基于Profibus的SBR工艺污水处理自动控制系统

摘要：在污水处理自动控制系统中采用现场总线和冗余技术提高了信号传输的精度和准确性，解决了传统控制方案中敷线过多的问题，提高了系统的可靠性和扩展性。

该系统采用了三层网络结构：管理级、控制级和现场级；具有设计先进、易于扩展和运行安全可靠等特点。

实际运行效果非常明显。

关键词：Profibus SBR 冗余技术分布式I/O模块
0 引言
进入21世纪，我国的环保事业迅速发展，工业废水、生活污水的净化处理成为当务之急。

投资少、运行灵活的SBR 处理工艺得到广泛的应用。

SBR工艺早在1904年就被开发，由于当时的自动化水平比较低，所以没有得到推广应用，而近年来随着自动化技术、设备及在线监测仪表的发展，使得对污水处理的自动化成为可能。

同时对污水处理工艺进行自动化监测和实时控制是提高污水处理效率、降低处理能耗的关键。

SBR反应主要是在反应池内进行的，该工艺主要由进水、曝气、沉淀、排水和闲置等五个阶段组成。

SBR工艺的处理效果主要取决于其运行参数，其中主要参数包括各反应段时间以及曝气强度。

一般采用以PLC为核心的工艺过程自动监控系统，实时控制鼓风机、水泵、电动阀等设备及各
反应段时间，使水质达到国家规定的排放标准。

由此可见，污水处理是一个多参量(如液位、水质成分、流量、压力等)、多任务(如污水输送、风量控制、水泵的启停等)、多设备(如格栅机、水泵、鼓风机、阀门等) 且具有随机性、时变性和耦合性的复杂系统。

因此，污水处理应由一个智能监控与综合管理系统来进行现代化的管理，使之安全可靠地运行。

1 现场总线技术
在污水处理厂中，现场控制设备分布范围比较广，如果采用传统的控制方案，势必要敷设大量的控制和信号电缆，浪费大量的人力和物力，十分不经济，同时使系统复杂，可靠性降低。

采用目前比较流行的现场总线技术，可以降低成本，同时提高系统的可靠性，使系统易于扩展和维护。

Profibus是Process Fieldbus的缩写，是一种国际性的开放式的现场总线标准。

目前世界上多数自动化技术生产厂家都为它们的自动化设备提供Profibus通信接口。

Profibus已经广泛地应用于加工制造、过程控制和楼宇自动化，是一项成熟的技术。

Profibus根据应用特点可分为Profibus DP，Porfibus FMS， Profibus PA等三个兼容版本。

Profibus DP 是经过高速优化的、廉价的通信链路，专为自控系统和设备级分散式I/O之间设计的接口；使用Profibus总线模块用
于分布式控制系统的高速数据传输可以取代昂贵的24 V或0～20 mA并行信号线。

Profibus FMS解决车间级普通的通信任务，提供大量数据通信服务，提供中等任务的传输速度。

2 系统组成及功能设计
现代化的污水处理系统需要实现管理与控制一体化，实现办公自动化。

控制系统不仅与下层控制设备有良好的接口，而且具有与上层管理系统集成的接口，同时具有可扩展性。

所以现代化污水处理系统要求在底层采用现场总线或者工业以太网等技术，上层则选用优秀的监控组态软件。

为了加强系统的可靠性，使整个系统能够长时间无故障地运行，需要采用容错技术。

根据全集成自动化（Totally Integrated Automation）的思想，将污水厂控制系统分为管理级、控制级、现场级。

（1）管理级。

管理级是系统的核心部分，完成对污水处理过程各部分的管理和控制，并实现厂级的办公自动化。

管理级提供人机接口，是整个控制系统与外部信息交换的界面。

管理级的各台计算机具有相互通讯的功能，实现数据交换或共享。

考虑到管理层功能结构的层次性和可分割性，采用客户/服务器（Client／Server）的体系结构。

服务器选用
大型的网络关系数据库，满足开放、分布式数据库管理方式的要求。

服务器具有远程控制操作功能、状态显示功能、数据处理功能、报警功能、报表功能、通讯功能和冗余功能等。

厂中心控制室中设备包括：两台安装Siemens公司WinCC监控组态软件的冗余服务器作为上位机，两台服务器安装WinCC组态软件的完全版以及冗余软件包，两台服务器互为备用，实现冗余，提高系统的可靠性。

装有WinCC运行版的PC 机作为监控工程师操作站。

这种配置的最主要的优点是保证数据的完整性和监控操作的连续性。

如果一个WinCC服务器出现故障，该服务器的客户机自动从发生故障的服务器切换到备用的服务器上，使所有的客户机始终可以监控生产过程，修复后的服务器回到系统后，自动实现归档数据的匹配。

管理级现场总线选择Profibus FMS总线，冗余服务器作为Profibus FMS现场总线的主站，通过CP通信模块与Profibus FMS现场总线连接。

（2）控制级。

控制级是实现系统功能的关键，也是管理级与现场级之间的枢纽层。

其主要功能是接受管理层设置的参数或命令，对污水处理生产过程进行控制，同时将现场状态输送到管理层。

控制级要求具有高可靠性，所以在系统的关键部分中要采用冗余技术。

控制器是整个系统的核心，所
以在控制级中，采用两个Siemens公司CPU3152DP型PLC 组成冗余控制器，一个为主站，一个为备用站。

两个PLC 之间通过并行总线通讯，进行信息交换，相互监视，实现双机热备冗余。

每个PLC上安装一块Profibus FMS通信模块CP与Profibus FM S现场总线连接，PLC作为Profibus FMS现场总线的从站，作为控制系统的下位机，通过总线与上位机通信。

Siemens公司S7 3152DP型号PLC具有Profibus DP网络通讯接口，可作为Profibus DP现场总线的主站。

两个S7 3152DP主站建立冗余配置的Profibus －DP现场总线系统，与控制现场的远程分布式智能I／O模块连接，实现与现场设备和传感器通信。

（3）现场级。

现场级是实现系统功能的基础。

现场级主要由一次仪表（如液位计、DO 传感器等）、控制设备等组成。

其功能主要是对系统设备的状态、传感器参数进行监测，并把监测到的数据上传；接受控制级的指令对执行机构进行控制。

由于控制设备比较分散，在传统的工厂内，输入／输出设备连接到一个集中的机架，在设备改变和系统扩展时，导致接线工作量大，成本高，柔性度低。

通过开放的、标准化的现场总线系统来连接部件，应用Siemens公司ET200分布式I/O是解决这些问题的最佳方案。

分布式配置意味着可编程序控制器、I/O模块和现场设备通过称为现场总线的信号
电缆连接。

将输入/输出模块转换成就地监测器和执行器，可就地转换和处理过程信号。

可像集中配置那样进行程序设计。

在控制点比较集中的控制现场配置一个远程分布式智能I／O模块ET200M，现场I／O信号直接输入I／O模块，每个ET200M 模块上安装有两块IM153－2型号带有Profibus DP接口的模块，与冗余Profibus DP现场总线分别连接。

ET200M模块采用活动总线式底板（Active Bus Module），所有模块可以带电热插拔，便于维修。

在以上的配置中，系统重要的部分采用冗余技术，使整个控制系统具有极高的可靠性，可以实现每天24小时不间断工作。

根据此设计思想和关键技术方案分析得出系统总体结构见图1。

图1 控制系统结构原理
3 智能传感器
污水处理过程中，需要实时地在线监测各种水质参数以保证准确的工艺运行参数和及时显示处理结果。

在本系统中涉及到的传感器数量大、种类多，包括温度、pH、SS（固体悬浮物)、DO（溶解氧）、COD、液位传感器以及ORP（氧化还原电位）仪、流量计、压力计等。

传感器全部采用德国Endress+Hauser公司的产品，这些传感器都带有Profibus DP接口，利用智能接口，这些仪表能与自动化过程控制
系统集成，这样获得的所有过程参数可以集中显示，同时作为工艺的控制参数。

由于污水成分比较复杂，具有腐蚀性，因此选用超声波液位计测量液位，避免直接与污水接触，并且反应速度快，带有总线接口具有远传功能，直接输送到PLC，同时具有就地显示的功能，参数设置简单、操作方便。

在污水厂的进水总管和出水总管分别安装SS、温度、pH和COD传感器，测得进水水质参数用于反应控制，出水参数用于监测工艺的运行效果，以防止处理后不合格的水排出。

在反应池的厌氧区内装有ORP计，测量厌氧区的氧化还原电位，反映生物硝化脱氮的情况，同时决定是否需要从好氧区回流污泥。

好氧池内装有DO传感器用于控制曝气量，根据污水中的溶解氧含量决定空气管电动阀的开度，从而控制曝气量。

SS传感器用于监测污水中固体悬浮物的浓度。

在空气总管上安装有压力计，根据空气总管空气的压力来控制鼓风机的启停以及实现变频调速。

在满足工艺要求的同时可以实现节能。

4 上位机组态软件
上位机系统要求：具有与多台下位机系统通讯的能力，实时监控多台下位机的工作状态，显示生产过程中的工作曲线；具有远程控制能力；向下位机采集数据，对历史数据进
行存储、查询、显示、打印等。

因此，在一个自动监控系统中，投入运行的监控组态软件是系统的数据收集处理中心、远程监视中心和数据转发中心，处于运行状态的监控组态软件与各种控制、检测设备（如PLC、智能仪表等）共同构成能快速响应的控制中心。

优秀的组态软件是实现上位机功能的基础。

选用Siemens公司WinCC(Windows Control Center)5.0组态软件。

WinCC具有控制自动化过程的强大功能，是基于个人计算机，同时具有极高性价比的SCADA级操作监视系统。

在两台服务器上安装服务器版和冗余软件包，客户机安装运行版。

图2 组态软件结构
该监控软件的结构框图见图2。

监控组态软件的功能及特点：
（1）友好的人机界面，控制操作方便。

在中心控制室能对全系统被控设备进行实时控制，如启停设备，在线设置PLC 中程序的某些工艺参数等。

（2）实时画面显示功能。

用图形实时地显示各现场被控
设备的运行工况，以及现场的状态参数。

用模拟仪表、趋势图、曲线、柱状图动态显示参数的实时变化情况，使生产管理人员能够快速、清晰地了解整个系统的生产运行情况。

（3）数据管理。

数据库存储生产过程数据，供统计分析使用。

工作人员可以定期把历史数据库备份到其它存储介质，以便于历史数据的查询。

利用数据库中的数据进行比较和分析，得出一些有用的经验参数，有利于优化SBR工艺的闭环控制。

（4）报警功能。

当参数超过设定范围或设备（如电机启停、阀门开关）发生故障时，可根据组态发出不同等级的声光报警，如屏幕显示报警信息、打印机输出报警信息等。

可根据报警信息自动切换到相应的监控画面。

所有的报警信息均被记录在报警数据库中，便于以后的事故分析使用。

（5）报表打印功能。

可以实现报表和图形打印以及各种事件和报警实时打印。

打印方式分为定时打印和事件触发打印。

（6）通讯功能。

WinCC是基于标准的Windows平台开发的SCADA系统软件，充分考虑了与其它系统交换信息的必要性，支持如DDE，OLE，ODBC，OPC和SQL等标准。

可以提供多种方式与上层系统数据交换。

（7）冗余功能。

两台装有WinCC组态软件的服务器互为冗余，确保数据完整。

5 控制软件编程
一套理想的软件不只限于满足工艺要求，而且要考虑到现场出现的各种特殊情况，因此必须可靠、实用、易修改。

5.1 控制规律
软件编程的主要依据为生产工艺提供的控制规律。

同一种处理工艺可能会有不同的控制策略，根据目前的研究状况，SBR工艺的控制可以分为三种：一种是生物浓度法。

是指根据在线测得的水质参数与设定参数形成闭环控制；第二种是反应时间控制。

对于时间控制规律而言，它是根据对SBR 反应的五个阶段所需要的时间进行自动控制的。

第三种是流量程序控制。

是根据污水流量的变化来调整各个阶段所需时间进行自动控制。

后两种控制方法都不是根据废水的水质变化来改变某些运行参数进行自适应控制的。

生物浓度控制的基本思想是动态的控制SBR的反应时间使其中的有机物浓度（用COD或BO D表示）达到允许的排放标准，就停止曝气。

在线测定有机物浓度的BOD或COD传感器比较贵，一般都在几十万元，目前还没有应用报道，而且实时性比较差，反应时间慢。

试验表明：在SBR法的反应阶段在一定混合物浓度和温度的条件下，对一定的废水而言，反应池中的BOD和COD浓度与耗氧速率（OUR）及氧化还原电位（ORP）有密切的关系。

一般说来，有机物浓度越低，则OUR越低而ORP越高，因此可以通过OUR与ORP来监测有机物浓度的变化，进而通过计算机来自动控制反应过程。

[KG)]
时间控制程序是根据对SBR反应池的五个运行阶段所需要的时间进行自动控制。

该方法不是根据污水的水质变化来改变某些运行参数进行自适应控制。

对于进水时间、曝气时间、沉淀时间、排水时间及闲置时间均可由上位机设定。

SBR 反应池的各段工艺过程及其执行时间均严格按时序进行，每个反应池的任何设备均可通过电气柜上的手动/自动转换开
关改变其状态，但均不能改变PLC所设定的工作时序，并且一旦切入自动状态后便进入PLC所设定的时序。

在自动状态下，操作人员在中心控制室可以通过人机界面实现远程遥控操作。

现场设备的工作状态均送上位机显示。

5.2 控制程序
根据以上情况，对应设计了两种控制程序，可根据实际情况由上位机选择运行。

（1）生物浓度法控制程序。

生物浓度法采用反馈控制，利用在线测得的进水水质参数作为输入，按照预先确定好的控制模型进行运算，然后用计算的结果作为输出控制现场的设备，动态控制反应时间，以达到控制反应的目的。

（2）时间控制程序。

①本控制系统严格按照时序、按顺序工作。

②允许在工作过程中任意进行遥控、自控切换且不影响工作时序。

6 结语
在污水处理控制系统中采用现场总线改变了传统的全模拟量传输的方式，在现场总线级实现了数字量传输，达到了提高信号传送精度，增强现场控制灵活性，降低现场仪表初装费和设计施工费用，减少电缆敷设，易于维护和扩展的目的。

该自动控制系统已经在浙江海宁污水处理厂投入运行，实现了污水处理SBR工艺的自动控制，提高了污水处理的效率和效果，同时降低了能耗，取得了良好的经济效益与社会效益。

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