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馮  濤

1  引言
紹興污水處理廠的工程設計規模為日處理污水50萬噸，主要收集紹興市區的城市污水及紹興縣大部分的工業廢水和生活污水，近期實施30萬噸/日。該工程由予處理工段、生化處理工段、物化處理工段、污泥堆埋場和公用工程工段組成。
此項目通過國際招標，決定采用SIEMENS公司的PCS7（過程控制系統）作為全廠的自動監控系統。
PCS7是一種模塊化的、基于現場總線的新一代過程控制系統，它結合了傳統DCS和PLC的優點及功能。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，在網絡配置上使用標準的工業以太網和Profibus網絡。由于PCS7消除了DCS和PLC的界限，真正實現了儀控和電控的一體化，充分體現了全集成自動化的特點，使系統應用范圍更廣。它是一種適用于現在、面向未來的開放型現場總線過程控制系統。
2  系統介紹
紹興污水處理廠PCS7如圖1所示，分布于1個中央控制室和4個分控制室。4個分控室分別由4套PCS7對予處理工段、生化處理工段、物化處理工段、污泥堆埋場的生產過程進行控制。整套系統共處理現場信號數目為：模擬量輸入信號25個、模擬量輸出信號24個、數字量輸入信號1386個、數字量輸出信號233個、現場總線(PA)儀表244個、電動閥門(DP)145個。

圖1  紹興污水處理廠PCS7

(1)  各分控制室的PCS7通過冗余的10Mbps光纖環網(工業以太網)相連接，分別將信號傳送至中央控制室，全廠主要機泵等運轉設備的開、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需停止系統，大大提高了系統的可靠性。同時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。
(3)  過程檢測儀表采用現場總線儀表，儀表信號以現場總線信號為主。特殊儀表信號采用標準4~20mADC信號。控制閥門采用現場總線型電動閥門。
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放的過程、機器和工廠操作可視化基礎系統。提供現場控制器、儀表以及中央監控功能的高性能解決方案，適用于各種自控場合。它的特點如下：
(1)  操作界面
可提供全中文界面，具有開放特性，允許執行其他可執行文件，可集成Active X控件，并且可以以DDE（動態數據交換）的方式建立應用文件間的聯系。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鼠標和鍵盤對工藝參數進行修改，對工藝過程和控制設備按要求進行控制和調節。
(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行歸檔、觸發相應動作等。它可以在設備及工藝過程發生故障時發出警報，顯示故障點和故障狀態，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管理器允許設置用戶權限，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。對全部工藝過程、工藝參數、設備狀態可以通過顏色變化、百分比和色標填充等手段動態顯示。
(5)  數據管理
通過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、液位等變化曲線趨勢圖。利用歷史數據和實時數據建立各種必須的數據庫，完成數據傳送和報表打印。
經過優化的通訊接口，可以方便快速地與現場/中央控制室進行數據交換，為系統實時監控提供保障。
4  網絡結構
(1)  紹興污水處理廠的PCS7之間的網絡機制是基于IEEE802.3u的快速工業以太網，采用數據沖突檢測機理。系統主干網采用10Mbps光纖雙環冗余網絡，不僅技術可靠，而且開放性好。特別是采用SIEMENS高速以太網光纖通信模塊（OSM），大大加強了網絡抗電磁干擾的能力，省去了采用普通雙絞線連網所必須考慮的防雷擊及過電壓保護的措施，使控制系統安全可靠，風險系數大大降低。各分控站之間的通訊呈高速狀態，保證了實時控制這一網絡通訊的核心內容。
(2)  PCS7和操作員工作站都通過冗余的光纖快速工業以太網聯成網絡，生產過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控制站中獲取數據，同時參與控制。監控系統采用人機接口軟件，對各個分控站進行畫面組臺和參數修改。由于快速工業以太網將上位監控站與現場分控站相連，保障了主干網絡高速穩定的通訊。
(3)  PCS7與現場過程的通信網絡是采用Profibus。
Profibus是開放式現場總線系統，符合歐洲現場總線標準EN5070和EN50254的國際化的開放式現場總線標準。它使不同廠商提供的產品在網絡中工作自如。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設備(I/O設備、閥門等)，這種和分散設備之間的數據通信通常是以循環的方式進行。它符合EN50170的Profibus-DP基本功能指定，除了執行循環功能實現現場設備的組態、診斷及處理報警外，也可執行非循環通信功能。
Profibus-PA是Profibus-DP在保持其通信協議的條件下，增加了對現場儀表優選的傳輸技術。選擇符合IEC1158-2的國際標準化傳輸技術使Profibus-PA現場安裝技術的未來有了保證。Profibus-PA總線系統使測量變送器、閥門、執行機構通過一個串行總線系統(屏蔽雙絞線)聯網，并通過該屏蔽雙絞線向現場儀表供電(饋電)。借助于網絡部件DP/PA鏈接器或DP/PA耦合器，實現了從Profibus-PA到Profibus-DP的通信轉換。
(4)  ET200M作為Profibus-DP現場總線中的一個從站，最大的數據傳送速率可以達到12Mbps，通過SIMATIC IM153-2接口模塊，它與PCS7中的中央處理器進行通訊，將現場設備的輸入或輸出信號傳送給中央處理器。
5  結語
PCS7在紹興污水處理廠的成功投運，體現了PCS7作為一種全集成的、面向未來的開放型現場總線過程控制系統的優勢。對于PCS7在污水處理行業的應用有著積極的意義。