Profibus现场总线在现代污水处理厂中的应用

高庆敏，胡梦霞

(华北水利水电学院，河南 郑州 450011)

Profibus现场总线在现代污水处理厂中的应用

高庆敏，胡梦霞

(华北水利水电学院，河南 郑州 450011)

针对污水处理厂控制系统实时性、可靠性差的缺陷，提出了一种基于过程现场总线的控制系统.该控制系统的主要特点是采用集中控制和分散控制相结合的方式，主站和从站构成相互独立的子系统，使信息交换更加快捷且具有很强的扩展性，实现了对污水厂的实时监控.

Profibus;现场总线;可编程逻辑控制器

随着经济的发展、社会的进步、环境保护意识的不断增强，人们对污水处理厂出水水质的要求越来越高，这就要求污水处理厂的处理工艺需要进行不断地改进，其相应的自动控制也要提高.在新建的污水处理厂控制系统中，可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)的数量和输入、输出端口(Input/Output，I/O)成倍增加，使得数据处理量大大增加，出现了信息交换速度下降、数据丢失、控制反应延时等一系列亟待解决的问题.针对这些问题，笔者提出了Profibus现场总线控制技术.该系统中各主站和各自的从站构成相互独立的子系统，使得系统具有更高的通信速率、更强的稳定性和扩展性.

1 Profibus现场总线系统

控制系统的发展经历了模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散性控制系统、现场总线控制系统4个阶段.现场总线控制系统之所以取代前几种系统成为新一代的控制系统，一方面它突破了集散控制系统(Total Distributed Control System，DCS)采用专用通信网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷;另一方面把DCS的集中和分散相结合的集散系统结构变成了新兴的全分布式结构，把控制功能完全放在现场.与传统的控制系统相比，它具有体系结构开放、系统集成灵活方便、硬件智能化、传输数字化、控制计算机高品质化的特点［1］.可以说，开放性、分散性、数字通信是现场总线系统最显著的特点.

Profibus系列由Profibus－DP(Decentralized Periphery)，Profibus－ FMS(Fieldbus Message Specification)，Profibus－PA(Process Automation)3个兼容部分组成［2］.通常来说，现场级采用Profibus－DP现场总线，车间单元级采用Profibus－FMS总线，工厂级采用工业以太网［3］.

污水处理厂现场级采用Profibus－DP技术来实现水厂的自动控制和现场设备的实时监控.用户数据在DPM1(第Ⅰ类主站)和相关DP从站间的传输按照DPM1既定的顺序自动执行.Profibus可构成单主站或多主站系统，它使得系统配置的灵活性大大增强.这些主站和各自的从站构成相互独立的子系统，每个子系统都有一个DPM1指定的若干从站及可能的DPM2(第Ⅱ类主站)设备.任何一个主站都可以读取DP从站的输入/输出影像，但只有一个DP主站允许对DP从站写入、输出数据.除主从站数据传输功能外，Profibus－DP允许主站间进行数据通信，这些功能可使那些配置的诊断设备通过总线对系统进行上传和下载，以实现组态和诊断.

RS－485传输技术是Profibus最常用的一种传输技术，它应用于各种需要高速传输、设备简单而价格低廉的领域.Profibus－DP/FMS通信介质为屏蔽双绞线或光纤，其传输速率为9.6～12.0 Mbit/s，传输距离为100～1 200 m，在污水处理厂应用时，可通过中继器来延长其传输距离.

Profibus现场总线系统较其他系统具有稳定性好、通信速率快、扩展性强等优点，并且可实现智能现场设备的可视化和报警处理［4］，下面就某污水处理厂的具体要求讨论Profibus现场总线技术的具体应用.

2 污水处理厂的工艺流程

某污水处理厂的工艺流程如图1所示.

图1 污水处理厂工艺流程图

来自市政管网的污水经格栅除去较大的悬浮物和漂浮物;然后经提升泵站至沉砂池，污水中砂子、煤渣等比重较大的颗粒在沉砂池内得以去除;之后沉砂池中上清液进入初沉池，使得污水中密度较大的固体悬浮物沉淀分离;最后进入整个污水处理系统的中心环节——氧化沟部分.氧化沟中生物处理环节直接影响出水水质，因此其设计是整个污水处理厂自动控制的关键［5］.设计中采用变频式鼓风机，既能提供充足的溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)又不至于浪费资源.为了保证溶解氧质量浓度的准确性，该设计溶解氧值采用氧化沟内3个不同位置DO质量浓度的加权平均值作为检测值.经过处理后的出水经管网排出，而氧化沟中的剩余污泥则进入污泥处理部分，经过浓缩、消化、脱水之后，泥饼外运.

3 控制系统结构和功能

该污水处理厂控制系统为多主站的Profibus－DP系统.将预处理部分PLC、生物处理部分PLC、污泥处理部分PLC作为主动站，工艺中采用的智能传感器和外围I/O作为从动站.基于Profibus现场总线控制技术的污水处理厂系统结构如图2所示.

3.1 预处理部分

为保护污水提升泵电机及节约成本，3台水泵用1台TGSIR智能软启动器启动.控制站采用西门子S7－300PLC，前后水井的水位检测采用2只LISAIB型超声波液位仪，安放在格栅机前后的水井中.沉砂池及初沉池的主要自动控制对象是排泥泵，一般来说排泥泵是依靠定时器来控制其启闭的，该污水厂采用污泥浓度测定仪和污泥界面仪进行自动控制，这样可靠性更好.它既能避免污泥积累过多引起的堵塞问题，又能防止排出的污泥浓度过低、含水率高的问题，尤其对于污水量变化很大难以选择排泥周期的初次沉淀池，更能显示其优越性.送水管道中的水流量采用DCL－4G电磁流量计(4～20 mA)检测，压力采用电容式压力变送器(量程0～0.6 MPa)检测.这些测量仪将测量值转换为0～5 V的直流电压信号，输入PLC的模拟量输入模板.

图2 控制系统结构图

3.2 生物处理部分

生物处理部分是整个污水处理部分的核心环节，直接决定出水水质的好坏.因为污水处理的实质就是利用活性污泥中的微生物的新陈代谢来分解污水中的有机物，而活性污泥中的微生物要进行新陈代谢，溶解氧(DO)的质量浓度就显得尤为重要，通常DO质量浓度在曝气池进口处为0.5～1.0 mg/L，在出口附近为2～3 mg/L是比较理想的.曝气不足会产生厌氧状态和污泥释放磷，曝气过量相应的运行费用又会大大提高.为节省能源，该污水处理厂设计采用变频式鼓风机;控制站在曝气过程采用西门子S7－300PLC;由于氧化沟体积比较大，为保证DO质量浓度的准确性，将3个溶解氧测定仪分别放在氧化沟的入水口、中段和出水口处，采用3个数的加权平均值进行运算，通过判断其与设定值是否保持一致来调节供气量，维持DO质量浓度一定.

这种定DO质量浓度控制下的供气量只能在一定程度上反映氧化沟内部活性污泥的活性及其他因素的综合作用结果，若要针对影响供气量的种种因素(微生物的量及活性、氧转移效率和速率、进水水质等)做精确分析，就需建立能够描述系统动态特性的状态方程和表示最优控制目标的性能指标表达式，给出最优控制变量的变化规律及控制算法.

该污水厂采用普通4～20 mA溶解氧仪接PLC模拟输入点.其中生物处理段PLC控制流程如图3所示.

图3 生物处理段PLC控制流程图

3.3 污泥处理

污泥处理PLC控制分为污泥浓缩、厌氧消化和污泥脱水3部分.浓缩池的控制主要是指排放浓缩污泥的控制，用计时器控制污泥泵的启动，用污泥浓度计检测污泥浓度降低至某一设定浓度时停泵［6］.厌氧消化主要控制消化池内的温度、污泥的投加和搅拌.由于消化池内温度检测响应速度较慢，一般采用带有滞后时间补偿回路的控制方式.污泥脱水预处理部分，通过药罐内的液位计来控制电磁阀以达到控制絮凝剂的投加比例的目的，污泥脱水PLC通过储泥池液位来控制脱水机的启停.

4 结语

现场总线技术在污水处理厂控制系统中的应用使信息交换的速率大大提高，实现了对污水厂的实时监控，并且提高了污水处理的可靠性.系统有很强的扩展性，使得后续的改造工作能够顺利进行.

［1］凌志浩.DCS与现场总线控制系统［M］.上海:华东理工大学出版社，2008.

［2］潘立登.过程控制［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［3］夏文斌.基于Profibus总线的DCS系统在污水厂的应用［J］.中国设备工程，2011，27(4):42 －43.

［4］谢鲲.Profibus现场总线在污水处理控制系统中的应用研究［J］.机械与电子，2003，21(6):23 －25.

［5］张自杰.排水工程［M］.北京:中国建筑工业出版社，2006.

［6］崔福义，彭永臻.给水排水工程仪表与控制［M］.北京:中国建筑工业出版社，2006.

The Application of Field Bus Technology Profibus in the Modern Sewage Treatment Plants

GAO Qing-min，HU Meng-xia
(North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

The control system of sewage treatment plants usually feature bad instantaneity and poor reliability，therefore the paper puts forward a control system based on process field bus technology.The main characteristic of this system is that it adopts a combination of centralized and scattered controls，and the master station in it and its slave stations make up an independent subsystem，which enables the information exchange to be faster and easier to expand.The research done in the paper can realize the real-time monitoring of the sewage treatment plants.

Profibus;fieldbus;PLC

1002－5634(2012)02－0134－03

2011－11－20

高庆敏(1952—)，男，河南新野人，教授，主要从事电力系统安全运行与智能控制方面的研究.

(责任编辑:蔡洪涛)