1. 工作單位：上海北羽科技發(fā)展有限公司工程部 ,上海200233
2. 作者簡介 ：彭高毓（1973――），男，工程師，主要從事工業(yè)自動化控制及部門管理工作，E-mail:pgynews@sina.com
摘要： 本文以一個污水處理廠為例，結合工藝流程，介紹AC500可編程控制器在污水處理廠實施自動化控制的解決方案。同時， AC500豐富的編程語言和自由高效的編程方式，解決了工藝流程與過程控制的無縫協(xié)結。
關鍵詞：AC500；污水處理；遠程監(jiān)控
AC500 Programmable Controlling Equipment Applied in polluted water Treatment Plant
－－- The case of Auto controlling system of Liang Zhu Polluted Water Treatment Plant in Yuhang, Hangzhou
（Shanghai Beiyu Technology Development Co.,Ltd，200233,China）
Peng Gaoyu
Summary: By taking the example of the case of the polluted water treatment plant, this article introduces AC500 programmable controlling equipment, which is applied as the resolution of auto controlling system in the plant, and describes the technique and workflow. In the meantime, the affluent program language and efficient program bbbbbbology reach the seamless bbbbage of technique and procedure controlling. Key words: AC500; Polluted water treatment, Remote monitor
引言
隨著城市發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高，城市污水排放量也在逐年增加，這給城市環(huán)境造成了嚴重污染，基于此需求，各地都在積極建設污水處理廠，以實現(xiàn)城市可支持性發(fā)展、美化和治理城市環(huán)境。
環(huán)保要求的不斷提高，未采取污水處理措施的小城鎮(zhèn)在未來若干年內必然會建立污水處理廠。小城鎮(zhèn)量大面廣，對污水處理設施的需求量很大。同時，受投資額的限制，這些污水處理廠更愿意采用經濟、實用的產品。本文介紹的監(jiān)控系統(tǒng)在滿足污水處理設備安全、高效運行的同時具有很好的性價比，具有良好的經濟、社會效益和推廣前景。
在污水處理廠內，各種污水處理設備分布較分散。為監(jiān)控現(xiàn)場設備的運行參數(shù)和運行狀態(tài)，需要建立一套中央監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場檢測、數(shù)據(jù)采集和處理、數(shù)據(jù)通訊和中央監(jiān)控等部分組成，現(xiàn)場檢測儀表檢測到的設備參數(shù)和運行狀態(tài)經過現(xiàn)場層AC31分散處理后通過控制層AC500集中處理后通過網(wǎng)絡上傳至中央控制室，中央控制室內的運行人員通過監(jiān)控計算機監(jiān)控全廠設備的運行狀態(tài)。運行人員根據(jù)生產工藝和計劃發(fā)出各種控制指令，控制指令通過系統(tǒng)網(wǎng)絡傳到現(xiàn)場，控制設備的相應動作。
污水處理有地域廣闊、監(jiān)測點分散、儀表接入方式多、實時控制要求不高，現(xiàn)場檢測儀表標配通訊接口大多采用Modbus-RTU等特點。綜合上述特點，最終ABB公司生產的AC500系列可編程控制器就適合了這些特點，它標配Modbus-RTU和以太網(wǎng)接口，降低了硬件費用和儀表接入費用。采用雙絞屏蔽電纜作為現(xiàn)場總線，降低了傳統(tǒng)安裝和布線費用，同時也滿足了遠程站分散、檢測點多、距離遠等要求。AC500具有豐富編程方式，大容量的程序空間，簡化了復雜的工藝流程控制，擴展性強，隨心增減設備點數(shù)等特點。
2 杭州余杭良渚污水廠自控系統(tǒng)解決方案
2.1 AC500控制系統(tǒng)介紹
AC500是ABB公司結合最先進的計算機軟、硬件技術，在ABB公司AC31、AC800系列可編程控制器及DCS集散系統(tǒng)的基礎上，面向所有過程控制應用場合的先進過程控制系統(tǒng)。
AC500系統(tǒng)由CPU，通訊模塊，CPU底板，I/O模塊和端子板，F(xiàn)BP接口模塊和端子板，程序存儲卡等組成,如圖1所示。
圖1 AC500硬件組成
CPU處理模塊有PM571、PM581 和PM591三個不同的等級。均帶有：LCD顯示、操作按鍵、一個SD卡的擴展口和兩個集成的串行通訊口。CPU可直接插在CPU底板上，底板可選擇集成以太網(wǎng)或者ARCNET網(wǎng)絡接口。此外，保留的CS31的通訊接口是考慮到了和AC31等ABB公司其他系列PLC的兼容性。
通訊模塊除了CPU上集成的通訊接口外，每一個CPU上還可最多擴展4個通訊接口。這4個通訊接口可擴展為任意的標準總線協(xié)議。CPU上集成的兩個Modbus通訊接口和可選集成的以太網(wǎng)或ARCNET網(wǎng)絡接口外，通過通訊擴展接口還能擴展Profibus-DP、Device-Net、CAN-open和以太網(wǎng)等總線接口。
I/O 模塊輸入/輸出模塊有模擬量和開關量兩大種類。每個輸入/輸出模塊均可直接插到端子板上，CPU本地和通過FBP分布式擴展的子站，可最大擴展到7個輸入/輸出模塊。AC500還可以提供每一點都可以根據(jù)用戶的需求及可設置為輸入又可設置為輸出的開關量模塊。
FBP 的接口模塊這種模塊集成了一定數(shù)量的開關量輸入/輸出，并且通過它實現(xiàn)和CPU 的通訊和分布I/O。這個分布模塊后面又可最大擴展7個輸入/輸出模塊。
AC500 Control Builder 編程AC500 Control Builder 編程是一套可對所有系列AC500 CPU進行編程的工程工具，這套編程軟件符合IEC61131-3的國際標準，可支持五種不同的編程語言：
－功能塊（FBD）
?。Z句表（IL）
?。菪螆D（LD）
?。Y構文本（ST）
－順控圖（SFC）
－控制圖（CFC）
采用AC31-40/50自動化系統(tǒng)作為現(xiàn)場控制單元實現(xiàn)過程控制，以靈活多樣的分布式I/O接收現(xiàn)場傳感檢測信號。AC500采用符合IEC－1131－3國際標準的編程軟件和現(xiàn)場設備庫，提供連續(xù)控制、順序控制、流程圖編程及高級編程語言?，F(xiàn)場設備庫提供大量的常用的現(xiàn)場設備信息及功能塊，可大大簡化組態(tài)工作，縮短工程周期。
2.2污水處理廠規(guī)模
序批式活性污泥法簡稱SBR (Sequence Batch Reactor)法，是早期充排式反應器的一種改進。隨著自動控制水平的提高，SBR法引起人們的重新重視，并對他進行了更加深入的研究與改進，自1985年我國第一座SBR處理設備在的投產，目前已經廣泛的應用在工業(yè)污水和城市污水的處理中 。
該污水處理廠就是采用了水解－SBR耗氧處理工藝，一期工程進口預處理段提升泵站配水井、變配電系統(tǒng)、集泥池、濃縮池按三期總12萬立方米／日的處理能力裝備。水解池、SBR池按2萬立方米／日的處理能力先上一組，鼓風機、脫水機各先上兩臺。二期工程4萬立方米／日處理能力的一組水解池、SBR池及各兩臺鼓風機、脫水機。三期工程再上6萬立方米／日處理能力的兩組水解池、SBR池及各三臺鼓風機、脫水機。
圖2 污水廠總攬
污水廠地域分布廣闊，一期位于塘西污水廠2004年完成，二期位于良諸污水廠2005年完成，三期位于余杭污水廠2006年完成，每個污水廠都有獨立的電氣監(jiān)控中心，主監(jiān)控中心被設置在余杭污水廠辦公樓。
2.3自控系統(tǒng)解決方案
2.3.1 自控系統(tǒng)分級
污水廠之間最遠超過20公里，采用內部局域網(wǎng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡瀏覽各廠污水生產管理功能?？紤]到工業(yè)網(wǎng)絡發(fā)展趨勢和系統(tǒng)可升級性，整個系統(tǒng)分成三級。第一級：現(xiàn)場設備層（現(xiàn)場的各分系統(tǒng)或成套設備,采用Modbus現(xiàn)場總線，可最經濟接入其他廠家的PLC、各類現(xiàn)場儀表儀器、各類閥門和計量設備, 實現(xiàn)就地設備的控制。）。第二級：過程控制層（以AC500 PLC系統(tǒng)作為現(xiàn)場控制核心，按場區(qū)配置分站，通過Modbus網(wǎng)與所屬分布I/O通訊對流量、液位、pH值等參數(shù)進行采集、并依據(jù)工藝控制程序實現(xiàn)過程自動控制。）第三級：監(jiān)控管理層（采用Modbus TCP/IP 工業(yè)以太網(wǎng)，在監(jiān)控站點采用星形拓撲網(wǎng)絡結構，將PLC、計算機、打印機、投影儀等設備連接起來。）
此系統(tǒng)解決方案，第一級現(xiàn)場設備層，就地控制，由ABB公司的AC31系列產品組成分布I/O，采集現(xiàn)場參數(shù),執(zhí)行上一級PLC主站的控制命令。第二級過程控制層，由ABB公司的AC500 PLC系統(tǒng)作為控制核心。第三級監(jiān)控管理層，由中央控制室的操作站實現(xiàn)，采用優(yōu)秀的上位機軟件MCGS作為監(jiān)控和管理。
2.3.2 解決方案配置
在監(jiān)控管理層，工控計算機只需一塊普通的網(wǎng)卡就可以通過Ethernet LAN接收到來自PLC主站的數(shù)據(jù)。PLC主站由1臺AC500系列PLC及相應的外圍設備組成，置于中央控制室。PLC主站從分布I/O接收數(shù)據(jù)，進行相關的處理與控制，同時通過標準工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP通訊模塊(TB521-ETH)傳輸給工控計算機,傳輸速率為10Mbit/s ,介質為屏蔽雙絞線。
在過程控制層，PLC主站通過CPU(PM581)上保留的CS31通訊接口、Modbus-RTU通訊總線與分布I/O（AC31遠程擴展模塊）構成高速通訊網(wǎng)絡,隨時采集現(xiàn)場設備的運行狀況和故障信息,并上傳工控計算機，形成分布控制。
圖3 AC500在污水廠自控系統(tǒng)解決方案
在現(xiàn)場設備層，本系統(tǒng)共設8個分布I/O。從經濟實用角度考慮，由于AC500系統(tǒng)可以兼容AC31的遠程擴展模塊， 1#～8# 分布I/O分別選用AC31系統(tǒng)的遠程擴展模塊（ICMK14 N1-24DC）。分布I/O置于污水控制現(xiàn)場，就近控制所屬設備，形成分布控制的能力，并采集現(xiàn)場設備的運行狀況和故障信息，通過Modbus-RTU總線聯(lián)接到PLC主站。Modbus-RTU總線是一種點對多點的RS485串行通訊，每個通訊系統(tǒng)由一個主站和最大31個從站組成。通訊距離不加中繼為1200米，加中繼最大可達到3000米。通訊介質為:屏蔽雙絞線。
2.3.3 系統(tǒng)方案優(yōu)點
AC500 PLC系統(tǒng)除了有外形美觀，性能可靠，價格適中等特點，在項目具體實施中還具有如下優(yōu)點：可設置輸入/輸出的開關量模塊，為備用點數(shù)的設置提供了方便并能進一步降低成本；模擬量的每個輸入通道都可以設定電流，電壓或者熱電阻等輸入信號，使用方便；編程軟件中集成的MODBUS功能塊，非常實用，易于操作，大大節(jié)省了編程時間。
采用AC31-40/50自動化系統(tǒng)作為現(xiàn)場控制單元實現(xiàn)過程控制，以靈活多樣的分布式I/O接收現(xiàn)場傳感檢測信號。AC500采用符合IEC－1131－3國際標準的編程軟件和現(xiàn)場設備庫，提供連續(xù)控制、順序控制、流程圖編程及高級編程語言?，F(xiàn)場設備庫提供大量的常用的現(xiàn)場設備信息及功能塊，可大大簡化組態(tài)工作，縮短工程周期。
2.4 系統(tǒng)的技術特點
2．4．1現(xiàn)場設備就地控制
對單體設備來說其控制分為三種模式，其優(yōu)先順序為現(xiàn)場手動控制、遠程手動控制和遠程PLC自動控制，這樣現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)設備故障時可以最快的速度切斷故障設備的運行，最大程度地降低設備的損壞程度。在整個系統(tǒng)中，單體設備的損壞時保證系統(tǒng)其它無關聯(lián)設備的正常運轉。
圖4 現(xiàn)場單體設備
2．4．2現(xiàn)場總線分散控制
結合污水處理工藝要求及設備空間分散特點，在布線最少、功能完整的情況下對全廠的站點進行了劃分，子站為泵房站、水解池站、1號改進SBR站、2號改進SBR站、脫水機房站和鼓風機房站。泵房子站負責提升泵房、粗格柵、細格柵和沉砂池的數(shù)據(jù)處理，脫水機房站除負責脫水機房外，集泥池、濃縮池也歸在該站內，其余子站負責各自的工藝單元。
圖5 泵房子站控制柜
2．4．3上位機監(jiān)控管理
自控系統(tǒng)操作與污水處理廠管理層的銜接主要是把自動控制系統(tǒng)收集到的全廠信息可以順利傳輸?shù)焦芾韺佑嬎銠C，管理人員可以在線查看污水處理廠的運行狀況并調用相關的運行數(shù)據(jù)。
隨著監(jiān)控軟件的供應商對INTERNET技術的不斷應用開發(fā)，監(jiān)控軟件都可以通過局域網(wǎng)或INTERNET廣域網(wǎng)進行信息發(fā)布，管理層或授權用戶在任何可以上INTERNET網(wǎng)的地方便可瀏覽運行狀況。而所使用MS IE瀏覽器的安全性問題已經得到解決。
通過上位監(jiān)控軟件系統(tǒng)直接采集的在線儀表數(shù)據(jù)，并以數(shù)據(jù)報表和圖形顯示，還可根據(jù)處理工藝原理自動對所采集的數(shù)據(jù)進行分析和推導，提煉出對運行操作更有指導意義的數(shù)據(jù)。
圖6 SBR污水處理工藝圖
2．4．4順控圖簡化了程序
多種編程語言同時編寫同一個工程項目，生產工藝控制流程采用順控圖（SFC）簡化了復雜的工藝流程分支，讓工程師對復雜的工藝流程圖如同畫圖一樣編寫程序，使主工藝程序易于維護和修改。
圖7 主工藝順控圖（SFC）
2．4．5總線通訊簡單方便
通過AC500的Control Builder軟件來編寫PLC的內部通信程序。由于AC500的Control Builder軟件可以提供現(xiàn)成的MODBUS功能塊，編程十分簡單。以1＃分布I/O遠程擴展模塊為例，定義它的地址表，如表1：
表1 1＃分布I/O遠程站地址表
地址%MX0.0.0至%MX0.0.7是ICMK14N1-M的系統(tǒng)保留區(qū)域，不能使用。地址%MX0.1.0至%MX0.1.7作為此遠程擴展模塊自帶的開關量輸入，分別對應進水泵房及沉砂池的相應設備。依照同樣的方法，可以繼續(xù)定義1＃分布I/O的（XI16E1,XC32L,HE10-20,…等）開關量及模擬量輸入/輸出模塊，然后依次是2?！?＃分布I/O的所有模塊。
以1#分布I/O的讀指令為例，如圖。
圖8 讀1#分布I/O的讀指令
只需設定好MODBUS功能塊的（COM,SLAVE,FCT,ADDR,NB等）參數(shù)，PLC主站就可以順利的從1#I/O子站讀取數(shù)據(jù)。其中FCT，NB的參數(shù)可根據(jù)實際情況依照表2確定。
表2 Modbus操作功能表
運用MODBUS功能塊依次完成1～8＃分布I/O的讀，寫指令的編程，PLC主站與分布I/O之間的通信就建立完成了。在實際調試中，發(fā)現(xiàn)還需通過軟件的PLC組態(tài)選項，將MODBUS的參數(shù)：RTS control設置為“bbbegram”, Parity設置為“none”，Operation Mode設置為：“Master”。至此，PLC的主站已經可以對I/O從站中的各種參數(shù)進行采集與控制。
3 結語
整個自控系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了建廠之初的設想，已經順利運行。系統(tǒng)的穩(wěn)定性和方便性均經過了反復測試并且表現(xiàn)良好。自控系統(tǒng)在2006年底通過排水公司驗收達標，并實現(xiàn)即使無人值班的情況下，也可正常運行。實際的運行結果表明,其設計合理,安全可靠,控制精度高，滿足了生產的實際需要，性價比高。此外，采用了國際標準Modbus總線和成熟的方案技術，使系統(tǒng)日后擴充和維護方便得到保證。以上對整個自控系統(tǒng)做了介紹，希望能起到拋磚引玉的作用，給其他的污水處理項目提供一個選擇方案。
圖9 污水廠監(jiān)控中心一角
參考文獻
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5． 張 辰，王國華，孫 曉.污泥處理技術與工程實例.上海：化學工業(yè)出版社，2006.
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
