馮  濤

1  引言
紹興污水處理廠(chǎng)的工程設計規模為日處理污水50萬(wàn)噸，主要收集紹興市區的城市污水及紹興縣大部分的工業(yè)廢水和生活污水，近期實(shí)施30萬(wàn)噸/日。該工程由予處理工段、生化處理工段、物化處理工段、污泥堆埋場(chǎng)和公用工程工段組成。
此項目通過(guò)國際招標，決定采用SIEMENS公司的PCS7（過(guò)程控制系統）作為全廠(chǎng)的自動(dòng)監控系統。
PCS7是一種模塊化的、基于現場(chǎng)總線(xiàn)的新一代過(guò)程控制系統，它結合了傳統DCS和PLC的優(yōu)點(diǎn)及功能。系統的所有硬件都基于統一的硬件平臺，所有軟件也都全部集成在SIMATIC程序管理器下，具有統一的軟件平臺。系統大量采用了新技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò )配置上使用標準的工業(yè)以太網(wǎng)和Profibus網(wǎng)絡(luò )。由于PCS7消除了DCS和PLC的界限，真正實(shí)現了儀控和電控的一體化，充分體現了全集成自動(dòng)化的特點(diǎn)，使系統應用范圍更廣。它是一種適用于現在、面向未來(lái)的開(kāi)放型現場(chǎng)總線(xiàn)過(guò)程控制系統。
2  系統介紹
紹興污水處理廠(chǎng)PCS7如圖1所示，分布于1個(gè)中央控制室和4個(gè)分控制室。4個(gè)分控室分別由4套PCS7對予處理工段、生化處理工段、物化處理工段、污泥堆埋場(chǎng)的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。整套系統共處理現場(chǎng)信號數目為：模擬量輸入信號25個(gè)、模擬量輸出信號24個(gè)、數字量輸入信號1386個(gè)、數字量輸出信號233個(gè)、現場(chǎng)總線(xiàn)(PA)儀表244個(gè)、電動(dòng)閥門(mén)(DP)145個(gè)。

圖1  紹興污水處理廠(chǎng)PCS7

(1)  各分控制室的PCS7通過(guò)冗余的10Mbps光纖環(huán)網(wǎng)(工業(yè)以太網(wǎng))相連接，分別將信號傳送至中央控制室，全廠(chǎng)主要機泵等運轉設備的開(kāi)、停和故障信號都將在PCS7和中央控制室的大型模擬屏上顯示。
(2)  現場(chǎng)控制站采用帶有帶電熱插拔特性的SIMATIC ET200M分布式輸入/輸出控制站。它允許控制站中的信號模塊在系統運行的情況下插拔而無(wú)需停止系統，大大提高了系統的可靠性。同時(shí)它還具有模塊擴展功能，適用于解決獨立的、復雜的控制任務(wù)。
(3)  過(guò)程檢測儀表采用現場(chǎng)總線(xiàn)儀表，儀表信號以現場(chǎng)總線(xiàn)信號為主。特殊儀表信號采用標準4~20mADC信號?？刂崎y門(mén)采用現場(chǎng)總線(xiàn)型電動(dòng)閥門(mén)。
3  監控軟件
PCS7采用的監控軟件為SIMATIC PCS7 OS V5.1，它是可以在Windows NT/98/95操作系統上運行的開(kāi)放的過(guò)程、機器和工廠(chǎng)操作可視化基礎系統。提供現場(chǎng)控制器、儀表以及中央監控功能的高性能解決方案，適用于各種自控場(chǎng)合。它的特點(diǎn)如下：
(1)  操作界面
可提供全中文界面，具有開(kāi)放特性，允許執行其他可執行文件，可集成Active X控件，并且可以以DDE（動(dòng)態(tài)數據交換）的方式建立應用文件間的聯(lián)系。根據需要還可以輸入和輸出各種通用圖形文件。監控軟件提供的圖形編輯器可以靈活方便地繪制及顯示總平面圖、工藝圖、工藝區域圖、工藝單元圖、工藝控制圖和單元控制圖。
(2)  控制功能
在控制圖上可以通過(guò)鼠標和鍵盤(pán)對工藝參數進(jìn)行修改，對工藝過(guò)程和控制設備按要求進(jìn)行控制和調節。
(3)  報警功能
監控軟件提供的報警日志可以記錄事件、信息和報警，并且可以根據要求對相應內容進(jìn)行歸檔、觸發(fā)相應動(dòng)作等。它可以在設備及工藝過(guò)程發(fā)生故障時(shí)發(fā)出警報，顯示故障點(diǎn)和故障狀態(tài)，按照報警等級作出相應反應，記錄故障信息。
(4)  安全操作
監控軟件提供的用戶(hù)管理器允許設置用戶(hù)權限，針對不同的操作者設置相應的加密等級，記錄操作員及其操作信息。對全部工藝過(guò)程、工藝參數、設備狀態(tài)可以通過(guò)顏色變化、百分比和色標填充等手段動(dòng)態(tài)顯示。
(5)  數據管理
通過(guò)監控軟件提供的標簽日志和報表編輯器可以記錄并顯示工藝參數，如流量、壓力、液位等變化曲線(xiàn)趨勢圖。利用歷史數據和實(shí)時(shí)數據建立各種必須的數據庫，完成數據傳送和報表打印。
經(jīng)過(guò)優(yōu)化的通訊接口，可以方便快速地與現場(chǎng)/中央控制室進(jìn)行數據交換，為系統實(shí)時(shí)監控提供保障。
4  網(wǎng)絡(luò )結構
(1)  紹興污水處理廠(chǎng)的PCS7之間的網(wǎng)絡(luò )機制是基于IEEE802.3u的快速工業(yè)以太網(wǎng)，采用數據沖突檢測機理。系統主干網(wǎng)采用10Mbps光纖雙環(huán)冗余網(wǎng)絡(luò )，不僅技術(shù)可靠，而且開(kāi)放性好。特別是采用SIEMENS高速以太網(wǎng)光纖通信模塊（OSM），大大加強了網(wǎng)絡(luò )抗電磁干擾的能力，省去了采用普通雙絞線(xiàn)連網(wǎng)所必須考慮的防雷擊及過(guò)電壓保護的措施，使控制系統安全可靠，風(fēng)險系數大大降低。各分控站之間的通訊呈高速狀態(tài)，保證了實(shí)時(shí)控制這一網(wǎng)絡(luò )通訊的核心內容。
(2)  PCS7和操作員工作站都通過(guò)冗余的光纖快速工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)成網(wǎng)絡(luò )，生產(chǎn)過(guò)程中的各種數據可以在各PCS7之間傳遞。操作員站和工程師站均可以從現場(chǎng)控制站中獲取數據，同時(shí)參與控制。監控系統采用人機接口軟件，對各個(gè)分控站進(jìn)行畫(huà)面組臺和參數修改。由于快速工業(yè)以太網(wǎng)將上位監控站與現場(chǎng)分控站相連，保障了主干網(wǎng)絡(luò )高速穩定的通訊。
(3)  PCS7與現場(chǎng)過(guò)程的通信網(wǎng)絡(luò )是采用Profibus。
Profibus是開(kāi)放式現場(chǎng)總線(xiàn)系統，符合歐洲現場(chǎng)總線(xiàn)標準EN5070和EN50254的國際化的開(kāi)放式現場(chǎng)總線(xiàn)標準。它使不同廠(chǎng)商提供的產(chǎn)品在網(wǎng)絡(luò )中工作自如。Profibus系列包括3種兼容的版本：Profibus-FMS、Profibus-DP和Profibus-PA。在本系統中，用到了Profibus-DP和Profibus-PA。
Profibus-DP主要用于設備級的高速數據通信，中央控制器(CPU)高速串行連接分散的現場(chǎng)設備(I/O設備、閥門(mén)等)，這種和分散設備之間的數據通信通常是以循環(huán)的方式進(jìn)行。它符合EN50170的Profibus-DP基本功能指定，除了執行循環(huán)功能實(shí)現現場(chǎng)設備的組態(tài)、診斷及處理報警外，也可執行非循環(huán)通信功能。
Profibus-PA是Profibus-DP在保持其通信協(xié)議的條件下，增加了對現場(chǎng)儀表優(yōu)選的傳輸技術(shù)。選擇符合IEC1158-2的國際標準化傳輸技術(shù)使Profibus-PA現場(chǎng)安裝技術(shù)的未來(lái)有了保證。Profibus-PA總線(xiàn)系統使測量變送器、閥門(mén)、執行機構通過(guò)一個(gè)串行總線(xiàn)系統(屏蔽雙絞線(xiàn))聯(lián)網(wǎng)，并通過(guò)該屏蔽雙絞線(xiàn)向現場(chǎng)儀表供電(饋電)。借助于網(wǎng)絡(luò )部件DP/PA鏈接器或DP/PA耦合器，實(shí)現了從Profibus-PA到Profibus-DP的通信轉換。
(4)  ET200M作為Profibus-DP現場(chǎng)總線(xiàn)中的一個(gè)從站，最大的數據傳送速率可以達到12Mbps，通過(guò)SIMATIC IM153-2接口模塊，它與PCS7中的中央處理器進(jìn)行通訊，將現場(chǎng)設備的輸入或輸出信號傳送給中央處理器。
5  結語(yǔ)
PCS7在紹興污水處理廠(chǎng)的成功投運，體現了PCS7作為一種全集成的、面向未來(lái)的開(kāi)放型現場(chǎng)總線(xiàn)過(guò)程控制系統的優(yōu)勢。對于PCS7在污水處理行業(yè)的應用有著(zhù)積極的意義。