現場總線技術在小區污水處理電氣控制系統中的應用

曾科 金世峰 徐祥

摘要：在簡要介紹現場總線技術及現場總線控制系統結構和優點的基礎上，重點分析了PROFIBUS現場總線在水處理系統遠程提升泵站監控系統中的通信實現。

關鍵詞：現場總線可編程控制器組態軟件Wincc

中圖分類號：TM93 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2012)06(c)-0044-02

1 引言

隨著經濟的發展與社會的進步,人們對居住環境保護越來越重視,很多房地產開發商都為自己開發的樓盤建立了污水處理站。深圳星河·丹堤是深圳市高品質的樓盤之一,它占地面積近6.2萬平方米,該小區生活污水水處理系統采用SBR處理工藝,而水處理系統設有9個遠程提升泵泵站分布在該樓盤的各個樓棟來收集各樓棟的生活污水。由于各泵站分別處于小區不同的位置,泵房布置較分散,泵房間最遠距離近1000米,每個泵站的提升泵與管道破碎機等設備開啟時間與停機時間不固定,如果在各泵站安排值班人員進行值班,將較多耗費人力、物力。所以需對遠程泵站的設備采用可編程控制器進行自動化遠程控制,而當今先進的PROFIBUS現場總線控制技術,可將泵站設備的運行置于計算機遠程自動監控,既可保證每個泵房供水的獨立性,又可實現9個泵房一體控制。不僅可以節約大量的人力物力資源,而且可以對每個設備的運行狀態、集水池的液位狀態進行實時的檢測與記錄,有利于設備故障提前預警與緊急情況提前準備。

2 總線技術及優點

現場總線控制系統技術是上世紀80 年代中期在國際上發展起來的一種嶄新的工業控制技術,它是用于現場儀表及現場設備與控制室主機系統之間的一種開放的、全數字化、雙向、多站的網絡通信系統。目前世界存在多種總線標準協議如PROFIBUS,DEVICENET,MODBUS,CAN等,它實現設備單元間的多節點、雙向串行、數字化通信系統,極大地簡化了傳統控制系統繁瑣且技術含量較低的布線工作量,使其系統檢測和控制單元的分布更趨合理,其布線簡單、開放性、實時性、可靠性,廣泛應用于環保、水處理、交通、電力、工業流程生產等領域。

3 控制系統的框架結構與功能描述

每個泵房設置壹臺PLC控制柜并配置相應的模塊,使其具備以下功能:①控制潛水泵與管道式破碎機等設備的啟動與停止;②采集集水池的液位高度信號并上傳;③設置本地與遠程控制選擇開關,使其實現本地手動與遠程計算機控制。

在中控室上位監控計算機具備以下功能:①顯示設備狀態、操作設備;②參數設定,包括設定破碎機的循環周期與運行時間、兩臺提升泵均在自動狀態時的輪值時間、其它設備的運行與停止;③數據匯總,變化趨勢曲線,歷史數據資料的存儲、檢索、查詢功能,報表匯總及打印功能等。

因為該系統9個提升泵之間的距離較遠,整個網絡需要連接的現場設備比較多。因此在選擇網絡時,需要考慮以下因素:網絡通信功能的實時性和可靠性、可擴展行;設備的統一性要求。綜合以上一些因素,方案采用SIEMENS公司的現場網絡產品PROFIBUS-DP網路。

PROFIBUS控制系統可使分散的設備與儀表及控制器傳輸的數據數字化。系統分為主站和從站,主站決定總站的數據通信,當主站得到總線控制權時,從站沒有請求也可以主動發信息;從站作為外圍設備,只對受到的信息予以確認或當主站發出請求時向它發送發送信息。在本監控系統中,上位計算機、組態軟件等為上層監控設備;總線連接的現場設備構成下層通信網絡。系統結構,見下圖網絡拓撲圖(如圖1)。

PROFIBUS-DP通信協議定義中,要求連入現場網絡的數據的傳輸速率最高為12Mbit/S。本系統由于泵站位置相對分散,最遠一個3#泵站距離中控室將近1000米。由于通信距離較遠,需將傳輸速率降低才能滿足需要;當傳輸速率設定為9.6KBit/S—187.5KBit/S時,傳輸距離可以達到1200米。

所有遠程提升泵站內的設備運行均由總控中心控制系統來控制,實現整個系統的合理調度、管理與監控。中控室上位計算機設一臺帶工控機并安裝CP5611通信卡與WINCC 6.0,S7-300可編程控制器為DP主站,通過PROFIBUS現場總線與泵房的控制柜內EM277 DP模塊相連,監控泵房的S7-200 CPU226可編程控制器收集水泵的狀態、破碎機的狀態、閥門的狀態、液位、壓力等信息并控制閥門與電機,以配合控制各水泵的起停及轉速,達到優化的目的,并形成遠程分布式控制系統。中控室控制系統主要實現功能為:實時數據采集、數據分析及處理、控制調節、畫面顯示、遠程通信、人機對話、安全驗證。監控畫面包含小區內所有泵站的運行情況、設備狀態、工藝流程、液位高度監控等,而且系統采集的各數據信息能在相應的畫面上動態實時顯示。每個畫面都有畫面切換控制按鈕,可以方便地設定智能調節的各個參數、監控各泵站的設備、顯示故障報警記錄與各種趨勢曲線等。整個系統對于各個控制系統單元的閥門開度、泵頻率等多個基本控制回路采用智能控制,使水處理系統調節池內的液位與各泵站的液位均處于最合理的液位,保證暴雨時候不出現溢流現象。

4 系統的軟件設計

在監控軟件的設計中,選用西門子公司的WinCC.6.0作為主要開發工具。WinCC集生產自動化和過程自動化于一體,適合所有工業領域的解決方案;可以集成到所有自動化解決方案內;另外Wincc能很好地與西門子PLC無縫連接,在編程組態不需要再進行數據轉換,遠程鏡像地址可以直接引用,用其作為開發工具,具有開發周期短,靈活等優點。

4.1 上位機與PLC系統的通信設置

(1)實現S7-200與WINCC通過Profibus-DP通信所需要的條件:工業計算機、CP5611通信卡、CPU313C-2DP、CPU226、EM277通信模塊、連接器、Profibus電纜、SIMATIC NET軟件;SIMATIC STEP7 V5.4、STEP7-Micro/WIN4.0、SIMATIC WINCC V6.0等。

(2)在Step7內新建一個工程,并新增加一個S7-300站點在硬件組態中增加一個Profibus-DP網絡應用,方法如下:①設置DP網絡的參數屬性與地址等信息;②將EM277的GSD文件SIEM089D.GSD加入到STEP7;③配置通信字節數與通信方式,本項目因為要采集多個模擬量所以選擇16 Word Out/16 Word In這一方式;④EM277作為DP從站進行組態;⑤設置Profibus的主站地址;⑥設定EM277模塊地址與組態地址一致;⑦設置輸入輸出的映像區;⑧在西門子網絡設置平臺進行組態;⑨在S7-200中進行編程,需要和上位機通信的讀數據傳送到對EM277進行組態的IO對應的V區;寫至S7-200側的數據則為默認的V0字開始,不需要傳送與賦值;⑩將S7-300、S7-200的組態信息與程序下載至PLC。

4.2 人機界面的軟件設計

人機界面主要用組態軟件WINCC6.0進行開發,包括操作監控主畫面,泵站監控畫面,歷史數據保存、狀態趨勢曲線顯示,歷史故障查詢匯總和打印等幾個功能模塊。泵站設備運行過程中的狀態、儀表數據等通過PLC與現場總線傳輸到中控室上位計算機顯示。本監控系統還可以通過擴展,將運行信息保存和發送到物業管理公司客戶中心,供廠級監視診斷中心和遠程監視診斷中心使用。

5 結語

本文綜合自動控制技術,現場總線技術,根據小區水處理控制系統的現狀與工藝控制要求詳細分析,設計并建立了電氣自動控制系統。現場總線控制系統在星河丹迪小區水處理系統應用后,泵站的自動化程度、管理質量和可靠性都大大提高,既減輕了工人的勞動強度又取得了良好的經濟效益與社會效益。