完全基于現場總線的污水廠智能MCC系統

摘 要:通過對污水處理廠自動化系統的需求分析，提出了大型污水處理廠全面采用基于現場總線的智能MCC系統的解決方案和實現方法，證明了完全基于現場總線的智能MCC在污水廠的安全性和可用性。

關鍵詞:現場總線 污水廠 智能MCC

1 概述

隨著工業生產工藝技術和操作要求的不斷提高，控制系統對信息化、智能化、網絡化的應用要求越來越高，除了傳統的技術指標以外，對狀態監視、遠程控制、故障檢測等也提出了更高要求。

我國大型污水處理廠主要工藝環節基本實現了自動控制，如化學藥劑自動投加、濾池控制、泵站控制、二次生化過程控制等。與一般工業控制相比，由于污水處理廠具有機電動力設備多、生產維護人員較少的特點，實現高度自動化、管控一體化、生產現場無人值守，對污水處理廠顯得尤為重要。

智能MCC系統是自動化發展的又一新的趨勢，逐步在污水處理廠也有所應用。本文將對青山湖污水處理廠的工程為實例，探討一種完全基于現場總線的智能MCC系統的應用。

2 智能MCC系統及現場總線技術的發展背景

智能馬達控制中心(MCC)是在傳統的MCC中植入智能熱繼電器，變頻器、軟啟動器中插接通訊模塊，進線斷路器內嵌入智能元件，現場操作箱設置現場遠程I/O等手段，結合現場總線技術，智能MCC將傳統對單一馬達進行保護延伸到對設備運行狀態進行監控，實現了傳統MCC向智能系統的轉換。基于Profibus現場總線通信功能的智能MCC系統，能夠實現遙測、遙控、遙信、遙調，使智能MCC作為一個設備級的自動化控制系統融入全廠控制系統之中，可全面實現設備和能量管理。

現場總線技術自70年代誕生至今，由于它在減少系統線纜、簡化安裝、維護和管理、降低系統的投資和運行成本、增強系統性能等方面的優越性，得到了廣泛的推廣和應用。目前世界上已有四十種以上的現場總線，它們各具特色，有著不盡相同的系統結構和技術特征。本工程中采用的是Profibus總線，是一種開放式的現場總線國際標準，它將工業設備(如:限位形狀、光電傳感器、閥組、電動機起動器、過程傳感器、條形碼讀取器、變頻驅動器、面板顯示器、面板顯示露和操作員接口)連接到網絡，從而免去了昂貴的硬接線。Profibus作為現場總線的一種，不論是在自動化系統，還是在配電系統中的應用均日益廣泛。

本項目智能MCC設備均提供了Profibus-DP現場總線通訊口，具有現場設備智能化的特點:現場接入電機的主回路中，對電機的啟動、停止進行控制，同時測出電機的運行電流，為電機當前工作狀況的分析提供重要的參數，以西門子S7-400 PLC為核心的現場控制子站同樣支持Profibus-DP通訊協議，可作為DP主站對各現場總線設備進行智能管理。采用基于Profibus-DP現場總線的底層自動化及信息集成是本項目的一大特點。典型的智能MCC系統與生產控制系統的結構關系，見圖1所示。

3 污水處理廠智能MCC系統技術方案

3.1 青山湖污水處理廠工程概況南昌青山湖污水處理廠是由德國柏林水務以BOT方式投資建設的大型城市污水處理設施，總規模為日處理污水100萬噸，一期工程規模為日處理污水33萬噸。一期污水處理工藝采用普曝法氧化溝形式、倒傘型表面曝氣工藝。

3.2 控制系統結構“青山湖污水處理廠控制系統采用分布型系統結構，中央控制室監控管理計算機和現場PLC子站經由工業型光纖以太環網連接，依據生產工藝單元配置了4套S7-400 PLC子站，在每個子站的配電室均配有一臺觸摸屏，用于調試和應急操控。配電系統采用了智能MCC共4套，分別配置在機械預處理、生化、污泥脫水和污泥濃縮4個配電室。智能MCC采用完全基于Profibus-DP現場總線方式與$7-400通訊，上位監控計算機可以對泵機等運轉設備進行控制和顯示其運行參數。以污泥脫水機房子站為例，PLC系統通過ProfiBus現場總線分別連接了低壓智能測量裝置4套、智能馬達控制器12套，用于控制進泥泵、污泥切割機、螺旋輸送機及儲泥池攪拌器等電機設備。系統結構圖詳見圖2。

本項目采用“完全基于Profibus-DP現場總線通訊方式”，智能MCC與PLC之間完全沒有控制電纜接線這種方式在國內還非常少見，在污水處理行業基本未見。國內一般較為常見的智能MCC連接方式是現場總線通訊僅用于狀態數據監視，而電機啟停控制信號仍然采用傳統的電纜硬接線方式連接，主要原因是認為傳統硬接線更為可靠，對生產操作運行完全依賴于現場總線通訊的可靠性沒有信心。

3.3 系統特點總結“在本工程中成功地應用了這種基于現場總線的智能MCC控制系統、高壓綜合保護裝置和低壓智能測量裝置，它沒有設立獨立的電力監控站，其保護整定值的遠程設定和電力監控的基本功能，均由自控系統監控站實現;也沒有設電力監控專用網絡，電力監控和自控網絡采用同一條現場總線網絡，從而減少了網絡協議轉換等中間環節，提高系統可靠性;且選用的繼電保護裝置是國際知名品牌的專業綜合保護控制器，直接網絡連接，具有在保證保護穩定可靠的前提下，確保監控信息的快捷、暢通等特點。這些在國內的污水處理廠還屬少見，不但起到高壓保護作用，而且對電流、電壓、功率等參數進行自動測量、顯示并傳給中央監控站，充分發揮了現場總線技術的優點。具體特點包括如下

3.3.1 現場總線通訊取代了硬接線。在傳統技術中，現場層設備與控制器之間的連接是一對一的所謂硬接線方式，傳送開關量、模擬量信號。現場總線技術只用一條通信電纜將智能配電設備(智能化、帶有通信接口)如智能馬達控制器連接起來，達到底層設備通信及控制要求。

3.3.2 現場設備真正實現了智能化。如該系統中的智能MCC、高壓綜合保護裝置和低壓智能測量裝置都是帶有串行通信接口的智能化(可編程或可參數化)設備。就智能Mcc而言，在傳統的MCC中植入智能控制器，通訊信號進入系統中，由系統進行集中管理，使智能MCC成為一個設備級的自動控制系統。

3.3.3 集現場設備的遠程控制、參數化及故障診斷為一體。現場總線采用計算機數字化通信技術連接智能化現場設備，因此，控制器可從現場設備獲取大量豐富信息，可實現設備狀態、故障、參數信息傳送，可完成設備遠程控制、參數化及故障診斷工作。

3.3.4 節省工程綜合成本。使用了完全基于現場總線技術的系統結構后，總線以菊花鏈拓撲形式使用單纜或雙纜把智能MCC連接到PLC系統中，這極大地降低現場布線、制作終端和PLC硬件的成本。根據實際實施數據統計，在設計、安裝、維護上的綜合成本至少可降低30%。

3.3.5 能源管理。PLC能通過智能MCC采集工廠不同區域的電力消耗，能為操作員生產運行過程中的電力消耗和其他關鍵過程參數，這些信息能進一步傳送到生產管理系統中，用于優化或實施不同的能源管理策略。

4 結束語

本項目智能MCC已在南昌青山湖污水處理廠投運多年，系統運行一直穩定、可靠，完全能夠實現系統安全穩定運行。完全基于現場總線通訊的智能MCC，一方面將電機的運行參數快速的傳到上位機顯示;另一方面，能夠準確無誤的執行上位機發出的控制命令，真正做到了智能化，實例證明了可以在污水處理廠長期穩定運行。對大型污水處理廠和一般工業控制采用智能MCC具有借鑒和推廣價值。

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