摘要：由于以太網(wǎng)具有應用廣泛、價格低廉、通信速率高、軟硬件產品豐富、應用支持技術成熟等優(yōu)點，與其他現(xiàn)場總線的控制方案相比降低了網(wǎng)絡的構建成本，提高了系統(tǒng)的可擴展性及兼容性。污水處理自動控制系統(tǒng)中采用工業(yè)以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換，在保證準確性的前提下提高了信號傳輸?shù)乃俣龋到y(tǒng)具有較高的可靠性和擴展性。 　　關鍵詞 ：工業(yè)以太網(wǎng) PROFINET SBR工藝 SCADA 　　1 引言 　　近年來在城市污水處理的工藝中，投資少、運行靈活的SBR處理工藝得到廣泛的應用。SBR（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process）序批式活性污泥工藝早在1904年就被開發(fā)，并取得了較好的效果,只是由于當時的自動化水平和設備制造工藝的限制，所以沒有得到推廣應用。而近年來隨著自動化技術及在線監(jiān)測技術的飛速發(fā)展，為SBR工藝的發(fā)展和應用提供了前提條件，因為對污水處理工藝進行自動化監(jiān)測和實時控制是提高污水處理效率、降低處理能耗的關鍵，所以SBR工藝也是各種污水處理工藝中對自動化系統(tǒng)要求較高的一種工藝。SBR反應過程主要是在生物反應池內進行的，該工藝主要由進水、曝氣、沉淀、排水和閑置等五個階段組成。SBR工藝的處理效果主要取決于其運行參數(shù)，其中主要參數(shù)包括各反應段時間以及曝氣強度。一般采用以PLC為核心的工藝過程自動監(jiān)控系統(tǒng)，實時控制鼓風機、水泵、電動閥等設備及各反應段時間，使水質達到國家規(guī)定的排放標準。 　　由此可見，SBR污水處理工藝是一個多參量（如液位、流量、壓力、生物指標等）、多任務（如污水輸送、風量控制、水泵的啟停等）、多設備（如格柵機、水泵、鼓風機、閥門等） 且具有隨機性 、時變性和耦合性的復雜系統(tǒng)。因此，應由穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)信息交換網(wǎng)絡與綜合管理系統(tǒng)來進行自動化的管理，使之安全可靠地運行。 　　2 工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET技術應用 　　所謂工業(yè)以太網(wǎng)，一般來講是指技術上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標準）兼容，但在產品設計時，在材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。 　　PROFINET是Process Field Net的縮寫，它是PROFIBUS客戶、生產商與系統(tǒng)集成聯(lián)盟協(xié)會推出的在PROFIBUS與以太網(wǎng)間全開放的通信協(xié)議。PROFINET是一種基于實時工業(yè)以太網(wǎng)的自動化解決方案，它以一整套完整高性能并可升級的方式，可以為PROFIBUS及其他各種現(xiàn)場總線網(wǎng)絡提供以太網(wǎng)移植服務;PROFINET標準的開放性保證了其長遠的兼容性與擴展性，從而可以保護用戶的投資與利益。 PROFINET可以使工程與組態(tài)、試運行、操作和維護更為便捷，并且能夠與PROFIBUS以及其它現(xiàn)場總線網(wǎng)絡實現(xiàn)無縫集成與連接。 　　這種跨越供應商的開放式標準建立在工業(yè)以太網(wǎng)基礎之上，覆蓋了工廠自動化的所有領域。依賴于現(xiàn)行的IT標準，并且無條件地支持TCP/IP協(xié)議，從而確保了公司范圍內從辦公區(qū)域到現(xiàn)場級的集成通訊。 它主要包含3方面的技術 ① 基于通用對象模型（COM）的分布式自動化系統(tǒng)；② 規(guī)定了PROFIBUS和標準以太網(wǎng)之間的開放、透明通信；③ 提供了一個包括設備層和系統(tǒng)層、獨立于制造商的系統(tǒng)模型。 　　PROFINET采用標準以太網(wǎng)作為連接介質，采用TCP/IP協(xié)議加上應用層的RPC／DCOM來完成節(jié)點之間的通信和網(wǎng)絡尋址。它可以同時掛接傳統(tǒng)PROFIBUS系統(tǒng)和新型的智能現(xiàn)場設備。現(xiàn)有的PROFIBUS網(wǎng)段可以通過一個代理設備（proxy）連接到PROFINET網(wǎng)絡當中，使整套PROFIBUS設備和協(xié)議能夠原封不動地在PROFINET中使用。傳統(tǒng)的PROFIBUS設備可通過代理proxy與PROFINET上面的COM對象進行通信，并通過OLE自動化接口實現(xiàn)COM對象之間的調用。 　　與其他現(xiàn)場總線相比，工業(yè)以太網(wǎng)應用主要有以下特點： 　　1） 實時通信 采用以太網(wǎng)交換技術、全雙工通信、流量控制等技術，以及確定性數(shù)據(jù)通信調度控制策略、簡化通信棧軟件層次、現(xiàn)場設備層網(wǎng)絡微網(wǎng)段化等針對工業(yè)過程控制的通信實時性措施，提高了以太網(wǎng)通信的實時性。 　　2） 總線供電 采用直流電源耦合、電源冗余管理等技術，設計了能實現(xiàn)網(wǎng)絡供電或總線供電的以太網(wǎng)集線器，解決了以太網(wǎng)總線的供電問題。 　　3） 遠距離傳輸 采用網(wǎng)絡分層、控制區(qū)域微網(wǎng)段化、網(wǎng)絡超小時滯中繼以及光纖等技術實現(xiàn)了以太網(wǎng)的遠距離傳輸。 　　4） 網(wǎng)絡安全 采用控制區(qū)域微網(wǎng)段化，各控制區(qū)域通過具有網(wǎng)絡隔離和安全過濾的現(xiàn)場控制器與系統(tǒng)主干相連，實現(xiàn)各控制區(qū)域與其他區(qū)域之間的邏輯上的網(wǎng)絡隔離。 　　5） 可靠性 采用分散結構化設計、EMC設計、冗余、自診斷等可靠性設計技術等，提高基于以太網(wǎng)技術的現(xiàn)場設備可靠性。 　 6） 一網(wǎng)到底 即它可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場設備控制層，所以被人們普遍認為是未來控制網(wǎng)絡的最佳解決方案，工業(yè)以太網(wǎng)已成為現(xiàn)場總線中的主流技術。 　　工程實踐證明，在組建企業(yè)工控網(wǎng)絡時采用PROFINET通訊技術可以節(jié)省近15%的硬件投資。 　　3 控制系統(tǒng)組成及功能設計 現(xiàn)代化的污水處理系統(tǒng)需要實現(xiàn)管理與控制一體化，實現(xiàn)辦公自動化。 控制系統(tǒng)不僅與下層控制設備有良好的接口，而且具有與上層管理系統(tǒng)集成的接口，同時具有可擴展性。所以本系統(tǒng)采用的工業(yè)以太網(wǎng)PRIFINET或現(xiàn)場總線PROFIBUS等技術，適應了當前的這種需求。為了加強系統(tǒng)的可靠性，使整個系統(tǒng)能夠長時間無故障地運行，上位監(jiān)控系統(tǒng)還采用容錯（冗余）技術。 　　 3.1系統(tǒng)組成及特點 根據(jù)全集成自動化（Totally Integrated Automation）的思想，將污水廠 控制系統(tǒng)分為管理級、控制級、現(xiàn)場級。系統(tǒng)簡圖如下頁圖： （1）管理級 管理級是系統(tǒng)的核心部分，完成對污水處理過程各部分的管理和控制 ，并實現(xiàn)廠級的辦公自動化。管理級提供人機接口，是整個控制系統(tǒng)與外部信息交換的界面 。管理級的工業(yè)計算機具有相互通訊的功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換或共享。考慮到管理層功能結構的層次性和可分割性，采用客戶/服務器（Client／Server）的體系結構。服務器選用大型的網(wǎng)絡關系數(shù)據(jù)庫，滿足開放、分布式數(shù)據(jù)庫管理方式的要求。服務器具有遠程控制操作功能、狀態(tài)顯示功能、數(shù)據(jù)處理功能、報警功能、報表功能、通訊功能和冗余功能等。廠中心控制室中設備包括：兩臺安裝Siemens公司W(wǎng)inCC監(jiān)控組態(tài)軟件的冗余服務器作為上位機 ，安裝有WinCC組態(tài)軟件的完全版以及冗余軟件包，兩臺服務器互為備用，實現(xiàn)冗余，提高系統(tǒng)的可靠性。裝有WinCC運行版的PC機作為監(jiān)控工程師操作站。這種配置的最主要的優(yōu)點是保證數(shù)據(jù)的完整性和監(jiān)控操作的連續(xù)性。如果一個WinCC服務器出現(xiàn)故障，該服務器的客戶機（工作站）自動從發(fā)生故障的服務器切換到備用的服務器上，使所有的客戶機始終可以監(jiān)控生產過程，修復后的服務器回到系統(tǒng)后，自動實現(xiàn)歸檔數(shù)據(jù)的匹配,管理級與控制級的數(shù)據(jù)交換均采用了工業(yè)以太網(wǎng),真正體現(xiàn)了公司范圍內從辦公區(qū)域到現(xiàn)場級的集成通訊。 （2）控制級 控制級是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的關鍵，也是管理級與現(xiàn)場級之間的樞紐層。 其主要功能是接受管理層設置的參數(shù)或命令，對污水處理生產過程進行控制，同時將現(xiàn)場狀態(tài)輸送到管理層?？刂破魇钦麄€系統(tǒng)的核心，所以在控制級中，主要采用三套Siemens公司S7_300（CPU315_2PN/DP）型PLC組成,采用光纖和交換機構建成數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡, CPU315_2PN/DP配有集成的PROFINET接口,通過該接口連接I/O現(xiàn)場設備,STEP7包含有所需的驅動,也可以延伸到低端PROFIBUS上的設備,而無需重新連接編程器.現(xiàn)場設備也能夠使用額外集成的PROFIBUS接口進行連接,而且,PROFINET接口可以用于單元級的通訊.PRIFINET CPU 能夠使用STEP7在工業(yè)以太網(wǎng)上通過編程器/PC進行編程. （3）現(xiàn)場級 現(xiàn)場級是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎。現(xiàn)場級主要由一次儀表（如液位計、DO 傳感器等）、控制設備等組成。其功能主要是對系統(tǒng)設備的狀態(tài)、傳感器參數(shù)進行監(jiān)測，并把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)上傳；接受控制級的指令對執(zhí)行機構進行控制。由于控制設備比較分散，在傳統(tǒng)的工廠內，輸入／輸出設備連接到一個集中的機架，在設備改變和系統(tǒng)擴展時，導致接線工作量大，成本高，柔性度低。通過開放的、標準化的現(xiàn)場總線PROFIBUS系統(tǒng)來連接現(xiàn)場控制部件（一些控制設備可能是第三方廠商提供），是解決這些問題的最佳方案。分布式配置意味著可編程序控制 、I/O模塊和現(xiàn)場設備通過PROFIBUS_DP現(xiàn)場總線的信號電纜連接。將輸入/輸出模塊轉換成就地監(jiān)測器和執(zhí)行器，可就地轉換和處理過程信號。從而保證了控制級與現(xiàn)場級控制設備的獨立和兼容 ，同時解決了與第三方設備（撇水器、脫水機等）通訊問題,本系統(tǒng)的第三方設備均使用了SIEMENS公司性價比較高的S7_200小型PLC,通過其附加通訊模塊EM277可與PROFIBUS現(xiàn)場總線相連接,從而方便了運行過程中的系統(tǒng)維護和修理。 污水處理過程中，需要實時地在線監(jiān)測各種水質參數(shù)以保證準確的工藝運行參數(shù)和及時顯示處理結果。 在本系統(tǒng)中傳感器數(shù)量大、種類多，包括pH、SS（固體懸浮 物）、DO（溶解氧）、COD、液位傳感器以及電磁流量計、壓力計等。 傳感器全部采用德國Endress+Hauser公司的產品，這些傳感器都帶有PROFIBUS_DP接口，利用這些智能接口，這些儀表能與自動化過程控制系統(tǒng)集成，這樣獲得的所有過程參數(shù)可以集中顯示， 同時作為工藝的控制參數(shù)。 　 3.2 工藝控制規(guī)律 　　軟件編程的主要依據(jù)為生產工藝提供的控制規(guī)律。同一種處理工藝可能會有不同的控制策略，根據(jù)目前的研究狀況，SBR工藝的控制可以分為三種： 　　第一種是生物濃度法[b][/b]。是指根據(jù)在線測得的水質參數(shù)與設定參數(shù)形成閉環(huán)控制； 　 第二種是反應時間控制。對于時間控制規(guī)律而言， 它是根據(jù)對SBR反應的五個階段所需要的時間進行自動控制的。 　　第三種是流量程序控制。是根據(jù)污水流量的變化來調整各個階段所需時間進行自動控制。 　　后兩種控制方法都不是根據(jù)廢水的水質變化來改變某些運行參數(shù)進行自適應控制的。 生物濃度控制的基本思想是動態(tài)的控制SBR的反應時間,使其中的有機物濃度（用COD或BOD表示）達到允許的排放標準，就停止曝氣。在線測定有機物濃度的BOD或COD傳感器比較貴 ，一般都在幾十萬元，目前還沒有應用報道，而且實時性比較差，反應時間慢。時間控制程序是根據(jù)對SBR反應池的五個運行階段所需要的時間進行自動控制。該方法不是根據(jù)污水的水質變化來改變某些運行參數(shù)進行自適應控制。對于進水時間、曝氣時間、 沉淀時間、排水時間及閑置時間均可由上位機設定。SBR反應池的各段工藝過程及其執(zhí)行時間均嚴格按時序進行，每個反應池的任何設備均可通過電氣柜上的手動/自動轉換開關改變其狀態(tài)，但均不能改變PLC所設定的工作時序，并且一旦切入自動狀態(tài)后便進入PLC所設定的時序。在自動狀態(tài)下，操作人員在中心控制室可以通過人機界面實現(xiàn)遠程遙控操作。現(xiàn)場設備的工作狀態(tài)均送往上位機顯示。 　 3.3 控制程序特點 根據(jù)以上情況，對應設計了多種控制模式，可根據(jù)實際情況由上位機選擇運行。 　 （1）生物濃度法控制程序 生物濃度法采用反饋控制，利用在線測得的進水水質參數(shù)作為輸入，按照預先確定好的控制模型進行運算，然后用計算的結果作為輸出控制現(xiàn)場的設備，動態(tài)控制反應時間，以達到控制反應的目的。 （2）時間控制程序 　?、俦究刂葡到y(tǒng)嚴格按照時序、按順序工作。 　　②允許在工作過程中任意進行遙控、自控切換且不影響工作時序。 　 （3）分組工作程序 由于該污水處理廠來水水量不均衡,造成生物處理池的負荷無法平衡,同時噸能量消耗大,運行極不經濟。故我們采用了分組運行的辦法,每兩個生物處理池為一組，既可以兩組同時運行，又可以一組投運自動運行，另一組備用手動控制的方式。一方面解決了生物處理池的負荷問題，另一方面也解決了處理池相關設備的檢修問題。 　　4 上位機組態(tài)軟件 　　對SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)）系統(tǒng)要求：通過工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET，具有與多臺下位機系統(tǒng)通訊的能力，實時監(jiān)控多臺下位機的工作狀態(tài) ，顯示生產過程中的工作曲線；具有遠程控制能力；向下位機采集數(shù)據(jù)，對歷史數(shù)據(jù)進行存儲、查詢、顯示、打印等。因此，在一個自動監(jiān)控系統(tǒng)中，運行的監(jiān)控組態(tài)軟件是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集處理中心、遠程監(jiān)視中心和數(shù)據(jù)轉發(fā)中心，與各種控制、檢測設備（如PLC、智能儀表等）共同構成能快速響應的控制中心。 本系統(tǒng)選用了Siemens公司W(wǎng)inCC（Windows Control Center）6.0組態(tài)軟件。WinCC具有控制自動化過程的強大功能，是基于個人計算機，同時具有極高性價比的SCADA級操作監(jiān)視系統(tǒng) 。 　　在兩臺服務器上安裝服務器版和冗余軟件包，工作站上安裝運行版。 監(jiān)控系統(tǒng)的功能及特點： 　（1）界面顯示 具有全中文顯示，界面友好，操作方便。操作畫面采用主菜單的形式，在每幅畫面下通過按鈕進行切換。在中心控制室能對全系統(tǒng)被控設備進行實時控制， 如啟停設備，在線設置PLC中程序的某些工藝參數(shù)等。 機械處理監(jiān)控界面 ?。?）實時畫面顯示功能 用圖形實時地顯示各現(xiàn)場被控設備的運行工況，以及現(xiàn)場的狀態(tài)參數(shù)。用模擬儀表、趨勢圖、曲線、柱狀圖動態(tài)顯示參數(shù)的實時變化情況。根據(jù)閥門開閉及水泵的啟停狀態(tài)，生產管理人員能夠快速、清晰地了解整個系統(tǒng)的生產運行情況。 ?。?）數(shù)據(jù)管理 數(shù)據(jù)庫存儲生產過程數(shù)據(jù)，供統(tǒng)計分析使用。工作人員可以定期把歷史數(shù)據(jù)庫備份到其它存儲介質，以便于歷史數(shù)據(jù)的查詢。利用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行比較和分析 ，得出一些有用的經驗參數(shù)，有利于優(yōu)化SBR工藝的閉環(huán)控制。 ?。?）報警功能 當參數(shù)超過設定范圍或設備發(fā)生故障時，可根據(jù)組態(tài)發(fā)出不同等級的聲光報警。在每幅畫面的最下方都有一個報警框，顯示最近發(fā)生的報警事件。所有報警信息都可顯示在報警綜合監(jiān)視畫面，所有的報警信息均被記錄在報警數(shù)據(jù)庫中，通過此畫面可以查看當前系統(tǒng)的所有報警信息，也可查看長達幾個月的報警歷史數(shù)據(jù)，便于以后的事故分析使用。 ?。?）報表打印功能 可以實現(xiàn)報表和圖形打印以及各種事件和報警實時打印。打印方式分為定時打印和事件實時觸發(fā)打印。 　（6）通訊功能 WinCC是基于標準的Windows平臺開發(fā)的SCADA系統(tǒng)軟件，充分考慮了與其它系統(tǒng)交換信息的必要性，支持如DDE，OLE，ODBC，OPC和SQL等標準?？梢蕴峁┒喾N方式與上層系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換。 ?。?）冗余功能 兩臺裝有WinCC組態(tài)軟件的服務器互為冗余，確保數(shù)據(jù)完整，提高了系統(tǒng)的可靠性。 　 5 結束語 　　在污水處理控制系統(tǒng)中采用工業(yè)以太網(wǎng)（PROFINET）改變了傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線及全模擬量傳輸?shù)臄?shù)據(jù)交換方式，在現(xiàn)場總線級實現(xiàn)了Ethernet數(shù)字傳輸，達到了提高信息傳送距離、傳送數(shù)據(jù)量和傳送精度的目的，增強了現(xiàn)場控制靈活性，降低了數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡初裝費和設計施工費用，達到了減少電纜敷設，易于維護和擴展的目的。該控制系統(tǒng)2006年底在中科國益涿州污水處理廠已投入正常運行，實現(xiàn)了污水處理SBR工藝的自動控制，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換及控制功能十分穩(wěn)定,污水處理的效率和效果十分理想，同時降低了能耗，得到了用戶的認可,從而取得了良好的經濟效益和社會效益。 　　參考文獻 　　1 西門子ProfiNET系統(tǒng)說明書. A5E00879148_01 2006/10 　　2 尹朝 朱歷 電氣時代.終結還是重生_現(xiàn)場總線E路前行,2004/7期 　　3 陽憲惠.現(xiàn)場總線技術及其應用.北京：清華大學出版社，1999 　　4 高艷玲 馬達等 污水生物處理新技術 北京：建材工業(yè)出版社 2006