999.

[9]SIEMENS.西門子軟件編程手冊[M].北京:西門子公司，2005.

[10]SIEMENS.S7-300可編程序控制器硬件和安裝手冊[M].北京:SIEMENS AG， 2004.