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【摘 要】介绍了Siemens公司的S7—300 PLC和PROFIBUS-DP现场总线技术在遂宁污水处理厂自动控制系统中的应用。通过合理地配置了中央控制室与各PLC控制站的设备，并组建工业以太网，实现了中控室与各PLC控制站之间的数据通讯和污水处理的自动控制。
【关键词】PROFIBUS-DP；PLC；工业以太网
一、引言
随着现代控制技术和计算机技术的飞速发展，控制技术在污水厂中得到了广泛应用，使得整个污水处理过程实现了计算机监测、控制和管理，以实现高质量、低成本、稳定可靠的运营方式。本文以遂宁污水处理厂为例，来说明控制系统在污水处理厂中的应用。该污水处理厂采用了自动化控制系统、仪表系统和工业电视监控系统，形成了由计算机、PLC、现场仪表组成的多级的、开放的、模块化的、实时多任务的集散型可扩展的数据采集和监控系统。
二、污水处理控制系统设计
该污水处理厂规模为5万立方米/天，污水处理工艺采用改良型SBR法，曝气方式采用鼓风曝气，水处理工艺采用传统活性污泥法工艺，泥处理工艺采用中温厌氧消化、压滤脱水工艺，出水水质要求达到一级排放标准的B标准。处理后尾水排入新开河，再通过相距1公里的新开河闸及新开河排涝泵站排入涪江。污水处理厂内设有一个污水泵站、一个曝气过程站、一个污泥处理站和一个中央控制室IPC。这些站点与IPC之间必须实现高实时性、高可靠性、高稳定性的通信，才能保证污水处理生产的稳定、高效运行。因此，在对污水处理控制网络进行设计时，我们采用了先进的现场总线技术。根据全集成自动化的思想，将污水厂监控系统分为控制级和管理级。其控制系统原理图如图1所示。
（一）控制级
主站配置：用于主站的PLC，全部选用西门子的S7-300系列。该型PLC的CPU数字处理能力强，带有内部集成的PROFIBUS-DP接口。其特点是组态灵活，速度快，操作简捷。整个系统用了3台PLC，分别完成对污水泵站控制区、反应池站控制区和鼓风机站控制区各现场设备的监控，处理器模块选CPU315-2DP，FMS通讯模块选用CP343-5，模拟量输入模块选SM331，数字量输入模块选SM321，数字量输出模块选SM322，电源模块选PS307。2台上位操作员站通过5613卡与下面3台PLC站通讯。
从站配置：污水泵站控制区从站包括4台TGSIR智能电机软启器和2个ET200M分布式I/O装置。软启动器用于完成对进水泵房4台潜水泵的启/停控制，从而减少水泵的机械电气损伤，延长其使用寿命。软启动器通过IM183-1模块和PROFIBUS-DP网络相连，从而完成与污水泵站PLC的通信功能。ET200M是一种应用S7-300模块系列的模块化分布式
I/O装置，它通过接口模块IM153与PROFIBUS-DP总线相连，每个ET200M从站可扩展8个S7-300I/O模块。污水泵站的2个ET200M从站分别控制污泥池和污泥脱水机房的I/O点。污水泵站控制系统具体实现的控制功能有：
1、通过对格栅（粗、细格栅）机械的控制，去除掉污水中较大的悬浮漂流物。
2、通过对沉砂池设备的控制，去除掉污水中较小的泥砂和颗粒物。
3、通过对污泥脱水系统的控制，使污泥浓缩、脱水后运走，避免二次污染。
4、负责对各设备运行状况信息进行采集，便于设备管理。
反应池站控制区从站包括5台西门子的6SE70型智能变频器和2个ET200M分布式I/O装置。变频器用于对生化反应池中回流污水变频泵的启/停及调速控制。变频器通过CB15通讯模块和PROFIBUS-DP网络相连，从而完成与反应池泵站PLC的通信功能。2个ET200M从站分别控制二沉池和高配间的I/O点。反应池站控制系统具体实现的控制功能有：
1、通过对空气调节阀的控制，实现对SBR反应池中COD浓度、溶解氧浓度等的控制，以此来控制出水水质。
2、通过对搅拌器的控制，使活性污泥与有机物质、氧气充分接触，帮助生化反应的进行。
3、通过模糊控制器来控制加药量的大小以控制COD浓度的大小。
4、通过对高压配电间电力信号的采集，保证全厂供电系统的安全运行。
5、负责对各设备运行状况信息进行采集，便于设备管理。
鼓风机控制系统的主要任务是为反应池曝气提供充足、稳定的气量。在曝气池分别安装溶解氧测试仪和悬浮物浓度计，溶解氧测试仪可以实现实时控制溶解氧的数量，利用自动控制系统自动开启、关闭鼓风系统既能保证细菌良好的分解能力，又能节约能耗，保护设备；悬浮物浓度计可以精确地测量污泥浓度，根据污泥浓度，适时地调整曝气池的工艺。因此，鼓风机站控制系统从站包括4台TGSIR智能软启动器和2个ET200M分布式I/O装置。软启动器用于完成鼓风机房4台鼓风机电机的启/停控制，并且通过IM183-1模块和PROFIBUS-DP网络相连，从而完成与鼓风机站PLC的通信功能。2个ET200M从站分别控制低配间和回水用房的I/O点。鼓风机控制系统具体实现的控制功能有：
1、通过对鼓风机的控制，实现对出风口总空气流量和压力的控制，以供给生化反应池压力和风量恒定的空气。
2、通过对低压配电间电力信号的采集，保证全厂供电系统的安全运行。
3、负责对各设备运行状况信息进行采集，便于设备管理。
（二）管理级
1、污水处理厂SCADA系统的设计
上位计算机系统可监视单元站的全部运行信息，控制现场设备的启动和停止，对各站采集来的数据进行汇总、分析，為污水厂的全面控制提供必要的数据基础。上位计算机系统SCADA采用WinCC组态软件实现，WinCC是一种基于Windows NT32的HMI/SCADA软件，是生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术中性系统。高性能的过程耦合、快速的画面更新以及可靠的数据使其具有高度的实用性。在SCADA界面上有实时生产过程的相关动态参数显示。 管理级实现的具体功能有：
① 显示整个污水处理厂的工艺流程图，并分出粗格栅、进水泵房和氧化沟等13个工藝单元局部放大画面，每个画面均可自由切换。
② 生产设备的监控和工艺参数的采集、分析与给定。将PLC采集的实时工况、过程变量、水质指标、工艺参数，实时在CRT上直观显示出来。管理人员通过鼠标和键盘下达各种调度指令，进行工艺参数设定。
③ 监控画面底端设有报警栏。无报警时自动隐藏，有报警时声讯报警并立即弹出当前报警信息框，所有报警信息均可在报警记录中查询，方便以后的运行分析。
④ 显示各种参数的历史曲线，并根据要求配置曲线的存储时间。主要有进水量、溶解氧和PH等参数的历史曲线。
⑤ 文件自动定时生成管理日报表和月报表及设备运行状态表，可定时打印日报表和月报表。
上述功能中产生的数据都可以做成表格进行归档，而且SCADA支持.csv的数据导出，操作者可以用Excel直接读取趋势数据。
为了使上位计算机系统集成到MES和ERP中，采用Web浏览和OPC DA的方法，将SCADA的中央数据服务器扩展成Web服务器和OPC服务器不仅便于融合，而且还减少了重叠的服务器设置。用Web发布SCADA界面，要浏览生产状况的计算机作为Web客户端，组成一个Client/Server模式的局域网，并在WinCC中创建授权管理者，使得在授权范围内的有限管理者可以在局域网内通过ActiveX支持的IE远程浏览SCADA画面。这样，管理者就可以在办公室浏览现场的处理运行状况，使控制系统信息在企业内任何网络级别访问。另外，上层信息系统的MES和ERP作为一个OPC的客户端，访问集成在WinCC中的OPC数据访问服务器，采集控制系统中的实时数据，获得WinCC归档系统中的历史数据，得出处理水量、能耗和成本，对DO/MLSS/TP/TN/COD等水质数据进行分析，离线得出水处理的优化方案并介入上位计算机系统实施。局域网再接入Internet就可以实现局域网、本地网、远程网跨区域的远程现场设备监控功能，管理者可随时、随地以各种上网方式通过互联网来获取污水厂内的信息。这就超越了自动控制的过程，将范围扩展到工厂监控级，使上层信息网和控制网合二为一。
三、结语
基于现场总线的污水处理生产网络控制系统能有效地进行工作，与传统的方法相比，其最大的特点是功能强、结构灵活实用、可靠性高、安装调试简单且开发和维护费用低，根据不同的现场情况与用户要求，系统可以扩展为不同的模式。项目投产以来，经济效益显著，大幅降低了运行成本，一年可节约污水处理成本860万元。同时，产生了巨大的社会效益，污水处理后可达到国家一级B类排放标准，从而使市区的污水排放达到了国家园林城市标准。
参考文献：
[1]李潮，郭照新等.基于WinCC的污水处理厂监控系统设计与实现[J].微计算机信息，2006（4-1）：114-115
[2]陈姝意，李少远.污水处理的综合自动化控制系统[J].控制工程，2006（2）：102-104，107
[3]周小波，王成端.西南科大污水处理控制系统的应用分析[J].微计算机信息，2006（5-1）：38-39，118
[4]程小劲，韩向东.基于工业以太网的污水处理控制系统[J].仪表技术与传感器，2005（2）：37-38
【关键词】PROFIBUS-DP；PLC；工业以太网
一、引言
随着现代控制技术和计算机技术的飞速发展，控制技术在污水厂中得到了广泛应用，使得整个污水处理过程实现了计算机监测、控制和管理，以实现高质量、低成本、稳定可靠的运营方式。本文以遂宁污水处理厂为例，来说明控制系统在污水处理厂中的应用。该污水处理厂采用了自动化控制系统、仪表系统和工业电视监控系统，形成了由计算机、PLC、现场仪表组成的多级的、开放的、模块化的、实时多任务的集散型可扩展的数据采集和监控系统。
二、污水处理控制系统设计
该污水处理厂规模为5万立方米/天，污水处理工艺采用改良型SBR法，曝气方式采用鼓风曝气，水处理工艺采用传统活性污泥法工艺，泥处理工艺采用中温厌氧消化、压滤脱水工艺，出水水质要求达到一级排放标准的B标准。处理后尾水排入新开河，再通过相距1公里的新开河闸及新开河排涝泵站排入涪江。污水处理厂内设有一个污水泵站、一个曝气过程站、一个污泥处理站和一个中央控制室IPC。这些站点与IPC之间必须实现高实时性、高可靠性、高稳定性的通信，才能保证污水处理生产的稳定、高效运行。因此，在对污水处理控制网络进行设计时，我们采用了先进的现场总线技术。根据全集成自动化的思想，将污水厂监控系统分为控制级和管理级。其控制系统原理图如图1所示。
（一）控制级
主站配置：用于主站的PLC，全部选用西门子的S7-300系列。该型PLC的CPU数字处理能力强，带有内部集成的PROFIBUS-DP接口。其特点是组态灵活，速度快，操作简捷。整个系统用了3台PLC，分别完成对污水泵站控制区、反应池站控制区和鼓风机站控制区各现场设备的监控，处理器模块选CPU315-2DP，FMS通讯模块选用CP343-5，模拟量输入模块选SM331，数字量输入模块选SM321，数字量输出模块选SM322，电源模块选PS307。2台上位操作员站通过5613卡与下面3台PLC站通讯。
从站配置：污水泵站控制区从站包括4台TGSIR智能电机软启器和2个ET200M分布式I/O装置。软启动器用于完成对进水泵房4台潜水泵的启/停控制，从而减少水泵的机械电气损伤，延长其使用寿命。软启动器通过IM183-1模块和PROFIBUS-DP网络相连，从而完成与污水泵站PLC的通信功能。ET200M是一种应用S7-300模块系列的模块化分布式
I/O装置，它通过接口模块IM153与PROFIBUS-DP总线相连，每个ET200M从站可扩展8个S7-300I/O模块。污水泵站的2个ET200M从站分别控制污泥池和污泥脱水机房的I/O点。污水泵站控制系统具体实现的控制功能有：
1、通过对格栅（粗、细格栅）机械的控制，去除掉污水中较大的悬浮漂流物。
2、通过对沉砂池设备的控制，去除掉污水中较小的泥砂和颗粒物。
3、通过对污泥脱水系统的控制，使污泥浓缩、脱水后运走，避免二次污染。
4、负责对各设备运行状况信息进行采集，便于设备管理。
反应池站控制区从站包括5台西门子的6SE70型智能变频器和2个ET200M分布式I/O装置。变频器用于对生化反应池中回流污水变频泵的启/停及调速控制。变频器通过CB15通讯模块和PROFIBUS-DP网络相连，从而完成与反应池泵站PLC的通信功能。2个ET200M从站分别控制二沉池和高配间的I/O点。反应池站控制系统具体实现的控制功能有：
1、通过对空气调节阀的控制，实现对SBR反应池中COD浓度、溶解氧浓度等的控制，以此来控制出水水质。
2、通过对搅拌器的控制，使活性污泥与有机物质、氧气充分接触，帮助生化反应的进行。
3、通过模糊控制器来控制加药量的大小以控制COD浓度的大小。
4、通过对高压配电间电力信号的采集，保证全厂供电系统的安全运行。
5、负责对各设备运行状况信息进行采集，便于设备管理。
鼓风机控制系统的主要任务是为反应池曝气提供充足、稳定的气量。在曝气池分别安装溶解氧测试仪和悬浮物浓度计，溶解氧测试仪可以实现实时控制溶解氧的数量，利用自动控制系统自动开启、关闭鼓风系统既能保证细菌良好的分解能力，又能节约能耗，保护设备；悬浮物浓度计可以精确地测量污泥浓度，根据污泥浓度，适时地调整曝气池的工艺。因此，鼓风机站控制系统从站包括4台TGSIR智能软启动器和2个ET200M分布式I/O装置。软启动器用于完成鼓风机房4台鼓风机电机的启/停控制，并且通过IM183-1模块和PROFIBUS-DP网络相连，从而完成与鼓风机站PLC的通信功能。2个ET200M从站分别控制低配间和回水用房的I/O点。鼓风机控制系统具体实现的控制功能有：
1、通过对鼓风机的控制，实现对出风口总空气流量和压力的控制，以供给生化反应池压力和风量恒定的空气。
2、通过对低压配电间电力信号的采集，保证全厂供电系统的安全运行。
3、负责对各设备运行状况信息进行采集，便于设备管理。
（二）管理级
1、污水处理厂SCADA系统的设计
上位计算机系统可监视单元站的全部运行信息，控制现场设备的启动和停止，对各站采集来的数据进行汇总、分析，為污水厂的全面控制提供必要的数据基础。上位计算机系统SCADA采用WinCC组态软件实现，WinCC是一种基于Windows NT32的HMI/SCADA软件，是生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术中性系统。高性能的过程耦合、快速的画面更新以及可靠的数据使其具有高度的实用性。在SCADA界面上有实时生产过程的相关动态参数显示。 管理级实现的具体功能有：
① 显示整个污水处理厂的工艺流程图，并分出粗格栅、进水泵房和氧化沟等13个工藝单元局部放大画面，每个画面均可自由切换。
② 生产设备的监控和工艺参数的采集、分析与给定。将PLC采集的实时工况、过程变量、水质指标、工艺参数，实时在CRT上直观显示出来。管理人员通过鼠标和键盘下达各种调度指令，进行工艺参数设定。
③ 监控画面底端设有报警栏。无报警时自动隐藏，有报警时声讯报警并立即弹出当前报警信息框，所有报警信息均可在报警记录中查询，方便以后的运行分析。
④ 显示各种参数的历史曲线，并根据要求配置曲线的存储时间。主要有进水量、溶解氧和PH等参数的历史曲线。
⑤ 文件自动定时生成管理日报表和月报表及设备运行状态表，可定时打印日报表和月报表。
上述功能中产生的数据都可以做成表格进行归档，而且SCADA支持.csv的数据导出，操作者可以用Excel直接读取趋势数据。
为了使上位计算机系统集成到MES和ERP中，采用Web浏览和OPC DA的方法，将SCADA的中央数据服务器扩展成Web服务器和OPC服务器不仅便于融合，而且还减少了重叠的服务器设置。用Web发布SCADA界面，要浏览生产状况的计算机作为Web客户端，组成一个Client/Server模式的局域网，并在WinCC中创建授权管理者，使得在授权范围内的有限管理者可以在局域网内通过ActiveX支持的IE远程浏览SCADA画面。这样，管理者就可以在办公室浏览现场的处理运行状况，使控制系统信息在企业内任何网络级别访问。另外，上层信息系统的MES和ERP作为一个OPC的客户端，访问集成在WinCC中的OPC数据访问服务器，采集控制系统中的实时数据，获得WinCC归档系统中的历史数据，得出处理水量、能耗和成本，对DO/MLSS/TP/TN/COD等水质数据进行分析，离线得出水处理的优化方案并介入上位计算机系统实施。局域网再接入Internet就可以实现局域网、本地网、远程网跨区域的远程现场设备监控功能，管理者可随时、随地以各种上网方式通过互联网来获取污水厂内的信息。这就超越了自动控制的过程，将范围扩展到工厂监控级，使上层信息网和控制网合二为一。
三、结语
基于现场总线的污水处理生产网络控制系统能有效地进行工作，与传统的方法相比，其最大的特点是功能强、结构灵活实用、可靠性高、安装调试简单且开发和维护费用低，根据不同的现场情况与用户要求，系统可以扩展为不同的模式。项目投产以来，经济效益显著，大幅降低了运行成本，一年可节约污水处理成本860万元。同时，产生了巨大的社会效益，污水处理后可达到国家一级B类排放标准，从而使市区的污水排放达到了国家园林城市标准。
参考文献：
[1]李潮，郭照新等.基于WinCC的污水处理厂监控系统设计与实现[J].微计算机信息，2006（4-1）：114-115
[2]陈姝意，李少远.污水处理的综合自动化控制系统[J].控制工程，2006（2）：102-104，107
[3]周小波，王成端.西南科大污水处理控制系统的应用分析[J].微计算机信息，2006（5-1）：38-39，118
[4]程小劲，韩向东.基于工业以太网的污水处理控制系统[J].仪表技术与传感器，2005（2）：37-38