PROFINET工業(yè)以太網的SBR工藝污水處理自動控制系統(tǒng)

　　近年來在城市污水處理的工藝中，投資少、運行靈活的SBR處理工藝得到廣泛的應用。SBR(Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process)序批式活性污泥工藝早在1904年就被開發(fā)，并取得了較好的效果,只是由于當時的自動化水平和設備制造工藝的限制，所以沒有得到推廣應用。而近年來隨著自動化技術及在線監(jiān)測技術的飛速發(fā)展，為SBR工藝的發(fā)展和應用提供了前提條件，因為對污水處理工藝進行自動化監(jiān)測和實時控制是提高污水處理效率、降低處理能耗的關鍵，所以SBR工藝也是各種污水處理工藝中對自動化系統(tǒng)要求較高的一種工藝。SBR反應過程主要是在生物反應池內進行的，該工藝主要由進水、曝氣、沉淀、排水和閑置等五個階段組成。SBR工藝的處理效果主要取決于其運行參數(shù)，其中主要參數(shù)包括各反應段時間以及曝氣強度。一般采用以PLC為核心的工藝過程自動監(jiān)控系統(tǒng)，實時控制鼓風機、水泵、電動閥等設備及各反應段時間，使水質達到國家規(guī)定的排放標準。

　　由此可見，SBR污水處理工藝是一個多參量(如液位、流量、壓力、生物指標等)、多任務(如污水輸送、風量控制、水泵的啟停等)、多設備(如格柵機、水泵、鼓風機、閥門等) 且具有隨機性 、時變性和耦合性的復雜系統(tǒng)。因此，應由穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)信息交換網絡與綜合管理系統(tǒng)來進行自動化的管理，使之安全可靠地運行。

　　2 工業(yè)以太網Profinet技術應用

　　所謂工業(yè)以太網，一般來講是指技術上與商用以太網(即IEEE802.3標準)兼容，但在產品設計時，在材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。

　　Profinet是Process Field Net的縮寫，它是Profibus客戶、生產商與系統(tǒng)集成聯(lián)盟協(xié)會推出的在Profibus與以太網間全開放的通信協(xié)議。Profinet是一種基于實時工業(yè)以太網的自動化解決方案，它以一整套完整高性能并可升級的方式，可以為Profibus及其他各種現(xiàn)場總線網絡提供以太網移植服務;Profinet標準的開放性保證了其長遠的兼容性與擴展性，從而可以保護用戶的投資與利益。 Profinet可以使工程與組態(tài)、試運行、操作和維護更為便捷，并且能夠與Profibus以及其它現(xiàn)場總線網絡實現(xiàn)無縫集成與連接。

　　這種跨越供應商的開放式標準建立在工業(yè)以太網基礎之上，覆蓋了工廠自動化的所有領域。依賴于現(xiàn)行的IT標準，并且無條件地支持TCP/IP協(xié)議，從而確保了公司范圍內從辦公區(qū)域到現(xiàn)場級的集成通訊。 它主要包含3方面的技術： ① 基于通用對象模型(COM)的分布式自動化系統(tǒng); ② 規(guī)定了Profibus和標準以太網之間的開放、透明通信; ③ 提供了一個包括設備層和系統(tǒng)層、獨立于制造商的系統(tǒng)模型。

　　Profinet采用標準以太網作為連接介質，采用TCP/IP協(xié)議加上應用層的RPC/DCOM來完成節(jié)點之間的通信和網絡尋址。它可以同時掛接傳統(tǒng)Profibus系統(tǒng)和新型的智能現(xiàn)場設備?，F(xiàn)有的Profibus網段可以通過一個代理設備(proxy)連接到Profinet網絡當中，使整套Profibus設備和協(xié)議能夠原封不動地在Profinet中使用。傳統(tǒng)的Profibus設備可通過代理proxy與Profinet上面的COM對象進行通信，并通過OLE自動化接口實現(xiàn)COM對象之間的調用。

　　與其他現(xiàn)場總線相比，工業(yè)以太網應用主要有以下特點：

　　1) 實時通信 采用以太網交換技術、全雙工通信、流量控制等技術，以及確定性數(shù)據(jù)通信調度控制策略、簡化通信棧軟件層次、現(xiàn)場設備層網絡微網段化等針對工業(yè)過程控制的通信實時性措施，提高了以太網通信的實時性。

　　2) 總線供電 采用直流電源耦合、電源冗余管理等技術，設計了能實現(xiàn)網絡供電或總線供電的以太網集線器，解決了以太網總線的供電問題。

　　3) 遠距離傳輸 采用網絡分層、控制區(qū)域微網段化、網絡超小時滯中繼以及光纖等技術實現(xiàn)了以太網的遠距離傳輸。

　　4) 網絡安全 采用控制區(qū)域微網段化，各控制區(qū)域通過具有網絡隔離和安全過濾的現(xiàn)場控制器與系統(tǒng)主干相連，實現(xiàn)各控制區(qū)域與其他區(qū)域之間的邏輯上的網絡隔離。

　　5) 可靠性 采用分散結構化設計、EMC設計、冗余、自診斷等可靠性設計技術等，提高基于以太網技術的現(xiàn)場設備可靠性。

　　6) 一網到底 即它可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場設備控制層，所以被人們普遍認為是未來控制網絡的最佳解決方案，工業(yè)以太網已成為現(xiàn)場總線中的主流技術。

　　工程實踐證明，在組建企業(yè)工控網絡時采用Profinet通訊技術可以節(jié)省近15%的硬件投資。

　　3 控制系統(tǒng)組成及功能設計 現(xiàn)代化的污水處理系統(tǒng)需要實現(xiàn)管理與控制一體化，實現(xiàn)辦公自動化。

　　控制系統(tǒng)不僅與下層控制設備有良好的接口，而且具有與上層管理系統(tǒng)集成的接口，同時具有可擴展性。所以本系統(tǒng)采用的工業(yè)以太網PRIFINET或現(xiàn)場總線Profibus等技術，適應了當前的這種需求。為了加強系統(tǒng)的可靠性，使整個系統(tǒng)能夠長時間無故障地運行，上位監(jiān)控系統(tǒng)還采用容錯(冗余)技術。

　　3.1系統(tǒng)組成及特點 根據(jù)全集成自動化(Totally Integrated Automation)的思想，將污水廠 控制系統(tǒng)分為管理級、控制級、現(xiàn)場級。系統(tǒng)簡圖如下頁圖：

　　(1)管理級 管理級是系統(tǒng)的核心部分，完成對污水處理過程各部分的管理和控制 ，并實現(xiàn)廠級的辦公自動化。管理級提供人機接口，是整個控制系統(tǒng)與外部信息交換的界面 。管理級的工業(yè)計算機具有相互通訊的功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換或共享。考慮到管理層功能結構的層次性和可分割性，采用客戶/服務器(Client/Server)的體系結構。服務器選用大型的網絡關系數(shù)據(jù)庫，滿足開放、分布式數(shù)據(jù)庫管理方式的要求。服務器具有遠程控制操作功能、狀態(tài)顯示功能、數(shù)據(jù)處理功能、報警功能、報表功能、通訊功能和冗余功能等。廠中心控制室中設備包括：兩臺安裝Siemens公司WinCC監(jiān)控組態(tài)軟件的冗余服務器作為上位機 ，安裝有WinCC組態(tài)軟件的完全版以及冗余軟件包，兩臺服務器互為備用，實現(xiàn)冗余，提高系統(tǒng)的可靠性。裝有WinCC運行版的PC機作為監(jiān)控工程師操作站。這種配置的最主要的優(yōu)點是保證數(shù)據(jù)的完整性和監(jiān)控操作的連續(xù)性。如果一個WinCC服務器出現(xiàn)故障，該服務器的客戶機(工作站)自動從發(fā)生故障的服務器切換到備用的服務器上，使所有的客戶機始終可以監(jiān)控生產過程，修復后的服務器回到系統(tǒng)后，自動實現(xiàn)歸檔數(shù)據(jù)的匹配,管理級與控制級的數(shù)據(jù)交換均采用了工業(yè)以太網,真正體現(xiàn)了公司范圍內從辦公區(qū)域到現(xiàn)場級的集成通訊?！　?/p>

　　(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。控制器是整個系統(tǒng)的核心，所以在控制級中，主要采用三套Siemens公司S7_300(CPU315_2PN/DP)型PLC組成,采用光纖和交換機構建成數(shù)據(jù)交換網絡, CPU315_2PN/DP配有集成的PROFINET接口,通過該接口連接I/O現(xiàn)場設備,STEP7包含有所需的驅動,也可以延伸到低端PROFIBUS上的設備,而無需重新連接編程器.現(xiàn)場設備也能夠使用額外集成的PROFIBUS接口進行連接,而且,PROFINET接口可以用于單元級的通訊.PRIFINET CPU 能夠使用STEP7在工業(yè)以太網上通過編程器/PC進行編程.

　　(3)現(xiàn)場級 現(xiàn)場級是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎?，F(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)進行監(jiān)測，并把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)上傳;接受控制級的指令對執(zhí)行機構進行控制。由于控制設備比較分散，在傳統(tǒng)的工廠內，輸入/輸出設備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PROFIBUS系統(tǒng)來連接現(xiàn)場控制部件(一些控制設備可能是第三方廠商提供)，是解決這些問題的最佳方案。分布式配置意味著可編程序控制 、I/O模塊和現(xiàn)場設備通過PROFIBUS_DP現(xiàn)場總線的信號電纜連接。將輸入/輸出模塊轉換成就地監(jiān)測器和執(zhí)行器，可就地轉換和處理過程信號。從而保證了控制級與現(xiàn)場級控制設備的獨立和兼容 ，同時解決了與第三方設備(撇水器、脫水機等)通訊問題,本系統(tǒng)的第三方設備均使用了SIEMENS公司性價比較高的S7_200小型PLC,通過其附加通訊模塊EM277可與PROFIBUS現(xiàn)場總線相連接,從而方便了運行過程中的系統(tǒng)維護和修理。 污水處理過程中，需要實時地在線監(jiān)測各種水質參數(shù)以保證準確的工藝運行參數(shù)和及時顯示處理結果。

　　在本系統(tǒng)中傳感器數(shù)量大、種類多，包括pH、SS(固體懸浮 物)、DO(溶解氧)、COD、液位傳感器以及電磁流量計、壓力計等。 傳感器全部采用德國Endress+Hauser公司的產品，這些傳感器都帶有PROFIBUS_DP接口，利用這些智能接口，這些儀表能與自動化過程控制系統(tǒng)集成，這樣獲得的所有過程參數(shù)可以集中顯示， 同時作為工藝的控制參數(shù)。

　　3.2 工藝控制規(guī)律

　　軟件編程的主要依據(jù)為生產工藝提供的控制規(guī)律。同一種處理工藝可能會有不同的控制策略，根據(jù)目前的研究狀況，SBR工藝的控制可以分為三種：

　　第一種是生物濃度法。是指根據(jù)在線測得的水質參數(shù)與設定參數(shù)形成閉環(huán)控制;

　　第二種是反應時間控制。對于時間控制規(guī)律而言， 它是根據(jù)對SBR反應的五個階段所需要的時間進行自動控制的。

　　第三種是流量程序控制。是根據(jù)污水流量的變化來調整各個階段所需時間進行自動控制。

　　后兩種控制方法都不是根據(jù)廢水的水質變化來改變某些運行參數(shù)進行自適應控制的。 生物濃度控制的基本思想是動態(tài)的控制SBR的反應時間,使其中的有機物濃度(用COD或BOD表示)達到允許的排放標準，就停止曝氣。在線測定有機物濃度的BOD或COD傳感器比較貴 ，一般都在幾十萬元，目前還沒有應用報道，而且實時性比較差，反應時間慢。