关键词：污水处理 监控 现场总线 工业以太网
for Sewage Disposal
Abstract: This paper introduces the hardware configuration and the software achievement of monitoring and control system based on mixed model of industrial Ethernet for sewage disposal. SIEMENS S7-300 PLC is used as master station and ET200 distributed I/O device as slave station to compose PROFIBUS-DP control system. Industrial personal computer is chose as the upper computer and WinCC is used to develop monitoring and control picture such as technologic flow, parameter setting, real-time curving. PLC and IPC is communicated via industrial Ethernet based on TCP/IP to form a hybrid control system, which realize the integrating management and control by linking the BA together. The results of operation prove that this system ensures the technical quality of the sewage disposal and works steadily as well as improves the management level.
Key words: Sewage Disposal Monitoring and Control Fieldbus Industrial Ethernet
1 引 言
以太网及TCP/IP通信技术主要适合信息管理、信息处理系统，在IT行业获得了很大的成功，成为IT行业应用中首选的网络通信技术。由于其具有传输报文具有排队延迟不确定的缺陷，无法保证数据传输的实时性要求，所以无法在工业控制中得到有效的使用。但是，随着管控一体化技术的发展，迫切要求能将管理层的以太网向下延伸，直到设备层，从而形成一个统一的无需数据转换的透明的数据链路，才有可能实现企业的最佳经济效益。因此，以太网及TCP/IP技术逐步在自动化行业中得到应用，并发展成为一种技术潮流。
2 工业以太网设计模型
为了将以太网应用到工业现场，国内外许多公司和研究机构都在进行着各种尝试，试图对现有的以太网进行改进，并建立新的通信协议模型。总的来说，工业以太网有两种模型：一种是混合模型（以太网和其他总线相连）;另一种是所谓的“透明工厂”型（Transparent Factory）即从高层到底层都采用统一的工业以太网的通信协议。
（1）混合模型。这种模型其实是一种折中的方案，也是比较容易实现的方案，现在许多公司都推出工业网络架构模型，如图1所示。在工业现场的管理层和车间层使用以太网，向上可以和Internet连接，向下可以读取车间里各个控制子系统的状态信息。在设备层，仍然采用独自的现场总线技术，如CAN、PROFIBUS、ASI等。它们与以太网之间通过专用的网关连接。这种方案最大限度地利用了现有以太网所能提供的通信功能。每个网关是以太网的节点，同时也是下面子系统的主站。网关可以实现对子系统实时的控制，并把子系统内部的信息进行预处理，只把一些重要的信息按照TCP/IP的帧的格式发送到以太网上。这种方案的好处是避免以太网直接对传感器和执行器等底层设备的访问，减少了以太网上实时数据的传送量，减少了冲突的机会，在一定程度上避免了在恶劣的工业条件下传输实时数据出现迟延的问题。这种模型还只是一个过渡型的结构，设备现场总线的繁多协议同样影响着用户的使用，现场总线的统一开放的思想还是没有完全实现。
（2）“透明工厂”型。这种模型是工业以太网的完全解决方案，也就是说企业网从上到下完全是由以太网组成。实现了整个工厂对用户来说是“透明”的，它的结构如图1中把网关去掉再加上虚线所示。因为整个网络是统一的协议，所以用户可对从高层的管理层到底层的设备层的任一设备进行访问，而无需知道这种访问是如何进行的。普通的传感器、执行器通过工业以太网I/O模块连接到以太网上，管理层的主机可采用IP访问的方式与各个设备进行通信。目前，根据报道已经有一些这方面的实验网络，取得了一些成果，但离实际应用还有一段距离。这种方案的优点是现场监控网络的全面解决方案，但实现起来比较困难。主要是要对以太网进行面向实时控制的修改，还要在网络层以上引入实时控制算法，弥补以太网在传输确定性数据方面先天性的不足。
3 污水处理工艺流程
本污水处理工程为国家电力调度中心污水处理系统。该系统包括三部分，分别为中水处理系统、软化水系统和饮用水系统。其工艺流程如下：
3.1中水处理系统
来自污泥总管的污水通过设置在格栅池中的格栅去除杂质后，流入调节池，由潜污提升泵经毛发聚集器送往氧化池，经曝气、氧化作用后流入沉淀池，上层清水至排水方沟，沉淀后的污泥流入污泥浓缩池处理，其中沉淀杂质较少的上清液再由污泥回流泵送往氧化池进行循环处理。经过氧化处理后的污水通过提升泵送往机械过滤器和深度处理池进入回用水池，再经出水泵送往中水水箱，投药装置设置两套分别加入PAC和Cl,主要作用是消毒。如图2所示。
3.2 软化水系统
来自中水水箱的水进一步经过离心泵提升到活性炭过滤器和精密过滤器过滤，进入三套软化水设备，并通过加药（Cl）处理后送往软化水箱，再生盐罐能使离子交换剂再生，提高离子交换剂的活性。
3.3 直饮水系统
软水箱的水经提升泵到活性炭过滤器和保安过滤器过滤后被储存到中间水箱。高、低区循环系统回水经过消毒系统后也送入中间水箱。钠滤提升泵把中间水箱的水经污水计量系统送到钠滤装置处理，再经计量系统送氧化塔消毒，最后进入产水水箱，产水水箱的水分别由高、低区变频水泵给高、低区供水。
三个工段共有36台水泵、28个电磁阀和8个连续控制阀。由于污水介质的特点，在整个流程中工作的水泵均要求一用一备，两台泵能够实现定时（一周或一天）切换和故障时的切换要求。各类泵、阀设备均设自动、手动切换，各泵的起停多为受相关箱、池的高、中、低液位或管道压力的控制，并且一台泵不能满足条件要求时应能起动备用泵。各类过滤器当满足条件时能够自动进行正、反洗。模拟量有液位、压力、流量、pH值、硬度、浊度、余氯和电导率等，除了要求中控室显示、报警和累积量以外，要求能够连续控制量共8个。
同时，根据调度中心要求，该污水处理控制系统应与整个大厦的管理系统相连，以实现调度中心管控一体化，提高管理水平。
4 监控系统方案
根据上述工艺特点、设备地域分布以及控制要求，我们选用了基于工业以太网混合模型的污水处理监控系统。现场级控制系统选用西门子S7-300系列的CPU315-DP作为主站，与上位工控机安装在中控室，通过网络通讯模块CP343-1将PLC连接到工业以太网上，选用三个分布式I/O模块ET200M作为DP从站，分别在三个系统现场运行。ET200M支持S7-300全系列模块，通过IM153与PROFIBUS-DP现场总线相连。上位机选用研华工控机，内嵌CP1613网络通讯卡，设置有关参数后可实现基于TCP/IP协议的上位机与PLC的工业以太网通讯，并可方便的与大厦BA相连，从而实现调度中心的管控一体化。以西门子WinCC5.0组态软件作为开发平台,主要完成流程画面、状态监视、实时曲线、工艺变量和控制参数设定及报警显示与确认等功能。所有的逻辑控制和简单PID控制均由下位PLC完成，即使与上位机脱离了通信，也能自己安全的工作。高、低区供水变频器也通过 DP模块接入DP总线。系统构成如图3所示。
5 软件编程
5.1下位机程序
SIMATIC S7-300系列可编程控制器采用STEP7标准软件编程。它的最大优点在于符号化编程和组织分层结构，使得编制的程序可读性非常好，现场调试非常容易。STEP7标准软件包包括符号编辑器、SIMATIC管理器、NETPRO通讯组态、硬件组态、和三种编程语言（LAD、FBD和STL），此外，还具有硬件诊断能力。
整个过程监控程序分层及调用结构如图4所示。
OB1：为系统组织块，用于循环程序处理。FC2为报警及数据处理功能块，用于各种报警信号的处理及与上位数据块（共享）DB20的数据交换。FC3为液位高、中、低判断功能块，完成9个水池的液位高、中、低判断，在该功能块中调用液位比较功能块FC4。OB35为循环中断子程序，中断优先级为12，其中断时间可在5ms～60000ms之间设定，本过程设定为1分钟。FC10为系统主程序。在功能块FC2中完成各种报警,且可通过上位机确认，同时对主程序中所需要的数据进行处理准备。FC4为液位比较子程序功能快。 DB21也为共享数据块，可通过上位机设定泵的切换时间、各类设定数据等。
在STEP7标准控制功能中有多种PID控制模块，使用时可直接选用，如图5.1中的功能块FB41，DB41为其背景数据块。用户可方便地通过连接和参数设置实现简单PID控制，其参数可通过上位机设置和修改。
通过编程实现了液位控制两台潜污提升泵的启、停及24小时自动切换;两台二沉出水提升泵与潜污提升泵的顺序控制;压力、时间控制钢机械过滤器、活性炭过滤器的正、反洗;液位控制中水出水提升泵、污泥回流泵、格兰富离心泵的启、停及一周自动切换等开关量控制功能;对于余氯、硬度、浊度及pH值通过控制加药计量泵的开度以控制加药量的多少;水压、液位及电导率控制的高、低区变频循环供水等闭环控制功能则通过六次调用PID控制模块FB41和可通过上位机设定参数的数据块DB41、DB42、DB43、DB44、DB45、DB46来实现。
5.2 上位机程序
上位机采用西门子WinCC5.1组态软件开发监控程序，主要实现以功能：
（1）工艺流程图及运行参数的控制显示：分别开发中水、软水、直饮水工艺流程图，实时显示现场各类泵、阀等设备的运行状态及各种监控数据，并能对液位、压力、时间、余氯含量、pH值等数据进行设定和控制。主画面模拟现场工作状况，能够直观、精确了解现场工作状况。图5所示为中水处理系统流程图。
（2）数据查询功能：在主机画面上，通过实时数据曲线对采集到的各种数据进行实时观测，便于了解具体的工作情况;通过历史数据曲线对采集到的数据存放到数据库中，便于了解长时间工作的历史趋势。查询时可保证精确、方便、快捷。
（3）报警功能：对各超出设定值范围的参数及设备故障进行报警，当某一实时数据超过设定值或某一设备出现故障时，进行声光报警，并做相应的处理，报警后将所需参数存入数据库中，供日后查询。
（4）报表功能：对需要上报或对比以及长期需要保存的数据生成报表进行定时或实时打印存档。
6 结束语
采用SIMATIC S7-300系列可编程控制器进行污水过程处理,硬件可由软件组态，软件编程层次清楚，现场调试方便，利用其强大的通讯功能可组成各种分布式监控管理系统。PROFIBUS-DP现场总线适用于工业领域，可靠性高、实时响应性好、对环境要求低，是适合工业环境下系统组网的一种现场总线。基于TCP/IP协议的以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，支持几乎所有的网络协议，是企业管理层广泛采用的一种通讯网络。该系统在国家电力调度中心污水处理工程中运行表明，将工控机与PLC结合、现场总线和工业以太网结合，组成一种混合型的工业控制系统，不但发挥了各自的优势，而且便于网络扩展和异构连接，实现管控一体化。
本文创新点是将工业以太网与现场总线构成的混合模型应用于污水处理计算机监控系统，实现了系统的管控一体化。
参考文献
[1] SIMATIC S7-300系列可编程控制器硬件安装手册
[2] SIMATIC S7 STEP7 V5.2编程手册
[3] WinCC5.1使用手册
[4] 黄兆龙. 曝气生物滤池污水处理工艺中的自控系统设计[J].微计算机信息.2005.2.
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[6] 唐济扬.以太网与现场总线技术[J].国内外机电一体化技术.2002.5.7～14
[7] 陈一雷等.工业以太网的研究与发展[J].低压电器.2002.5.35～38
作者简介
惠鸿忠，男，硕士，讲师，研究方向：工业过程控制、计算机监控系统及智能控制监控系统的研究与开发。
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