現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在小區(qū)污水處理電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

曾科 金世峰 徐祥

摘要：在簡(jiǎn)要介紹現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線在水處理系統(tǒng)遠(yuǎn)程提升泵站監(jiān)控系統(tǒng)中的通信實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線可編程控制器組態(tài)軟件Wincc

中圖分類號(hào)：TM93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X(2012)06(c)-0044-02

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與社會(huì)的進(jìn)步,人們對(duì)居住環(huán)境保護(hù)越來越重視,很多房地產(chǎn)開發(fā)商都為自己開發(fā)的樓盤建立了污水處理站。深圳星河·丹堤是深圳市高品質(zhì)的樓盤之一,它占地面積近6.2萬(wàn)平方米,該小區(qū)生活污水水處理系統(tǒng)采用SBR處理工藝,而水處理系統(tǒng)設(shè)有9個(gè)遠(yuǎn)程提升泵泵站分布在該樓盤的各個(gè)樓棟來收集各樓棟的生活污水。由于各泵站分別處于小區(qū)不同的位置,泵房布置較分散,泵房間最遠(yuǎn)距離近1000米,每個(gè)泵站的提升泵與管道破碎機(jī)等設(shè)備開啟時(shí)間與停機(jī)時(shí)間不固定,如果在各泵站安排值班人員進(jìn)行值班,將較多耗費(fèi)人力、物力。所以需對(duì)遠(yuǎn)程泵站的設(shè)備采用可編程控制器進(jìn)行自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制,而當(dāng)今先進(jìn)的PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù),可將泵站設(shè)備的運(yùn)行置于計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控,既可保證每個(gè)泵房供水的獨(dú)立性,又可實(shí)現(xiàn)9個(gè)泵房一體控制。不僅可以節(jié)約大量的人力物力資源,而且可以對(duì)每個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、集水池的液位狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)與記錄,有利于設(shè)備故障提前預(yù)警與緊急情況提前準(zhǔn)備。

2 總線技術(shù)及優(yōu)點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)技術(shù)是上世紀(jì)80 年代中期在國(guó)際上發(fā)展起來的一種嶄新的工業(yè)控制技術(shù),它是用于現(xiàn)場(chǎng)儀表及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室主機(jī)系統(tǒng)之間的一種開放的、全數(shù)字化、雙向、多站的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。目前世界存在多種總線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議如PROFIBUS,DEVICENET,MODBUS,CAN等,它實(shí)現(xiàn)設(shè)備單元間的多節(jié)點(diǎn)、雙向串行、數(shù)字化通信系統(tǒng),極大地簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)繁瑣且技術(shù)含量較低的布線工作量,使其系統(tǒng)檢測(cè)和控制單元的分布更趨合理,其布線簡(jiǎn)單、開放性、實(shí)時(shí)性、可靠性,廣泛應(yīng)用于環(huán)保、水處理、交通、電力、工業(yè)流程生產(chǎn)等領(lǐng)域。

3 控制系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)與功能描述

每個(gè)泵房設(shè)置壹臺(tái)PLC控制柜并配置相應(yīng)的模塊,使其具備以下功能:①控制潛水泵與管道式破碎機(jī)等設(shè)備的啟動(dòng)與停止;②采集集水池的液位高度信號(hào)并上傳;③設(shè)置本地與遠(yuǎn)程控制選擇開關(guān),使其實(shí)現(xiàn)本地手動(dòng)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制。

在中控室上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)具備以下功能:①顯示設(shè)備狀態(tài)、操作設(shè)備;②參數(shù)設(shè)定,包括設(shè)定破碎機(jī)的循環(huán)周期與運(yùn)行時(shí)間、兩臺(tái)提升泵均在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)的輪值時(shí)間、其它設(shè)備的運(yùn)行與停止;③數(shù)據(jù)匯總,變化趨勢(shì)曲線,歷史數(shù)據(jù)資料的存儲(chǔ)、檢索、查詢功能,報(bào)表匯總及打印功能等。

因?yàn)樵撓到y(tǒng)9個(gè)提升泵之間的距離較遠(yuǎn),整個(gè)網(wǎng)絡(luò)需要連接的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備比較多。因此在選擇網(wǎng)絡(luò)時(shí),需要考慮以下因素:網(wǎng)絡(luò)通信功能的實(shí)時(shí)性和可靠性、可擴(kuò)展行;設(shè)備的統(tǒng)一性要求。綜合以上一些因素,方案采用SIEMENS公司的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品PROFIBUS-DP網(wǎng)路。

PROFIBUS控制系統(tǒng)可使分散的設(shè)備與儀表及控制器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)數(shù)字化。系統(tǒng)分為主站和從站,主站決定總站的數(shù)據(jù)通信,當(dāng)主站得到總線控制權(quán)時(shí),從站沒有請(qǐng)求也可以主動(dòng)發(fā)信息;從站作為外圍設(shè)備,只對(duì)受到的信息予以確認(rèn)或當(dāng)主站發(fā)出請(qǐng)求時(shí)向它發(fā)送發(fā)送信息。在本監(jiān)控系統(tǒng)中,上位計(jì)算機(jī)、組態(tài)軟件等為上層監(jiān)控設(shè)備;總線連接的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備構(gòu)成下層通信網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu),見下圖網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D(如圖1)。

PROFIBUS-DP通信協(xié)議定義中,要求連入現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)的傳輸速率最高為12Mbit/S。本系統(tǒng)由于泵站位置相對(duì)分散,最遠(yuǎn)一個(gè)3#泵站距離中控室將近1000米。由于通信距離較遠(yuǎn),需將傳輸速率降低才能滿足需要;當(dāng)傳輸速率設(shè)定為9.6KBit/S—187.5KBit/S時(shí),傳輸距離可以達(dá)到1200米。

所有遠(yuǎn)程提升泵站內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行均由總控中心控制系統(tǒng)來控制,實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的合理調(diào)度、管理與監(jiān)控。中控室上位計(jì)算機(jī)設(shè)一臺(tái)帶工控機(jī)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(xiàn)場(chǎng)總線與泵房的控制柜內(nèi)EM277 DP模塊相連,監(jiān)控泵房的S7-200 CPU226可編程控制器收集水泵的狀態(tài)、破碎機(jī)的狀態(tài)、閥門的狀態(tài)、液位、壓力等信息并控制閥門與電機(jī),以配合控制各水泵的起停及轉(zhuǎn)速,達(dá)到優(yōu)化的目的,并形成遠(yuǎn)程分布式控制系統(tǒng)。中控室控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能為:實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析及處理、控制調(diào)節(jié)、畫面顯示、遠(yuǎn)程通信、人機(jī)對(duì)話、安全驗(yàn)證。監(jiān)控畫面包含小區(qū)內(nèi)所有泵站的運(yùn)行情況、設(shè)備狀態(tài)、工藝流程、液位高度監(jiān)控等,而且系統(tǒng)采集的各數(shù)據(jù)信息能在相應(yīng)的畫面上動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示。每個(gè)畫面都有畫面切換控制按鈕,可以方便地設(shè)定智能調(diào)節(jié)的各個(gè)參數(shù)、監(jiān)控各泵站的設(shè)備、顯示故障報(bào)警記錄與各種趨勢(shì)曲線等。整個(gè)系統(tǒng)對(duì)于各個(gè)控制系統(tǒng)單元的閥門開度、泵頻率等多個(gè)基本控制回路采用智能控制,使水處理系統(tǒng)調(diào)節(jié)池內(nèi)的液位與各泵站的液位均處于最合理的液位,保證暴雨時(shí)候不出現(xiàn)溢流現(xiàn)象。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)中,選用西門子公司的WinCC.6.0作為主要開發(fā)工具。WinCC集生產(chǎn)自動(dòng)化和過程自動(dòng)化于一體,適合所有工業(yè)領(lǐng)域的解決方案;可以集成到所有自動(dòng)化解決方案內(nèi);另外Wincc能很好地與西門子PLC無縫連接,在編程組態(tài)不需要再進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,遠(yuǎn)程鏡像地址可以直接引用,用其作為開發(fā)工具,具有開發(fā)周期短,靈活等優(yōu)點(diǎn)。

4.1 上位機(jī)與PLC系統(tǒng)的通信設(shè)置

(1)實(shí)現(xiàn)S7-200與WINCC通過Profibus-DP通信所需要的條件:工業(yè)計(jì)算機(jī)、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(nèi)新建一個(gè)工程,并新增加一個(gè)S7-300站點(diǎn)在硬件組態(tài)中增加一個(gè)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,方法如下:①設(shè)置DP網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)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(jié)數(shù)與通信方式,本項(xiàng)目因?yàn)橐杉鄠€(gè)模擬量所以選擇16 Word Out/16 Word In這一方式;④EM277作為DP從站進(jìn)行組態(tài);⑤設(shè)置Profibus的主站地址;⑥設(shè)定EM277模塊地址與組態(tài)地址一致;⑦設(shè)置輸入輸出的映像區(qū);⑧在西門子網(wǎng)絡(luò)設(shè)置平臺(tái)進(jìn)行組態(tài);⑨在S7-200中進(jìn)行編程,需要和上位機(jī)通信的讀數(shù)據(jù)傳送到對(duì)EM277進(jìn)行組態(tài)的IO對(duì)應(yīng)的V區(qū);寫至S7-200側(cè)的數(shù)據(jù)則為默認(rèn)的V0字開始,不需要傳送與賦值;⑩將S7-300、S7-200的組態(tài)信息與程序下載至PLC。

4.2 人機(jī)界面的軟件設(shè)計(jì)

人機(jī)界面主要用組態(tài)軟件WINCC6.0進(jìn)行開發(fā),包括操作監(jiān)控主畫面,泵站監(jiān)控畫面,歷史數(shù)據(jù)保存、狀態(tài)趨勢(shì)曲線顯示,歷史故障查詢匯總和打印等幾個(gè)功能模塊。泵站設(shè)備運(yùn)行過程中的狀態(tài)、儀表數(shù)據(jù)等通過PLC與現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸?shù)街锌厥疑衔挥?jì)算機(jī)顯示。本監(jiān)控系統(tǒng)還可以通過擴(kuò)展,將運(yùn)行信息保存和發(fā)送到物業(yè)管理公司客戶中心,供廠級(jí)監(jiān)視診斷中心和遠(yuǎn)程監(jiān)視診斷中心使用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文綜合自動(dòng)控制技術(shù),現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),根據(jù)小區(qū)水處理控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與工藝控制要求詳細(xì)分析,設(shè)計(jì)并建立了電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在星河丹迪小區(qū)水處理系統(tǒng)應(yīng)用后,泵站的自動(dòng)化程度、管理質(zhì)量和可靠性都大大提高,既減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度又取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。