现场总线技术在小区污水处理电气控制系统中的应用

曾科 金世峰 徐祥

摘要：在简要介绍现场总线技术及现场总线控制系统结构和优点的基础上，重点分析了PROFIBUS现场总线在水处理系统远程提升泵站监控系统中的通信实现。

关键词：现场总线可编程控制器组态软件Wincc

中图分类号：TM93 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2012)06(c)-0044-02

1 引言

随着经济的发展与社会的进步,人们对居住环境保护越来越重视,很多房地产开发商都为自己开发的楼盘建立了污水处理站。深圳星河·丹堤是深圳市高品质的楼盘之一,它占地面积近6.2万平方米,该小区生活污水水处理系统采用SBR处理工艺,而水处理系统设有9个远程提升泵泵站分布在该楼盘的各个楼栋来收集各楼栋的生活污水。由于各泵站分别处于小区不同的位置,泵房布置较分散,泵房间最远距离近1000米,每个泵站的提升泵与管道破碎机等设备开启时间与停机时间不固定,如果在各泵站安排值班人员进行值班,将较多耗费人力、物力。所以需对远程泵站的设备采用可编程控制器进行自动化远程控制,而当今先进的PROFIBUS现场总线控制技术,可将泵站设备的运行置于计算机远程自动监控,既可保证每个泵房供水的独立性,又可实现9个泵房一体控制。不仅可以节约大量的人力物力资源,而且可以对每个设备的运行状态、集水池的液位状态进行实时的检测与记录,有利于设备故障提前预警与紧急情况提前准备。

2 总线技术及优点

现场总线控制系统技术是上世纪80 年代中期在国际上发展起来的一种崭新的工业控制技术,它是用于现场仪表及现场设备与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的网络通信系统。目前世界存在多种总线标准协议如PROFIBUS,DEVICENET,MODBUS,CAN等,它实现设备单元间的多节点、双向串行、数字化通信系统,极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作量,使其系统检测和控制单元的分布更趋合理,其布线简单、开放性、实时性、可靠性,广泛应用于环保、水处理、交通、电力、工业流程生产等领域。

3 控制系统的框架结构与功能描述

每个泵房设置壹台PLC控制柜并配置相应的模块,使其具备以下功能:①控制潜水泵与管道式破碎机等设备的启动与停止;②采集集水池的液位高度信号并上传;③设置本地与远程控制选择开关,使其实现本地手动与远程计算机控制。

在中控室上位监控计算机具备以下功能:①显示设备状态、操作设备;②参数设定,包括设定破碎机的循环周期与运行时间、两台提升泵均在自动状态时的轮值时间、其它设备的运行与停止;③数据汇总,变化趋势曲线,历史数据资料的存储、检索、查询功能,报表汇总及打印功能等。

因为该系统9个提升泵之间的距离较远,整个网络需要连接的现场设备比较多。因此在选择网络时,需要考虑以下因素:网络通信功能的实时性和可靠性、可扩展行;设备的统一性要求。综合以上一些因素,方案采用SIEMENS公司的现场网络产品PROFIBUS-DP网路。

PROFIBUS控制系统可使分散的设备与仪表及控制器传输的数据数字化。系统分为主站和从站,主站决定总站的数据通信,当主站得到总线控制权时,从站没有请求也可以主动发信息;从站作为外围设备,只对受到的信息予以确认或当主站发出请求时向它发送发送信息。在本监控系统中,上位计算机、组态软件等为上层监控设备;总线连接的现场设备构成下层通信网络。系统结构,见下图网络拓扑图(如图1)。

PROFIBUS-DP通信协议定义中,要求连入现场网络的数据的传输速率最高为12Mbit/S。本系统由于泵站位置相对分散,最远一个3#泵站距离中控室将近1000米。由于通信距离较远,需将传输速率降低才能满足需要;当传输速率设定为9.6KBit/S—187.5KBit/S时,传输距离可以达到1200米。

所有远程提升泵站内的设备运行均由总控中心控制系统来控制,实现整个系统的合理调度、管理与监控。中控室上位计算机设一台带工控机并安装CP5611通信卡与WINCC 6.0,S7-300可编程控制器为DP主站,通过PROFIBUS现场总线与泵房的控制柜内EM277 DP模块相连,监控泵房的S7-200 CPU226可编程控制器收集水泵的状态、破碎机的状态、阀门的状态、液位、压力等信息并控制阀门与电机,以配合控制各水泵的起停及转速,达到优化的目的,并形成远程分布式控制系统。中控室控制系统主要实现功能为:实时数据采集、数据分析及处理、控制调节、画面显示、远程通信、人机对话、安全验证。监控画面包含小区内所有泵站的运行情况、设备状态、工艺流程、液位高度监控等,而且系统采集的各数据信息能在相应的画面上动态实时显示。每个画面都有画面切换控制按钮,可以方便地设定智能调节的各个参数、监控各泵站的设备、显示故障报警记录与各种趋势曲线等。整个系统对于各个控制系统单元的阀门开度、泵频率等多个基本控制回路采用智能控制,使水处理系统调节池内的液位与各泵站的液位均处于最合理的液位,保证暴雨时候不出现溢流现象。

4 系统的软件设计

在监控软件的设计中,选用西门子公司的WinCC.6.0作为主要开发工具。WinCC集生产自动化和过程自动化于一体,适合所有工业领域的解决方案;可以集成到所有自动化解决方案内;另外Wincc能很好地与西门子PLC无缝连接,在编程组态不需要再进行数据转换,远程镜像地址可以直接引用,用其作为开发工具,具有开发周期短,灵活等优点。

4.1 上位机与PLC系统的通信设置

(1)实现S7-200与WINCC通过Profibus-DP通信所需要的条件:工业计算机、CP5611通信卡、CPU313C-2DP、CPU226、EM277通信模块、连接器、Profibus电缆、SIMATIC NET软件;SIMATIC STEP7 V5.4、STEP7-Micro/WIN4.0、SIMATIC WINCC V6.0等。

(2)在Step7内新建一个工程,并新增加一个S7-300站点在硬件组态中增加一个Profibus-DP网络应用,方法如下:①设置DP网络的参数属性与地址等信息;②将EM277的GSD文件SIEM089D.GSD加入到STEP7;③配置通信字节数与通信方式,本项目因为要采集多个模拟量所以选择16 Word Out/16 Word In这一方式;④EM277作为DP从站进行组态;⑤设置Profibus的主站地址;⑥设定EM277模块地址与组态地址一致;⑦设置输入输出的映像区;⑧在西门子网络设置平台进行组态;⑨在S7-200中进行编程,需要和上位机通信的读数据传送到对EM277进行组态的IO对应的V区;写至S7-200侧的数据则为默认的V0字开始,不需要传送与赋值;⑩将S7-300、S7-200的组态信息与程序下载至PLC。

4.2 人机界面的软件设计

人机界面主要用组态软件WINCC6.0进行开发,包括操作监控主画面,泵站监控画面,历史数据保存、状态趋势曲线显示,历史故障查询汇总和打印等几个功能模块。泵站设备运行过程中的状态、仪表数据等通过PLC与现场总线传输到中控室上位计算机显示。本监控系统还可以通过扩展,将运行信息保存和发送到物业管理公司客户中心,供厂级监视诊断中心和远程监视诊断中心使用。

5 结语

本文综合自动控制技术,现场总线技术,根据小区水处理控制系统的现状与工艺控制要求详细分析,设计并建立了电气自动控制系统。现场总线控制系统在星河丹迪小区水处理系统应用后,泵站的自动化程度、管理质量和可靠性都大大提高,既减轻了工人的劳动强度又取得了良好的经济效益与社会效益。