基于PROFIBUS总线技术的自控系统和智能仪表在水处理行业中的应用(最终)

1、基于PROFIBUS总线技术的自控系统和智能仪表在水处理行业中的应用Application of PROFIBUS in sewage treatment曹清宇1 赵建军2 赵瑾1 郑伟1 王斌1 苏波1（1 西安航天自动化股份有限公司 7100652 西安市市政管理局污水筹建处 710000） 摘要：西安市第四污水处理厂设计总规模为50万吨/日，一期设计规模为25万吨/日。此项目为西北最大的污水处理厂之一，具有设备数量多，控制地点分散，处理工艺要求高，系统稳定性和实时性要求严格等特点。故设计采用领先的PROFIBUS总线技术实现全厂自动控制和仪表系统集成。本文就此总线控制系统的设计、配置、实

2、现和特点进行论述，提出总线技术在水处理行业的完整解决方案。关键词： 水处理控制系统；Profibus-DP；Profibus-PA；STEP7；智能仪表Abstract:This paper introduces that the Xi'an NO.4 sewage treatment plant designed for 500000 tons / day, the first project design capacity is 250000 tons / day. It is the largest sewage treatment plant of the Northwest,

3、 it has more than the number of devices, control locations scattered, processing technology requirements, system stability and real-time critical and so on. Therefore it designed with the advanced technology to achieve the PROFIBUS bus automatic control and meters systems integration. This article d

4、iscourses that the fieldbus control system design, configuration, implementation, and discusses the characteristics of proposed fieldbus technology in water treatment industry a complete solution.Keywords:Control system for sewage treatment ; Profibus-DP; Profibus-PA; STEP7; intelligent instrument一、

5、项目简介随着环境问题日益被社会各界所重视，污水处理成为环境保护中最亟待解决和与社会发展最息息相关的课题。西安市政府贯彻国家政策，大力兴建水处理工程，西安市第四污水处理厂是其中最具代表性的项目之一。西安市第四污水处理厂项目是日本国际协力银行ODA贷款项目，该厂接纳污水服务范围包括西安市城区部分区域、北郊及东郊部分区域，污水规划流域面积约45km2,工程设计规模为50万吨/日， 其中一期设计规模为25万吨/日，污水处理采用缺氧/厌氧/好氧（倒置A2/O）二级生物处理工艺，出水经漕运明渠排至渭河；污泥处理采用重力浓缩后中温两级消化、机械脱水工艺，脱水后泥饼外运填埋。消化产生的沼气用于污泥加热，实现资

6、源再利用。污水厂主要产生臭味的构筑物设置臭气收集系统，经生物除臭系统进行净化处理。具体工艺流程如下图所示： 图1 工艺流程图13根据污水厂工艺流程及布局情况，采用“集中监视，分散控制”的自控系统。系统包括中央监控系统、现场控制站、电视监控系统、通讯网络及智能仪表。中央监控系统设在厂区综合办公楼中心控制室，包括监控工作站，管理工作站，工程师站等。中央监控站通过光纤以太网与五个现场控制站进行通讯。五个现场控制站根据工艺区域划分，其中PLC1控制站设在粗格栅及进水提升泵房，PLC2控制站设在变配电室，PLC3控制站设在加氯加药间，PLC4控制站设在脱水机房，PLC5控制站设在锅炉房及浴室。在各监测点

7、采用支持Profibus协议的流量、压力、温度、液位及水质分析等仪表，实现在线测量、故障诊断，信号送至就近的现场控制站进行监控。根据项目情况，采用西门子S7-400系列PLC作为主控系统，控制站具体硬件配置如下：序号名称/概述订货号生产厂家PLC主站1电源模块, PS407 10A6ES7407-0KA02-0AA0德国西门子2CPU模块, CPU 414-36ES7414-3XM05-0AB0德国西门子3机架,UR26ES7400-1JA01-0AA0德国西门子4以太网通信模块, CP443-16GK7443-1EX11-0XE0德国西门子5PROFIBUS通信模块, CP443-56GK7

8、443-5DX04-0XE0德国西门子PLC I/O站1接口模板, IM153-26ES7153-2BA02-0XB0德国西门子2电源模块,PS307 5A6ES7307-1EA00-0AA0德国西门子3数字量输入模块, SM321（32DI）6ES7321-1BL00-0AA0德国西门子4数字量输出模块, SM322（32DO）6ES7322-1BL00-0AA0德国西门子5模拟量输入模块, SM331（8AI）6ES7331-7KF02-0AB0德国西门子6模拟量输出模块, SM332（8AO）6ES7332-5HF00-0AB0德国西门子PLC OP站1触摸屏MP277, Key, 10

9、.4"6AV66430DD011AX1   德国西门子2总线连接器6ES7972-0BA50-0XA0德国西门子3PROFIBUS电缆6XV1830-0EH10德国西门子PLC 交换机1以太网交换机SCALANCE X408-26GK5408-2FD00-2AA2德国西门子2100M多模光纤模块MM491-26GK5491-2AB00-8AA2德国西门子PLC PA站1电源模块,PS307 5A6ES7307-1EA00-0AA0德国西门子2接口模板, IM153-26ES7153-2BA82-0XB0德国西门子3DP/PA藕合器6ES7157-0AC83-0XA

10、0德国西门子4PA总线电缆6XV1830-5EH10德国西门子5T型头(每包10个)6GK1905-0AA00德国西门子6终端电阻(每包5个)6GK1905-0AE00德国西门子7总线模块（热插拔）, BM PS/IM 6ES7195-7HA00-0XA0 德国西门子8Coupler有源背板6ES7195-7HF80-0XA0德国西门子9总线连接器6ES7972-0BA50-0XA0德国西门子二、控制系统构成在此项目中自控系统采用管理层、控制层、现场层三级控制方式。控制网络图如图2所示： 对于下位控制系统而言，每个站根据控制点数的差别和现场实际情况进行硬件选型配置如下所述：PLC1控制站-粗格

11、栅及提升泵房现场控制站本站PLC选用西门子PLC S7-400系列产品， CPU为CPU414-3DP。现场PLC控制站与仪表、专用控制设备之间通过标准工业现场总线（Profibus DP/PA）进行数据通信，现场控制站通过西门子交换机SCALANCE X408-2成为厂区百兆冗余光纤以太环网上的站点，完成与中控室监控计算机之间的通讯。粗格栅及提升泵房现场控制站的I/O点为：DI=181 DO=79 AI=0 AO=0。硬件组态配置如图3： 图2 PLC系统配置图 图3 PLC1控制站组态图PLC2控制站站-变配电室现场控制站本站PLC选用西门子PLC S7-400系列产品， CPU为CPU4

12、14-3DP。现场PLC控制站与仪表、专用控制设备之间通过标准工业现场总线（Profibus DP/PA）进行数据通信，现场控制站通过西门子交换机SCALANCE X408-2成为厂区百兆冗余光纤以太环网上的站点，完成与中控室监控计算机之间的通讯。变配电室现场控制站的I/O点为：DI: DI=208 DO=72 AI=0 AO=0。硬件组态配置如图4： 图4 PLC2控制站组态图PLC3控制站-加氯投药间现场控制站本站PLC选用西门子PLC S7-400系列产品，CPU为CPU414-3DP。现场PLC控制站与仪表、专用控制设备之间通过标准工业现场总线（Profibus DP/PA）进行数据通

13、信，现场控制站通过西门子交换机SCALANCE X408-2成为厂区百兆冗余光纤以太环网上的站点，完成与中控室监控计算机之间的通讯。PLC3控制站与仪表和专用设备之间都通过Profibus DP接口进行数据通讯。硬件组态配置如图5： 图5 PLC3控制站组态图PLC4控制站-脱水机房现场控制站本站PLC选用西门子PLC S7-400系列产品，CPU为CPU414-3DP。现场PLC控制站与仪表、专用控制设备之间通过标准工业现场总线（Profibus DP/PA）进行数据通信，现场控制站通过西门子交换机SCALANCE X408-2成为厂区百兆冗余光纤以太环网上的站点，完成与中控室监控计算机之间

14、的通讯。脱水机房现场控制站的I/O点为：DI=128 DO=42 AI=20 AO=0 。硬件组态配置如图6： 图6 PLC4控制站组态图三、控制系统完成的功能西安市第四污水处理厂项目采用管理层、控制层、现场层三级控制方式。分层控制使得用户权限分明，整体网络结构清晰，局部故障不影响系统其它部分运行，系统易于扩展和维护。3.1 三级控制方式简述 3.1.1管理层管理层负责监控厂区的五个PLC控制站及其下属的各个从站的运行情况，管理层由四台SIEMENS工业控制计算机组成，安装WINCC组态软件，实现上位系统的监控和全厂报表、数据趋势的生成。管理层通过光纤以太环网和五个控制层PLC通讯，通过控制层

15、对现场层设备进行中控远程操作。管理层使用西门子光电交换机SCALANCE X408-2进行网络连接，通过设置固定IP地址进行通讯。光纤以太网192.168.0.100192.168.0.101S7-400S7-400S7-400S7-400S7-400192.168.0.1 192.168.0.2 192.168.0.3 192.168.0.4 192.168.0.5 3.1.2控制层控制层主要功能是从管理层接收数据和指令， PLC按照预先编制的程序对设备进行操作，并且周期扫描各个从站状态，将现场设备运行情况传送至管理层控制计算机，实现上下位之间、中控和现场之间指令发送和信息传输。控制层由五个

16、PLC主控站构成，每个主控站和中控计算机之间采用光纤以太环网连接，各个主控PLC站依照工艺及控制设备的区别进行配置，其核心为西门子S7-400系列PLC，CPU模块为CPU414-3DP,通过以太网模块CP443-1及光电交换机SCALANCE X408-2连接至光纤环网。主控PLC通过PROFIBUS总线模块CP443-5级联现场总线与现场层S7-200从站通讯，实现主-从分布式控制。S7-400CPU414-3DPCP 443-5CP 443-1SCALANCEX408-2以太网PROFIBUS-DP总线。 。S7-200智能从站S7-200智能从站带总线控制的电动阀带总线控制的变频器3.

17、1.3现场层现场层通过PROFIBUS-DP总线和控制层通讯。现场通用设备通过MCC柜进行相关操作，MCC与主控PLC之间为硬接线，设备I/O点采用西门子IM153-2模块扩展成为总线远程I/O站。变频器、格栅机、刮泥机、排泥阀等集成西门子S7-200 PLC作为现场控制从站。S7-200 PLC通过西门子EM277通讯模块与PROFIBUS-DP总线连接，将采集到的数据传输至控制层主控PLC（S7-400）。现场层过程检测和在线分析仪表为SIEMENS、 HACH、E+H公司支持PROFIBUS-DP总线的智能仪表；污泥处理区为防爆区域，故采用具有本征安全的PROFIBUS-PA总线。在主控

18、PLC上配置IM153-2模块和DP/PA耦合器FDC157-0,将PA总线耦合至DP总线实现PA协议仪表和主控PLC之间的数据传输。CPU414-3DPCP 443-5硬接线带总线控制的变频器IM153-2I/O模块现场设备EM277S7-200智能从站PROFIBUS-DP总线支持DP协议的智能仪表IM153-2FDC157-0PROFIBUS-PA总线支持PA协议的智能仪表S7-4003.2基于PROFIBUS总线的主-从分布式控制系统和仪表集成的实现方法根据上述配置方案对各系统、设备进行硬件组态和程序设计。编程及组态软件为STEP7v5.4简体中文版。系统采用模块化结构，便于维护和扩展

19、。下面分别叙述控制系统和仪表系统的实现方法。3.2.1主-从分布式控制系统的实现方法对于总线远程I/O方式，设置IM153-2模块的总线地址，在总线两端加终端电阻并组态硬件，即可实现监控功能。对于S7-200 PLC，设置EM277模块的总线地址，模块上的“DX MODE”灯亮，代表S7-200与总线物理连接正常。将S7-200中需要传输的各变量进行地址映射到内存交换区V-Memory中，200和400的CPU就是通过这个地址的一一对应实现数据交换的。通过上述设置和编程方式，将S7-200控制的设备和系统通过总线连接集成到整体自控系统中。3.2.2智能仪表系统集成的实现方法在仪表组态时需要注意

20、，DP/PA耦合器下连接的PA总线在拓扑结构上属于DP总线的扩展，所以不对耦合器进行组态。同一条DP总线上仪表地址不能重复，无论其分布在哪个PA总线上。使用“PI直接读”命令从仪表地址中读值，不同的读取地址对应不同的仪表信息，内容要根据仪表本身组态和设置情况而定。在水处理中使用的在线分析仪表，一个变送器可能连接多个传感器，根据探头地址进行相关数值的读取。3.3自控系统典型程序功能描述本项目总线电动阀的流程控制可以体现总线控制的特点，现描述如下：总线上共有24个电动阀，因为每组阀门的控制工艺一致，只是实际变量地址不同，故采用自定义函数实现相关功能。自定义函数中采用形式参数作为中间变量，每次调用相

21、同函数，对函数接口赋予不同的实际参数，可实现联动控制。控制流程图如下所示：选定需要成组的阀门将选定阀门依次排序每组阀门依次序开启上一组阀门关闭到位下一组阀门开启是否设备是否故障是报上位软件记录到报表否开到位是否超过时限是下一组阀门开启否3.4 实际工程中遇到的问题及解决方法西安市第四污水处理厂项目是西北首家大规模采用PROFIBUS现场总线技术的自控仪表系统集成工程，经过项目实践，总结出总线技术在使用时需要注意的问题：1、 总线连接的可靠性问题在实际调试过程中，双绞线屏蔽层有可能破损导致接地，使得线路接地电势不相等，导致总线通讯故障。宜采用单端接地法，可有效去除接地不等势影响；在组态时添加系统组织块“OB80-0B87”,“OB120-122”作用为某个从站掉线不影响总线通讯。2、 对S7-200进行读写操作时指令地址映射问题通过总线与S7-200通讯时，地址映射区“V-Memory”的设置是通讯成功的关键。根据西门子总线通讯规定，V区的写操作在前端地址，读操作在后端地址。如果没有按照这个规则读取，则从站和主站无法通讯。3、 智能仪表参数和数值读取问题总线仪表的数值是经过变送器处理过的数字信号。所以在仪表读值时，首先要考虑信号