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馮  濤

1  引言
紹興污水處理廠的工程設(shè)計規(guī)模為日處理污水50萬噸，主要收集紹興市區(qū)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(biāo)，決定采用SIEMENS公司的PCS7（過程控制系統(tǒng)）作為全廠的自動監(jiān)控系統(tǒng)。
PCS7是一種模塊化的、基于現(xiàn)場總線的新一代過程控制系統(tǒng)，它結(jié)合了傳統(tǒng)DCS和PLC的優(yōu)點及功能。系統(tǒng)的所有硬件都基于統(tǒng)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(tǒng)一的軟件平臺。系統(tǒng)大量采用了新技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)配置上使用標(biāo)準(zhǔn)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，真正實現(xiàn)了儀控和電控的一體化，充分體現(xiàn)了全集成自動化的特點，使系統(tǒng)應(yīng)用范圍更廣。它是一種適用于現(xiàn)在、面向未來的開放型現(xiàn)場總線過程控制系統(tǒng)。
2  系統(tǒng)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(chǎn)過程進行控制。整套系統(tǒng)共處理現(xiàn)場信號數(shù)目為：模擬量輸入信號25個、模擬量輸出信號24個、數(shù)字量輸入信號1386個、數(shù)字量輸出信號233個、現(xiàn)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(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，全廠主要機泵等運轉(zhuǎn)設(shè)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(xiàn)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(tǒng)運行的情況下插拔而無需停止系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)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(fù)雜的控制任務(wù)。
(3)  過程檢測儀表采用現(xiàn)場總線儀表，儀表信號以現(xiàn)場總線信號為主。特殊儀表信號采用標(biāo)準(zhǔn)4~20mADC信號。控制閥門采用現(xiàn)場總線型電動閥門。
3  監(jiān)控軟件
PCS7采用的監(jiān)控軟件為SIMATIC PCS7 OS V5.1，它是可以在Windows NT/98/95操作系統(tǒng)上運行的開放的過程、機器和工廠操作可視化基礎(chǔ)系統(tǒng)。提供現(xiàn)場控制器、儀表以及中央監(jiān)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(zhí)行其他可執(zhí)行文件，可集成Active X控件，并且可以以DDE（動態(tài)數(shù)據(jù)交換）的方式建立應(yīng)用文件間的聯(lián)系。根據(jù)需要還可以輸入和輸出各種通用圖形文件。監(jiān)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(qū)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(biāo)和鍵盤對工藝參數(shù)進行修改，對工藝過程和控制設(shè)備按要求進行控制和調(diào)節(jié)。
(3)  報警功能
監(jiān)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(jù)要求對相應(yīng)內(nèi)容進行歸檔、觸發(fā)相應(yīng)動作等。它可以在設(shè)備及工藝過程發(fā)生故障時發(fā)出警報，顯示故障點和故障狀態(tài)，按照報警等級作出相應(yīng)反應(yīng)，記錄故障信息。
(4)  安全操作
監(jiān)控軟件提供的用戶管理器允許設(shè)置用戶權(quán)限，針對不同的操作者設(shè)置相應(yīng)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(shù)、設(shè)備狀態(tài)可以通過顏色變化、百分比和色標(biāo)填充等手段動態(tài)顯示。
(5)  數(shù)據(jù)管理
通過監(jiān)控軟件提供的標(biāo)簽日志和報表編輯器可以記錄并顯示工藝參數(shù)，如流量、壓力、液位等變化曲線趨勢圖。利用歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)建立各種必須的數(shù)據(jù)庫，完成數(shù)據(jù)傳送和報表打印。
經(jīng)過優(yōu)化的通訊接口，可以方便快速地與現(xiàn)場/中央控制室進行數(shù)據(jù)交換，為系統(tǒng)實時監(jiān)控提供保障。
4  網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
(1)  紹興污水處理廠的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(shù)據(jù)沖突檢測機理。系統(tǒng)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連網(wǎng)所必須考慮的防雷擊及過電壓保護的措施，使控制系統(tǒng)安全可靠，風(fēng)險系數(shù)大大降低。各分控站之間的通訊呈高速狀態(tài)，保證了實時控制這一網(wǎng)絡(luò)通訊的核心內(nèi)容。
(2)  PCS7和操作員工作站都通過冗余的光纖快速工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，生產(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)可以在各PCS7之間傳遞。操作員站和工程師站均可以從現(xiàn)場控制站中獲取數(shù)據(jù)，同時參與控制。監(jiān)控系統(tǒng)采用人機接口軟件，對各個分控站進行畫面組臺和參數(shù)修改。由于快速工業(yè)以太網(wǎng)將上位監(jiān)控站與現(xiàn)場分控站相連，保障了主干網(wǎng)絡(luò)高速穩(wěn)定的通訊。
(3)  PCS7與現(xiàn)場過程的通信網(wǎng)絡(luò)是采用Profibus。
Profibus是開放式現(xiàn)場總線系統(tǒng)，符合歐洲現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)EN5070和EN50254的國際化的開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。它使不同廠商提供的產(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(tǒng)中，用到了Profibus-DP和Profibus-PA。
Profibus-DP主要用于設(shè)備級的高速數(shù)據(jù)通信，中央控制器(CPU)高速串行連接分散的現(xiàn)場設(shè)備(I/O設(shè)備、閥門等)，這種和分散設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信通常是以循環(huán)的方式進行。它符合EN50170的Profibus-DP基本功能指定，除了執(zhí)行循環(huán)功能實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的組態(tài)、診斷及處理報警外，也可執(zhí)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(xiàn)場儀表優(yōu)選的傳輸技術(shù)。選擇符合IEC1158-2的國際標(biāo)準(zhǔn)化傳輸技術(shù)使Profibus-PA現(xiàn)場安裝技術(shù)的未來有了保證。Profibus-PA總線系統(tǒng)使測量變送器、閥門、執(zhí)行機構(gòu)通過一個串行總線系統(tǒng)(屏蔽雙絞線)聯(lián)網(wǎng)，并通過該屏蔽雙絞線向現(xiàn)場儀表供電(饋電)。借助于網(wǎng)絡(luò)部件DP/PA鏈接器或DP/PA耦合器，實現(xiàn)了從Profibus-PA到Profibus-DP的通信轉(zhuǎn)換。
(4)  ET200M作為Profibus-DP現(xiàn)場總線中的一個從站，最大的數(shù)據(jù)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(xiàn)場設(shè)備的輸入或輸出信號傳送給中央處理器。
5  結(jié)語
PCS7在紹興污水處理廠的成功投運，體現(xiàn)了PCS7作為一種全集成的、面向未來的開放型現(xiàn)場總線過程控制系統(tǒng)的優(yōu)勢。對于PCS7在污水處理行業(yè)的應(yīng)用有著積極的意義。