一、項目簡介
　　
　　浙江省海寧市污水處理工程是浙江省重點建設工程。整個工程分為兩部分：*部分為污水監(jiān)測、收集泵站。污水收集管道將收集到的污水經過格柵初步過濾后送至收集泵站的集水井，泵站將收集到的污水經管道輸送到污水處理廠；第二部分是污水處理廠將管道輸送來的污水再次過濾、沉淀后，送入反應池進行生化處理。污水處理后分為兩部分，一是處理后的水，直接排入河流或再利用；另一部分是污泥，將污泥送入脫水機房，進行脫水處理，作為有機肥料。
　　
　　海寧污水處理工程自動控制系統(tǒng)采用了世界上的自動化生產商一一西門子公司的控制系統(tǒng)與設備，對整個污水處理過程進行監(jiān)控，有效地降低了勞動強度，實現(xiàn)污水處理的自動化。上位機4采用了西門子公司的組態(tài)軟件WinCC5.0版，用于數(shù)據(jù)的存儲、處理及實現(xiàn)人機接口功能。控制器4采用了西門子公司的S7-300系列PLC，負責對整個污水處理過程的自動監(jiān)控。　　　　　　
　　二、系統(tǒng)介紹
　　
　　1．處理工藝
　　
　　進入二十一世紀，我國的環(huán)保事業(yè)迅速發(fā)展，工業(yè)廢水、生活污水的凈化處理成為當務之急。投資少、運行靈活的CASS處理工藝得到廣泛的應用。CASS具有占地面積小、工藝流程簡單、對水量水質變化適應性強、能同時脫氮除磷等優(yōu)點。CASS(CyclicActivatedSludgeSystem)工藝是循環(huán)活性污泥技術(CAST)的一種形式。該工藝是在SBR工藝和氧化溝技術的基礎上開發(fā)出來的，目前正得到深入研究，并且已經在實際廢水處理工程中得到應用。CASS工藝運行過程包括充水一曝氣、沉淀(泥水分離)、上清液潷出和充水一閑置等4個階段，并組成其運行的一個周期。對污水處理工藝進行自動化監(jiān)測和適時控制是提高污水處理效率、降低處理能耗的關鍵。程序以各反應段的時間為控制參數(shù)，或以調節(jié)池水位、曝氣池水位和各反應段時間聯(lián)合作為控制參數(shù)；實時控制鼓風機、水泵、電動閥等設備及曝氣、沉淀時間等，以達到自動控制處理過程。
　　
　　由此可見，污水處理是一個多參量(如液位、水質成分、流量、壓力等)、多任務(如污水輸送、風量控制、水泵的起停等)，多設備(如格柵機、水泵、鼓風機、閥門等)，而且具有隨機性、時變性和耦合性的復雜系統(tǒng)。因此，污水處理工程應由一個智能測控與綜合管理系統(tǒng)來進行現(xiàn)代化的管理，使之達到*水平。
　　
　　2．系統(tǒng)設備組成
　　
　　系統(tǒng)采用了分布式I/O系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)。兩個CPUS7-315DP的PLC組成主站，系統(tǒng)之間通過MPI協(xié)議進行信息交換，實現(xiàn)軟冗余。兩個PLC互為備份，運行時，主站APLC控制系統(tǒng)的運行；備用站B監(jiān)視系統(tǒng)的運行，當主站A發(fā)生故障時，系統(tǒng)自動切換到B站，并按照A上個循環(huán)周期交換的信息繼續(xù)在原來的狀態(tài)下控制系統(tǒng)的運行，避免了生產過程從頭開始。PLC通過DP總線與連接到總線上的從站ET200M進行信息交換，讀取從站采集到的數(shù)據(jù)，并且發(fā)送控制質量。從站裝有冗余接口模塊IM153-2，當主站PLC發(fā)生故障時，從站自動切換到備用PLC的總線上，從而保證了整個系統(tǒng)的繼續(xù)工作。現(xiàn)場的信號通過安裝在從站ET200M上的分布式I/O模塊，經轉換后輸送到控制器PLC中進行處理。同理，PLC發(fā)出的控制指令通過現(xiàn)場的分布式I/O模塊發(fā)送給執(zhí)行機構。采用現(xiàn)場總線可以將數(shù)據(jù)的采集與轉化放到設備現(xiàn)場，避免了信號的干擾，節(jié)省大量的電纜。
　　　　　　         三、控制系統(tǒng)構成
　　
　　根據(jù)全集成自動化的思想，將污水廠控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場級、控制級、管理級。
　　
　　1．管理級
　　
　　管理級現(xiàn)場總線選擇Profibus-FMS總線，冗余服務器作為Profibus-FMS現(xiàn)場總線的主站，通過通信卡CP5613與Profibus-FMS現(xiàn)場總線連接。
　　
　　2．控制級
　　
　　控制級是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的關鍵，也是管理級與現(xiàn)場級之間的樞紐層。其主要功能是接受管理層設置的參數(shù)或命令，對污水處理生產過程進行控制，同時將現(xiàn)場狀態(tài)輸送到管理層。控制級要求具有高可靠性，所以在系統(tǒng)的關鍵部分中要采用冗余技術。控制器是整個系統(tǒng)的核心，所以在控制級中，采用兩個CPU315-2DP型PLC組成冗余控制器，兩個PLC之間通過并行總線通訊，進行信息交換，相互監(jiān)視，實現(xiàn)雙機熱備冗余。每個PLC上安裝一塊Profibus-FMS通信模塊CP與Profibus-FMS現(xiàn)場總線連接，PLC作為Profibus-FMS現(xiàn)場總線的從站，作為控制系統(tǒng)的下位機，通過總線與上位機通信。
　　
　　西門子公司S7315-2DP型號PLC具有Profibus-DP網絡通訊接口，可作為Profibus-DP現(xiàn)場總線的主站。兩個S7315-2DP主站建立冗余配置的Profibus-DP現(xiàn)場總線系統(tǒng)，與控制現(xiàn)場的遠程分布式智能I/O模塊連接，實現(xiàn)與現(xiàn)場設備和傳感器通信。
　　
　　3．現(xiàn)場級
　　
　　現(xiàn)場級是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎。現(xiàn)場級主要由一次儀表(如液位計、DO傳感器等)、控制設備等組成。其功能主要是對系統(tǒng)設備的狀態(tài)、傳感器參數(shù)進行檢測，并把檢測到的數(shù)據(jù)上傳；接受控制級的指令對設備進行控制。由于設備比較分散，在傳統(tǒng)的工廠內，輸入，輸出信號連接到一個集中的機架，在設備改變和系統(tǒng)擴展時，導致接線工作量大、成本高、柔性度低。通過開放的、標準化的現(xiàn)場總線系統(tǒng)來連接部件，應用ET200分布式I/O是解決這些問題的*方案。分布式配置意味著，可編程序控制器、I/O模塊和現(xiàn)場設備通過稱為現(xiàn)場總線的信號電纜連接。將輸入，輸出模塊轉換成就地檢測器和執(zhí)行器，可就地轉換和處理過程信號，不像集中配置那樣進行程序設計。在控制點比較集中的控制現(xiàn)場配置一個遠程分布式智能I，O模塊ET200M，現(xiàn)場I/O信號直接輸入I/O模塊，每個ET200M模塊上安裝有兩塊IM153-2型號的帶有Profibus-DP接口的模塊，與冗余Profibus-DP現(xiàn)場總線分別連接。
　　
　　4．冗余控制
　　
　　在以上的配置中，系統(tǒng)采用了軟件冗余技術實現(xiàn)系統(tǒng)的雙機熱備冗余。兩個系統(tǒng)分別標記為A、B站，兩個站的地位是相同的，程序相同，只是通信地址不同。系統(tǒng)起動時，首先起動運行A站(或B站)，然后起動運行B站(或A站)，先起動的站作為主控制系統(tǒng)，后起動的系統(tǒng)作為備用系統(tǒng)監(jiān)視主系統(tǒng)的運行。在系統(tǒng)的運行過程中，兩個系統(tǒng)相互交換自身的系統(tǒng)狀態(tài)，同時主系統(tǒng)向備份系統(tǒng)傳遞程序的重要備份信息(如參數(shù)、狀態(tài)等)。當主站控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(如總線斷開、CPU故障等)，主控系統(tǒng)將控制權交給備份系統(tǒng)，備份系統(tǒng)按照主控系統(tǒng)傳遞的狀態(tài)繼續(xù)使程序往下運行，避免從頭開始。這時備份系統(tǒng)變?yōu)橹骺叵到y(tǒng)，原先的控制系統(tǒng)消除故障后，重新投入變?yōu)榱藗浞菹到y(tǒng)。
　　
　　由于系統(tǒng)采用了軟件冗余技術，在成本增加不大的情況下，使整個控制系統(tǒng)具有*的可靠性，可以實現(xiàn)連續(xù)工作。根據(jù)以上設計思想和關鍵技術方案分析得出系統(tǒng)總體結構圖(見圖3)。　　　　　　
　　四、系統(tǒng)功能
　　
　　根據(jù)以上情況，對應設計了兩種控制程序，可根據(jù)實際情況由上位機選擇運行程序。
　　
　　1．生物濃度法控制程序
　　
　　生物濃度法采用反饋控制，利用在線測得的進水水質參數(shù)(COD、SS、PH、溫度等)作為輸入，按照預先確定好的控制模型進行運算，然后用計算的結果作為輸出，控制現(xiàn)場的設備(進水閥門、曝氣閥門，攪拌機等)，動態(tài)的控制反應時間(厭氧反應時間、耗氧反應時間、沉淀時間等)，以達到控制反應的目的。控制系統(tǒng)能根據(jù)進水量、溶解氧、進水水質指標(COD及PH等)、出水水質要求等進行實時控制，自動調整設備的運行狀況，以達到*的效果及的運行。
　　
　　2．時間控制程序
　　
　　時間控制程序是根據(jù)對SBR反應池的五個運行階段所需要的時間進行自動控制。該方法不是根據(jù)污水的水質變化來改變某些運行參數(shù)而進行自適應控制。對于進水時間、曝氣時間、沉淀時間、排水時間及閑置時間均可由上位機設定。SBR反應池的各段工藝過程及其執(zhí)行時間均嚴格按時序進行，每個反應池的任何設備均可通過電氣柜上的手動，自動轉換開關改變其狀態(tài)，但均不能改變PLC所設定的工作時序，并且一旦切入自動狀態(tài)后便進入PLC所設定的時序。在自動狀態(tài)下，操作人員在中心控制室可以通過人機界面實現(xiàn)遠程遙控操作。現(xiàn)場設備的工作狀態(tài)均送上位機顯示。　　　　　　　　
　　五、結束語
　　
　　整個系統(tǒng)于2002年10投入運行，系統(tǒng)運行情況良好，盡管污水腐蝕性非常大，但設備沒有出現(xiàn)不正常運行的情況。用戶對系統(tǒng)運行非常滿意，表示二期將繼續(xù)采用該系統(tǒng)建設。污水處理自動控制系統(tǒng)中采用現(xiàn)場總線和冗余技術提高了信號傳輸?shù)木群蜏蚀_性，解決了傳統(tǒng)控制方案中敷線過多的問題，提高了系統(tǒng)的可靠性和擴展性，實現(xiàn)了污水處理的自動控制，提高了污水處理的效率和效果，同時降低了能耗，取得了良好的經濟效益與社會效益。
　　
　　六、應用體會
　　
　　在項目的安裝調試過程中，對西門子產品的性能和特點有了更進一步的了解，積累了一些經驗和體會。
　　
　　首先，西門子自動化產品的硬件質量是非常過硬的，如果出現(xiàn)問題一般不會是硬件問題，應該查找參數(shù)設置是否正確，如對于DP總線，當距離比較長時，應當降低通信速率，否則就會出現(xiàn)通信故障，如出現(xiàn)時斷時通的現(xiàn)象。
　　
　　其次，注意合理設置CPU的PC連接數(shù)量，如果設置的太多，當超出設置的zui大連接數(shù)時，會出現(xiàn)通信時斷時通的情況，尤其是在冗余系統(tǒng)中特別注意。冗余系統(tǒng)中PLC-般要與多臺上位機通信，保證在下位機控制器切換后相應的上位機也同時實現(xiàn)切換。當同時連接數(shù)超過設定zui大值時，上位機WinCC界面會出現(xiàn)黑屏現(xiàn)象，即同時與連接該PLC的上位機交替接通連接。比如，一般CPU默認設置連接PCzui大數(shù)為3，當上位機出現(xiàn)4個同時與該CPU通信時，就會出現(xiàn)上述現(xiàn)象。
　　
　　第三，模擬量輸入信號要與輸入通道共地，否則會出現(xiàn)采集信號與輸入信號不一致的現(xiàn)象。
　　
　　zui后，要注意的是在軟冗余系統(tǒng)中，控制器之間通信采用的協(xié)議要根據(jù)交換數(shù)據(jù)量的大小和實時性要求合理選用。對于實時性要求不高并且通信數(shù)據(jù)量不大的情況，可以采用MPI協(xié)議，這樣可以降低成本；對于實時性要求高并且通信量大的情況，一般采用Profibus協(xié)議，基本能夠滿足要求。