污水廠新增提升泵流量計與自動化系統(tǒng)通信

姬常州

（廣州市凈水有限公司 廣州）

一、概況

瀝滘污水廠一期設計日處理水量為20萬t，提升泵房有5臺提升泵，3用2備。每臺提升泵功率150 kW,使用ABB軟啟動進行降壓啟動，額定流量為2083 m3/h。污水提升高度15 m，提升泵管徑D1200 mm，每天預計總提升量為23萬t。一期原設計中，提升泵電房柜內有自控設備PLC，型號Allen-Bradley Logix5550 Controller，對提升泵房閥門、粗細格柵、提升泵進行自動遠程控制和狀態(tài)監(jiān)控，沒有相應的通信模塊，但PLC具有較好的功能擴展性，能夠按要求增加各種特殊功能模塊實現(xiàn)不同需求。

二、改造方案

一期原設計中，污水提升泵沒有安裝流量計，所以無法對泵的工況流量實施監(jiān)控，也不能及時與出水總量對比。為更好地體現(xiàn)節(jié)能降耗的效果，決定對每臺提升泵安裝流量計，并通過Modbust通信傳輸方式，實時監(jiān)控泵的運行情況和記錄提升流量的工況。

圖1 MVI56-MCM通信模塊工作原理

1.電磁流量計特點

測量管道內無阻力元件，沒有附加的壓力損失，不易發(fā)生堵塞，具有顯著的節(jié)能意義；測量管道內無可動部件，不易磨損，因此傳感器壽命長；傳感器所需的直管段較短，方便安裝；合理選擇電極和內襯材料，可耐腐蝕和耐磨損；雙向測量系統(tǒng)，可測正反向流量；流量的測量為體積流量，不受流量的密度、黏度、溫度、壓力、和電導率變化的影響；傳感器感應電壓信號與平均流速呈線性關系，測量精度高（±0.3%～-0.5%），量程比寬（1∶150）。一般具有模擬量輸出和Modbus通信兩種數(shù)據(jù)傳輸方式。

圖2 定義模塊用戶數(shù)據(jù)類型

2.Modbus協(xié)議在電磁流量計通信中的作用

圖3 立式銑床加工多鑄球模具簡圖

目前污水處理廠所用的電磁流量計，大部分都配有串行數(shù)據(jù)接口（如 RS-232/485），并且接口支持 MODBUS總線協(xié)議。一般電磁流量轉換器 MODBUS通信采用標準 MODBUS通信協(xié)議，MODBUS模塊和上位機進行通信為 600～19 200 bps，波特率設備地址可以通過鍵盤進行設置。通信由主機發(fā)起，主機首先發(fā)送消息幀，消息幀的發(fā)送間隔必須＞3.5個以上字符的發(fā)送時間。消息幀發(fā)送的第一個字節(jié)是設備地址，從設備不斷的偵測網(wǎng)絡總線當接收到第一個字節(jié)，每一個設備都進行解碼以判斷是否是發(fā)往自己的消息幀；接收到一個字符之后，如果停頓時間超過 3.5個以上字符的發(fā)送時間，標志著前一個消息幀發(fā)送結束，一個新的消息幀在此停頓后開始。字符間隔不能大于一個字符，否則認為是一條新的消息幀開始，老的消息幀結束。消息幀定義見表1。

表1 消息幀定義

Modbus通信協(xié)議規(guī)定了2種通信方式，RTU （REMOTETERMINAL UNIT）方式，采用 8位字節(jié)的二進制數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)校驗采用CRC循環(huán)冗余校驗，通信速度較快；ASCII方式，采用7位ASCII碼進行通信，數(shù)據(jù)校驗采用LRC邏輯冗余校驗，通信速率較慢。

針對MODBUS在電磁流量轉換器上的應用，在 MODBUS的功能碼中，不同公司采用不同的方式實現(xiàn)，有的公司只用了3個功能碼：03、04、06。03 號功能碼主要用來讀取流量信息，包括瞬時流量、流速、流量百分比、電極電阻、正向累計、反向累計、儀表口徑、報警狀態(tài)等；04號功能碼用來讀取鍵盤參數(shù)，06號功能碼用來設置鍵盤參數(shù)。

根據(jù)以上特點，計劃安裝上海科隆電磁流量計。由于污水廠的節(jié)能降耗要求，需要將累計數(shù)據(jù)準確上傳到中控室，電磁流量計決定使用Modbust通信傳輸方式。過程需要在原有自控設備PLC增加MVI56-MCM通信模塊，并與流量計能進行良好通信，使用總線型拓撲結構，PLC與中控通過原有光纖傳輸數(shù)據(jù)，中控室上位機系統(tǒng)為Factorytall view SE終端控制。

表2 主站命令內容

圖4 模塊數(shù)據(jù)進行清零

三、設備編程調試

1.MVI56-MCM通信模塊工作原理

MVI56-MCM通信模塊是Modbus網(wǎng)絡和PLC之間的一個網(wǎng)關。工作原理見圖1。

該模塊被設置為主站驅動模式，其他通信對象為從站，所有輸入、輸出數(shù)據(jù)都是通過模塊內部數(shù)據(jù)庫與鏡像數(shù)據(jù)地址進行交換，該數(shù)據(jù)庫長度為0～6999個字，前5000個為用戶交換數(shù)據(jù)，后2000個為模塊設置和狀態(tài)，模塊的啟動及通信控制包括各個從站數(shù)據(jù)讀、寫，從站地址周期輪詢都通過PLC程序控制，但是發(fā)送到各個從站的啟動命令、控制命令等是要事先填寫到模塊對應的數(shù)據(jù)表中。

2.模塊在PLC中的整個組態(tài)過程

（1）添加硬件模塊到PLC中。選擇Modbus模塊點擊OK添加到程序中，如果PLC程序版本比較低，則需要通過廠家提供的光盤對硬件庫進行升級，才能找到后期生產(chǎn)的MVI56-MCM通信模塊與當前PLC編程軟件兼容。

（2）模塊設置。對模塊進行設置，包括模塊名稱、描述、槽號、通信的數(shù)據(jù)格式、模塊輸入、輸出的數(shù)據(jù)庫大小。

（3）設置完成后顯示一個已組態(tài)的模塊。

（4）接著需要定義模塊用戶數(shù)據(jù)類型（User Defined Data Types），見圖2。在廠家提供的光盤中有這些樣例程序，可以直接拷貝這些已經(jīng)定義好的數(shù)據(jù)塊。當模塊運行時在模塊中存放著通信數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，但是這些數(shù)據(jù)是存放在連續(xù)的地址中并且不帶注釋，在實際使用中不能直觀地了解數(shù)據(jù)內容，因此需要將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC已定義好的數(shù)據(jù)庫中，方便使用和調用這些數(shù)據(jù)。

（5）打開模塊定義好的標簽庫就可以看到相應的標簽地址。為了使用模塊，還需要對模塊設置一些數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)塊在添加模塊時已經(jīng)生成，僅通過定義就可以調用。

（6）模塊端口設置（圖3）。主站命令內容見表2。

3.程序編寫

在PLC程序中添加一個Modbus周期掃描程序。模塊通信不是一個連續(xù)的過程，是對各個從站進行輪詢，并且PLC程序也是周期掃描讀取的，因而讀取到的數(shù)據(jù)會和現(xiàn)場有一定的延時，但它保證了準確無誤差地讀取數(shù)據(jù)，對于實時控制要求不高但要求數(shù)據(jù)準確的控制是有效的。為防止PLC停電和重新上電時或模塊重啟顯示錯誤數(shù)據(jù)，必須要使用模塊初始化程序對模塊數(shù)據(jù)進行清零，見圖4。

主程序通過判斷Local:1:l:Data[249]的狀態(tài)確定是否有新的數(shù)據(jù)從模塊傳輸?shù)奶幚砥鳎绻懈拢绦驅错樞驁?zhí)行讀ReadData和寫WriteData任務（圖5）。

圖5 判斷與讀寫

下一行程序判斷在輸入鏡像中接收到的新數(shù)據(jù)是否是用戶數(shù)據(jù)。如果是梯形邏輯程序會把數(shù)據(jù)正確的放在處理器的讀數(shù)據(jù)區(qū)MCM.ReadData[].每次塊傳輸可以傳送200個數(shù)據(jù)字，除用戶數(shù)據(jù)外，數(shù)據(jù)中還包含重要的狀態(tài)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)也要復制到模塊的響應數(shù)據(jù)區(qū)域中區(qū)MCM.InStat，通過這些狀態(tài)字可以判斷模塊是否正常（圖6）。

圖6 判斷數(shù)據(jù)

圖7 對從站地址發(fā)送請求命令

圖8 模塊設置傳送

圖9 模塊設置命令

PLC控制模塊對從站地址發(fā)送請求命令，共128個從站（圖7）。

將模塊設置傳送到模塊每次傳送200個字，3次共600個數(shù)據(jù)（圖8）。

允許模塊設置命令為9000（圖 9）。通過以上設置啟動通信模塊發(fā)送通信命令和接受子站數(shù)據(jù)。

4.科隆電磁流量計參數(shù)設置

C5.8.2地址設置 00……15

C5.8.3信息傳輸文本No parity

C5.8.4說明Big Endian

C5.8.6停止位 1 stop bit提升泵啟動命令；1A 03 00 89 00 1E 17 C3

1A設備地址，03 00讀取數(shù)據(jù)表，89 00 1E讀取數(shù)據(jù)長度，17 C3命令校驗碼。

Modbus通信是當前不同廠家設備間通信普遍使用的一種協(xié)議，在實際使用中必須了解雙方設備應用與設置，每種產(chǎn)品的設計不一樣，所要編寫的程序也不一樣，要求廠家提供細致的說明是很必要的，但是國產(chǎn)設備普遍提供的說明都過于簡單對調試有很大的影響，因此需要與設備技術人員進行溝通的同時需要通過第三方提供的RS232測試軟件進行測試以確定其數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)表格中的位置。

四、小結

污水廠提升泵房是將需要處理的污水進行勢能提升，其電能消耗在污水處理過程占相當大的部分，因此工況能耗檢測是很重要的。當集水井水位過低或污水含砂量過大就會影響提升量，污水處理過程中部分污水會在污泥回流、排泥、沖渣、終水回用以及管道超越等處損失掉。當損失量過大時將影響能效比，導致生產(chǎn)成本提高，因此需要對提升量和出水流量進行對比，及時分析數(shù)據(jù)降低能耗，為節(jié)能降耗的工作做好鋪墊。

在污水計量中起到關鍵作用的流量計就顯得非常重要，為保證計量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、可靠性和精確性，采用串口方式基于Modbus協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信的優(yōu)勢就尤為突出。這種串口通信方式，必將在今后污水處理廠的自動化系統(tǒng)和信息集成系統(tǒng)中，應用的更加廣泛。