PLC軟冗余系統(tǒng)在城市污水處理工程中的應(yīng)用

摘 要:目前國(guó)內(nèi)中小城市污水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型中明顯的延續(xù)有大型污水處理控制系統(tǒng)的痕跡，控制系統(tǒng)的大型化、復(fù)雜化是當(dāng)今很突出，很普遍的現(xiàn)象。主要介紹西門子S7-300 PLC軟冗余系統(tǒng)在中小城市污水處理控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，介紹了軟冗余系統(tǒng)的工作原理、設(shè)計(jì)選型、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)及在中小城市污水處理控制系統(tǒng)中應(yīng)用體會(huì)。實(shí)際應(yīng)用證明采用該系統(tǒng)既保證了可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，又降低了工程建設(shè)成本。

關(guān)鍵詞:可編程序控制器; 軟件冗余; 工業(yè)以太網(wǎng); SIMATIC S7-300; Profibus協(xié)議

中圖分類號(hào):TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)09-0205-03

Application of PLC Soft-redundant System in Urban Waste Treatment Project

GUI Yue-wu

(Shanghai Municipal Engineering Design General Institute， Hefei 230061， China)

Abstract: It is evident that the design selection of current waste treatment control systems in domestic medium and small citiesstill reserve the trace ofthe large-scale waste treatment control systems. The adoption of the large-scale and complex control system is a very prominent and common phenomenon. The application of Siemens S7-300 PLC soft-redundant system in the medium and small urban waste treatment control system is introduced. The working principle of soft-redundant system， design selection， network configuration and the application experience in the medium and small urban waste treatment control systems are described. The actual application proves that the system not only guarantee the reliability， stability， and real-time， but also reduce the project construction cost.

Keywords: PLC; soft-redundant; industry Ethernet network; SIMATIC S7-300; Profibus protocal

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，中小城市污水量呈現(xiàn)逐年增加趨勢(shì)，為減少污水收集管網(wǎng)的工程建設(shè)投資，中小城市污水處理設(shè)施呈現(xiàn)分散、規(guī)模小等特點(diǎn)[1]。受經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、處理要求、運(yùn)營(yíng)管理經(jīng)驗(yàn)和水平等影響，大型污水處理控制系統(tǒng)難以適應(yīng)這些中小污水處理工程的建設(shè)要求，尋找適合城市中、小污水廠的污水處理控制系統(tǒng)顯得十分重要。本文介紹西門子S7-300 PLC 軟冗余系統(tǒng)在安徽無(wú)為縣城污水處理廠的成功應(yīng)用，該系統(tǒng)既保證了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，又降低了工程建設(shè)成本。

1 系統(tǒng)介紹

安徽無(wú)為縣城污水處理廠是一座由安徽現(xiàn)代污水處理有限公司按BOT方式(建設(shè)-運(yùn)行-移交)籌資建設(shè)的的城市污水處理廠，處理規(guī)模一期40 000 m3/d，廠址位于無(wú)為縣城東北部陳家村西側(cè)，占地面積約3.34公頃。無(wú)為污水處理廠主要處理來(lái)自縣城東北區(qū)約13萬(wàn)人的生活污水及工業(yè)廢水，采用A/A/O工藝，主要構(gòu)筑物包括粗格柵及進(jìn)水泵房、細(xì)格柵及旋流沉沙池、生物反應(yīng)池、二沉池配水井及污泥泵房、二沉池、紫外線消毒渠和儲(chǔ)泥池等[2]，其流程圖如圖1所示。設(shè)計(jì)要求出水水質(zhì)達(dá)到GB18918-2002國(guó)家一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)，污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的污泥采用濃縮脫水處理后外運(yùn)至垃圾填埋場(chǎng)填埋。

圖1 無(wú)為污水處理廠一期工藝流程圖

無(wú)為污水處理廠控制系統(tǒng)設(shè)1個(gè)監(jiān)控中心(中控室)、3個(gè)現(xiàn)場(chǎng)PLC站(模擬屏站PLC01、變配電間站PLC02、污泥脫水間PLC03站)。其中變配電間站最為重要，主要控制提升泵站、格柵井、沉沙池、氧化溝、二沉池、回流泵站、剩余污泥泵站、貯泥池的自動(dòng)運(yùn)行。關(guān)鍵控制對(duì)象是氧化溝中的含氧量和回流污泥量，以保證維持微生物的生存環(huán)境，達(dá)到去除原污水中污染物的目的。

2 選型比較

對(duì)于變配電間站控制系統(tǒng)的選型，以前類似工程大多采用A-B公司的ControlLogix系列或是西門子S7-400系列的硬件冗余系統(tǒng)，具有穩(wěn)定性好、切換速度快等優(yōu)點(diǎn)，但造價(jià)相對(duì)昂貴，是國(guó)內(nèi)大型污水處理控制系統(tǒng)的優(yōu)先選擇。目前中小城市的污水項(xiàng)目很多為BOT項(xiàng)目且對(duì)控制系統(tǒng)切換時(shí)間要求條件不是太高，所以要求控制系統(tǒng)選型時(shí)既要保證性能，又要降低成本。據(jù)德國(guó)西門子公司提供的資料，硬件雙機(jī)冗余系統(tǒng)的價(jià)格比軟冗余系統(tǒng)高40%左右，但可用率只提高0.08%[3]。在國(guó)外大部分同等規(guī)模的污水處理廠中也未采用雙機(jī)硬件冗余系統(tǒng)，所以需要對(duì)控制系統(tǒng)的技術(shù)有更深入的了解，避免在設(shè)計(jì)選型上照抄、照搬。通過(guò)對(duì)西門子硬件冗余和軟件冗余系統(tǒng)的深入分析和性能比較，最后決定選用價(jià)格相對(duì)便宜而性能又比較穩(wěn)定的軟冗余系統(tǒng)。

3 軟冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

控制系統(tǒng)冗余常見方式是中央處理器冗余、I/O冗余和通訊冗余。中央處理器冗余是在主處理器失效時(shí)，備用處理器自動(dòng)投入運(yùn)行從而接管控制。在控制權(quán)的交互方式上又分為硬件冗余和軟件冗余兩種。硬件冗余是采用硬件方式進(jìn)行切換，除成對(duì)的使用中央處理器外，還需專用的熱備模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)處理器，一旦發(fā)現(xiàn)主處理器失效，馬上將系統(tǒng)控制權(quán)交給備用處理器。硬件冗余采用光纖通訊，通訊速度快，系統(tǒng)穩(wěn)定，切換時(shí)間更短，但是成本也高。軟件冗余方式只需要成對(duì)的處理器，用軟件編程的方式進(jìn)行處理器的切換，組成比較經(jīng)濟(jì)，構(gòu)成十分靈活，但程序處理需要一定的時(shí)間，對(duì)于時(shí)鐘同步及切換時(shí)間要求不是十分嚴(yán)格的場(chǎng)合，選用軟件冗余方式是非常經(jīng)濟(jì)有效的[4-5]。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟冗余系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

西門子S7-300 PLC 軟冗余系統(tǒng)由A和B兩套PLC控制站組成。開始時(shí)A站為主，B站為備用，當(dāng)主站A中的任何一個(gè)組件出錯(cuò)，控制任務(wù)會(huì)自動(dòng)切換到備用站B當(dāng)中執(zhí)行，這時(shí)，B站為主，A站為備用，這種切換過(guò)程是包括電源、CPU、通訊電纜和IM153接口模塊的整體切換。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，即使沒(méi)有任何組件出錯(cuò)，操作人員也可以通過(guò)設(shè)定控制字，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)的主備系統(tǒng)切換。這種手動(dòng)切換功能對(duì)控制系統(tǒng)的軟硬件調(diào)整、更換和擴(kuò)容非常有用的[6]。

圖2 軟冗余系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)工作原理

在軟冗余系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí)，A，B控制站(處理器，通訊、I/O)獨(dú)立運(yùn)行，由主站的PLC掌握對(duì)ET200從站中的I/O控制權(quán)。A，B站中的PLC程序由非冗余(non-duplicated)用戶程序段和冗余(redundant backup)用戶程序段組成，主系統(tǒng)PLC執(zhí)行全部的用戶程序，備用系統(tǒng)PLC只執(zhí)行非冗余用戶程序段，而跳過(guò)冗余用戶程序段。軟冗余系統(tǒng)中PLC內(nèi)部程序運(yùn)行過(guò)程如圖3所示。

圖3 軟冗余系統(tǒng)PLC內(nèi)部運(yùn)行圖

在主控制站發(fā)生故障時(shí)，主備控制站的切換時(shí)間=故障診斷檢測(cè)時(shí)間+同步數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間+DP從站切換時(shí)間。如果CPU的故障是停機(jī)或斷電，故障診斷為大約100~1 000 ms。數(shù)據(jù)同步所需時(shí)間取決于同步數(shù)據(jù)量的大小和同步所采用的網(wǎng)絡(luò)方式，目前普遍采用Ethernet網(wǎng)方式。以CPU 315-2DP為例，同步1 000 B的數(shù)據(jù)所需時(shí)間大約為[7]200~300 ms。還有2個(gè)DP從站的切換時(shí)間在70 ms左右[8]。無(wú)論控制程序循環(huán)掃描到哪里，當(dāng)前激活的系統(tǒng)(即主系統(tǒng))隨時(shí)都會(huì)接收并處理報(bào)警，但在主系統(tǒng)A與備用系統(tǒng)B進(jìn)行切換過(guò)程中產(chǎn)生的報(bào)警存在被丟失的可能[9]。

4 硬件選型

無(wú)為縣城污水處理工程變配電間站軟冗余系統(tǒng)選用SIMATIC S7-300系列PLC，中央處理器為 CPU315-2DP，編程軟件為Step7 V5.2。其中PLC本體與遠(yuǎn)程I/O通訊為PROFIBUS協(xié)議的串口通訊，PLC與計(jì)算機(jī)采用工業(yè)以太網(wǎng)，并以工業(yè)以太網(wǎng)作為冗余網(wǎng)絡(luò)。其PLC模塊選型[10]如下:

(1) 電源模塊6ES7307-1EA00-0AA0兩塊給CPU供電;

(2) 中央處理器CPU315-2DP 6ES7315-2AG10-0AB0兩塊，工作存儲(chǔ)器512 KB;

(3) 通訊模塊6GK7343-1EX20-0XE0兩塊與計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊并進(jìn)行兩個(gè)CPU間的冗余通訊;

(4) 接口模塊6ES7153-2AA02-0XB0兩塊進(jìn)行PROFIBUS遠(yuǎn)程I/O和系統(tǒng)間的冗余通訊;

(5) 電源模塊6EP1333-2AA00兩塊給ET200供電;

(6) DI數(shù)字量輸入模塊6ES7321-1BL00-0AA0 六塊采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的開停、運(yùn)行及故障狀態(tài);

(7) DO數(shù)字量輸出模塊6ES7322-1BL00-0AA0 三塊控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的啟停;

(8) AI模擬量輸入模塊6ES7331-7KF02-0AB0 四塊采集現(xiàn)場(chǎng)的液位、壓力、流量、PH/T、濁度以及風(fēng)機(jī)和加藥泵的頻率信號(hào);

(9) AO模擬量輸出模塊6ES7332-5HF00-0AB0 兩塊通過(guò)程序的PID自動(dòng)控制調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)和加藥裝置的頻率。

5 系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果

變配電間站S7-300軟冗余系統(tǒng)投入運(yùn)行后系統(tǒng)工作正常。在工程調(diào)試時(shí)，技術(shù)人員通過(guò)設(shè)定控制字實(shí)現(xiàn)手動(dòng)的主備系統(tǒng)切換。測(cè)試時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)主從系統(tǒng)切換時(shí)中斷，切換時(shí)一切控制正常，包括控制繼電器不會(huì)斷開、模擬量輸出控制變頻器轉(zhuǎn)速不會(huì)丟失等。還有測(cè)試時(shí)PROFIBUS總線傳輸正常，沒(méi)有掉落模塊的情況出現(xiàn)。這表明西門子S7-300軟冗余系統(tǒng)應(yīng)用于對(duì)主備系統(tǒng)切換時(shí)間要求不高的中小型污水處理控制系統(tǒng)中是完全可行的。

6 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)于2006年9月投入使用，運(yùn)行順利，用戶對(duì)選擇軟冗余系統(tǒng)非常滿意。目前本系統(tǒng)已經(jīng)成功推廣到安徽阜陽(yáng)、安慶、淮南和宿州等地的污水處理系統(tǒng)中，用戶反映非常良好。通過(guò)上述項(xiàng)目，證實(shí)PLC軟冗余系統(tǒng)完全可以滿足中小型污水處理控制系統(tǒng)的技術(shù)要求，基本實(shí)現(xiàn)無(wú)憂切換。PLC軟冗余系統(tǒng)在生產(chǎn)中的實(shí)際使用，為企業(yè)帶來(lái)了效益，相信也為這種冗余系統(tǒng)廣泛推廣到其他行業(yè)應(yīng)用提供了一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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