基于PROFIBUS总线技术的自控系统和智能仪表在水处理行业中的应用_中国教育装备采购网
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  • 基于PROFIBUS总线技术的自控系统和智能仪表在水处理行业中的应用

    中国教育装备采购网 2012/8/7 10:39:00 围观1970次 我要分享

      一、项目简介

      随着环境问题日益被社会各界所重视,污水处理成为环境保护中最亟待解决和与社会发展最息

      息相关的课题。西安市政府贯彻国家政策,大力兴建水处理工程,西安市第四污水处理厂是其中最

      具代表性的项目之一。

      西安市第四污水处理厂项目是日本国际协力银行ODA贷款项目,该厂接纳污水服务范围包括西安市城区部分区域、北郊及东郊部分区域,污水规划流域面积约为45km2,工程设计规模为50万L/日,其中一期设计规模为25万T/日,污水处理采用缺氧/厌氧/好氧(倒置A2/0)两级生物处理工艺,出水经漕运明渠排至渭河;污泥处理采用重力浓缩后中温两级消化、机械脱水工艺,脱水后泥饼外运填埋。消化产生的沼气用于污泥加热,实现资源再利用。污水厂主要产生臭味的构筑物设置臭气收集系统,经生物除臭系统进行净化处理。具体工艺流程如图l所示。

    图1工艺流程图

      图1工艺流程图

      根据污水厂工艺流程及布局情况,采用“集中监视,分散控制”的自控系统,系统包括中央监控系统、现场控制站、电视监控系统、通信网络及智能仪表。中央监控系统设在厂区综合办公楼中心控制室,包括监控工作站、管理工作站、工程师站等。中央监控站通过光纤以太网与五个现场控制站进行通信。五个现场控制站根据工艺区域划分,其中PLC1控制站设在粗格栅及污水提升泵房,PLC2控制站设在变配电室,PLC3控制站设在投药及加氯间,PLC4控制站设在污泥脱水间,PLC5控制站设在锅炉房及浴室。在各监测点采用支持PROFIBUS协议的流量、压力、温度、液位及水质分析等仪表,实现在线测量、故障诊断,并将信号送至就近的现场控制站进行监控。

      根据项目情况,采用西门子s7-400系列PLC作为主控系统,控制站具体硬件配置如下:

      二、控制系统构成

      在此项目中,自控系统采用管理层、控制层、现场层三级控制方式。其控制网络如图2所示。对于下位控制系统而言,每个站根据控制点数的差别和现场实际情况进行硬件选型配置如下所述。

      

    图2控制网络1

     

    图2控制网络2

      图2控制网络

      PLC1控制站——粗格栅及污水提升泵房现场控制站

      本站PLC选用西门子PLCS7-400系列产品,CPU为CPU414-3DP。现场PLC控制站与仪表、专用控制设备之间通过标准工业现场总线(PROFIBUS-DP/PA)进行数据通信,现场控制站通过西门子SCALANCEX408-2交换机与lOOMbit/s冗余光纤以太环网相连,完成与中控室监控计算机之间的通信。

      粗格栅及污水提升泵房现场控制站的I/O点数为:DI=181点,DO=79点,AI=0点,AO=0点。其硬件组态配置如图3所示。

     

    图3PLC1控制站硬件组态配置

      图3PLC1控制站硬件组态配置

      PLC2控制站——变配电室现场控制站

      本站PLC选用西门子PLCs7-400系列产品,CPU为CPU414-3DP。现场PLC控制站与仪表、专用控制设备之间通过标准工业现场总线(Profibus-DP/PA)进行数据通信,现场控制站通过西门子SCALANCEX408-2交换机与lOOMbit/s冗余光纤以太环网相连,完成与中控室监控计算机之间的通信。

      变配电室现场控制站的I/O点数为:DI=208点,DO=72点,AI=0点,AO=0点。其硬件组态配置如图4所示。

      

    图4PLC2控制站硬件组态配置

      图4 PLC2控制站硬件组态配置

      PLC3控制站——投药及加氯间现场控制站

      本站PLC选用西门子PLCS7-400系列产品,CPU为CPU414-3DP。现场PLC控制站与仪表、专用控制设备之间通过标准工业现场总线(PROFIBUS-DP/PA)进行数据通信,现场控制站通过西门子SCALANCEX408—2交换机与100Mbit/s冗余光纤以太环网相连,完成与中控室监控计算机之间的通信。

      PLC3控制站与仪表和专用设备之间都通过PROFIBUS-DP接口进行数据通信。其硬件组态配置如图5所示。

     

    图5PLC3控制站硬件组态配置

      图5PLC3控制站硬件组态配置

      PLC4控制站——污泥脱水间现场控制站

      本站PLC选用西门子PLCS7-400系列产品,CPU为CPU414-3DP。现场PLC控制站与仪表、专用控制设备之间通过标准工业现场总线(PROFIBUS-DP/PA)进行数据通信,现场控制站通过西门子SCALANCEX408-2交换机与lOOMbit/s冗余光纤以太环网相连,完成与中控室监控计算机之间的通信。

      脱水机房现场控制站的I/O点数为:DI=128点,DO=42点,AI=20点,AO=0点。其硬件组态配置如图6所示。

    图6PLC4控制站硬件组态配置

      图6PLC4控制站硬件组态配置

      三、控制系统完成的功能

      西安市第四污水处理厂项目采用管理层、控制层、现场层三级控制方式。分层控制使得用户权限分明,整体网络结构清晰,局部故障不影响系统其他部分运行,系统易于扩展和维护。

      1.三级控制方式简述

      (1)管理层

      管理层负责监控厂区的五个PLC控制站及其下属的各个从站的运行情况,管理层由四台SIE-MENS工业控制计算机组成,安装WinCC组态软件,可实现上位系统的监控和全厂报表、数据趋势的生成。管理层通过光纤以太环网和五个控制层PLC进行通信,通过控制层对现场层设备进行中控远程操作。管理层使用西门子SCALANCEX408-2光电交换机进行网络连接,并设置固定IP地址进行通信,如图7所示。

    图7设定固定IP地址进行通信

      图7设定固定IP地址进行通信

      (2)控制层

      控制层主要功能是从管理层接收数据和指令,PLC按照预先编制的程序对设备进行操作,并且周期扫描各个从站状态,将现场设备运行情况传送至管理层控制计算机,实现上下位之间、中控和现场之间指令发送和信息传输。控制层由五个PLC主控站构成,每个主控站和中控计算机之间采用光纤以太环网连接,各个主控PLC站依照工艺及控制设备的区别进行配置,其核心为西门子s7-400系列PLC,CPU模块为CPU414-3DP,并通过CP443-1以太网模块及SCALANCEX408-2光电交换机连接至光纤环网。主控PLC通过CP443-5Profibus总线模块级联现场总线与现场层S7-200从站通信,实现主一从分布式控制,如图8所示。

    图8主一从分布式控制

      图8主一从分布式控制

      (3)现场层

      现场层通过PROFIBUS-DP总线和控制层通信。现场通用设备通过MCC柜进行相关操作,MCC与主控PLC之间为硬接线,设备I/O点采用西门子IM153_2模块扩展成为总线远程I/O站。变频器、格栅机、刮泥机、排泥阀等集成西门子S7-200PLC作为现场控制从站。S7-200PLC通过西门 子EM277通信模块与PROFIBUS-DP总线连接,将采集到的数据传输至控制层主控PLC(S7-400)。

      现场层过程检测和在线分析仪表是Siemens、HACH、E+H公司支持PROFIBUS-DP总线的智能仪表;污泥处理区为防爆区域,故采用具有本质安全的PROFIBUS-PA总线。在主控PLC上配置IM153H2模块和FDC157-0DP/PA耦合器,将PA总线耦合至DP总线实现PA协议仪表与主控PLC之间的数据传输,如图9所示。

     

    图9PA协议仪表与丰榨PLC之间的数据传输

      图9 PA协议仪表与丰榨PLC之间的数据传输

      2.基于PROFIBUS总线的主一从分布式控制系统和仪表集成的实现方法

      根据上述配置方案对各系统、设备进行硬件组态和程序设计。编程及组态软件为STEP7v5.4简体中文版。系统采用模块化结构,以便于维护和扩展。下面分别叙述控制系统和仪表系统的实现方法。

      (1)主一从分布式控制系统的实现方法

      对于总线远程I/O方式,设置IM153_2模块的总线地址,在总线两端加终端电阻并组态硬件,即可实现监控功能。对于S7-200PLC,设置EM277模块的总线地址,模块上的“DXMODE”灯亮,代表S7-200与总线物理连接正常。将S7-200中需要传输的各变量进行地址映射到V-Memory内存交换区中,从而使S7-200和s7-400的CPU通过这个地址的一一对应实现数据交换,如图10所示。

     

    图10将各变量进行地址映射

      图10 将各变量进行地址映射

      通过上述设置和编程方式,将S7-200PLC控制的设备和系统通过总线连接集成到整体自控系统中。

      (2)智能仪表系统集成的实现方法

      在仪表组态时需要注意,DP/PA耦合器连接的PA总线在拓扑结构上属于DP总线的扩展,所以不对耦合器进行组态。同一条DP总线上仪表地址不能重复,无论其分布在哪个PA总线上。使用“PI直接读”命令可以从仪表地址中读值,不同的读取地址对应不同的仪表信息,内容要根据仪表本身组态和设置情况而定。在水处理中使用在线分析仪表,一个变送器可能连接多个传感器,要根据探头地址进行相关数值的读取。

      3.自控系统典型程序功能描述

      本项目总线电动阀的流程控制可以体现总线控制的特点,现描述如下。总线上共有24个电动阀,因为每组阀门的控制工艺一致,只是实际变量地址不同,故采用自定义函数实现相关功能。自 定义函数中采用形式参数作为中间变量,每次调用相同函数,对函数接口赋予不同的实际参数,实现联动控制。控制流程如图11所示。

    图11控制流程

      图11 控制流程

      4.实际工程中遇到的问题及解决方法

      西安市第四污水处理厂项目是西北地区首家大规模采用Profibus现场总线技术的自控仪表系统集成工程,经过项目实践,总结出总线技术在使用时需要注意的问题如下:

      1)总线连接的可靠性问题。在实际调试过程中,双绞线屏蔽层有可能破损而导致接地,使得线路接地电势不相等,导致总线通信故障。宜采用单端接地法,可有效去除接地不等电势影响;在组态时添加“OB80-OB87”和“OB120-122”系统组织块可使某个从站掉线不影响总线通信。

      2)对S7-200进行读写操作时指令地址映射问题。通过总线与S7-200通信时,“V-Memory”地址映射区的设置是通信成功的关键。根据西门子总线通信规定,V区的写操作在前端地址,读操作在后端地址。如果没有按照这个规则读取,则从站和主站无法通信。

      3)智能仪表参数和数值读取问题。总线仪表的数值是经过变送器处理过的数字信号。所以在仪表读值时,首先要考虑信号的数据类型和数据长度。例如,HACHSC1000变送器传输的流量信 号是浮点型32位数据,如果在PLC中用“PIW”命令读取就会出现数据溢出现象;同理,若程序中用MD寄存器存储数值,而仪表上设置的数据类型是“INT”整数型,则也无法正确读值。所以,一定要注意通信中的数据类型匹配问题。

      4)强电磁环境对总线通信的影响,在此项目2#PLC主控站中,总线上连接有26块仪表,PLC主控柜旁有大型潜污泵用变频器。调试时发现2#PLC主控站总线仪表有不时掉线情况,分析发现是变频器运行时总线受到强电磁干扰所致。解决方法为,总线电缆在桥架上单独单层敷设,保持总线电缆和动力电缆的直线距离在20cm之上,总线电缆和动力电缆采用非平行敷设可减小相间电磁干扰。

      四、项目运行和应用体会

      西安市第四污水处理厂现已顺利交付业主使用,整个系统运行正常,达到设计要求。PROFI-BUS作为成熟的总线技术,与传统硬接线相比,具有传输速率高、全数字通信、抗干扰能力强、节省布线成本、减少施工量等显著优点;而基于总线技术的分布式自控系统具有控制范围广、系统稳定性高、易于后期维护和系统扩展等优势;基于总线技术的智能仪表集成可以极大提高数据传输实时性和稳定性。以此为基础的控制系统可以有效提高生产效率,缩短开发周期,必将在工业过程控制的各个领域发挥重要的作用。

      参考文献

      [1]崔坚.西门子S7可编程序控制器-STEly7编程指南[M].北京:机械工业出版社,2007。

      [2]崔坚,李佳.西门子工业网络通信指南[M].北京:机械工业出版社,2004。

      [3]唐济扬.现场总线(PROFIBUS)技术应用指南[M].中国现场总线专业委员会,1998。

      [4]西门子公司.STEP7v5.4编程手册。

      [5]西门子公司.PROFIBUS-DP应用手册。

      [6]西门子公司.PROFIBUS-PA应用手册。

    来源:米尔自动化网 责任编辑:荔枝 我要投稿
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