刚轶金 李江滨 陈光
机械工业第六设计研究院有限公司
摘要：本文以某污水处理厂自控系统设计为例，介绍了基于PLC的污水处理厂自控系统的研究与设计。从系统的基本需求、可靠性及先进性入手，分析了污水处理厂自控系统的可扩展性和兼容性，给出了系统结构，介绍了系统的控制方式，对系统主要功能进行说明描述。
关键词：自控系统；PLC；可扩展性和兼容性；污水处理
一、前言
某污水处理厂的自控系统由PLC站与监控操作站控制管理系统组成的自控系统和仪表检测系统两大部分组成。前者遵循“集中管理、分散控制、资源共享”的原则；后者遵循“工艺必需、先进实用、维护简便”的原则。
为了满足污水处理厂工程实现上述要求，必须保证控制系统的先进性和可靠性，才能保证本厂设备的安全、正常、可靠运行。
1.1 系统基本要求
工控通讯网络采用光纤通讯工业以太网，通讯波特率≥100Mbps，系统自适应恢复时间<300ms，通讯距离（无中继器）≥10Km，网络介质要求使用可直埋的光缆，在出现故障时，可在线增加或删除任意一个节点，都不会影响到其他设备的运行和通讯。本系统采用先进的监控操作站控制系统，即系统采用全开放式、关系型、面向对象系统结构，支持不同计算厂家的硬件在同一网络中运行，并支持实时多任务，多用户的操作系统。
主要用于污水厂的生产控制、运行操作、监视管理。控制系统不仅有可靠的硬件设备，还应有功能强大，运行可靠，界面友好的系统软件、应用软件、编程软件和控制软件。
1.2系统可靠性的要求
控制系统在严格的工业环境下能够长期、稳定地运行。系统组件的设计符合真正的工业等级，满足国内、国际的安全标准。并且易配置、易接线、易维护、隔离性好，结构坚固，抗腐蚀，适应较宽的温度变化范围。系统具备良好的电磁兼容性，支持I/O模板在系统运行过程中进行带电热插拔。能够承受工业环境的严格要求。
1.3系统的先进性
系统的设计以实现“现场无人职守，分站少人值班”为目的。设备装置的启、停及联动运转均可由中央控制室远程操纵与调度。
1.4系统的故障诊断
控制系统有一套完整的自诊断功能，可以在运行中自动地诊断出系统的任何一个部件是否出现故障，并且在监控软件中及时、准确地反映出故障状态、故障时间、故障地点、及相关信息。在系统发生故障后，I/O的状态应返回到系统根据工艺要求预设置的状态上。
1.5系统扩展性和兼容性
控制系统主要用于污水处理厂的生产控制、运行操作、监视管理。不仅有可靠的硬件设备，还有功能强大，运行可靠，界面友好的系统软件、应用软件、编程软件和控制软件。
监控系统的数据库结构为面向对象的，实时式，关系型数据库。操作系统和监控软件具有冗余和容错及灾难性恢复等功能。
二、控制系统结构及特点
2.1控制系统网络结构图
某污水处理厂自控系统采用分层分布式结构网络控制方式。该控制系统共分为主控级（中控室）和现场控制层（分控站）。实现相应控制层设备的监视、操作、控制和网络通讯连接。网络结构图如下：
2.2控制系统特点
由于控制设备的分布特点及控制的独立性，采用现场元件层实现自动化仪表的数据采集，采用现地控制单元实现了相对独立设备的本体控制；从而大大减轻了操作员工作站监控操作站的负荷，有利于各级控制设备监控功能的合理分配和利用；
于各现地控制单元相对独立，并且能够脱网独立运行，特别是在集控层总线网络瘫痪时，能够保证现地单元可靠地运行，大大提高了控制系统的可靠性；
采用分层分布式控制方式，使得总线网络的通讯负荷减少、通讯误码率大大降低，解决了数据通讯的瓶径问题，同时使网络结构更清晰、检修维护更方便；
采用分层分布式控制方式，该控制系统具有更好的扩展性，若需对系统扩展，只要将接入相应的网络层中即可，不会影响到集控层网络的运行和操作。
控制系统网络结构图
三、系统控制方式及功能描述
3.1 系统控制方式：
现场手动模式：设备的现场控制箱或MCC 控制柜上的“就地/远程”开关选择“就地”方式时，通过现场控制箱或MCC 控制柜上的按钮实现对设备的启/停、开/关操作。
遥控模式：即远程手动控制方式。现场控制箱或MCC 控制柜上的“就地/远程” 开关选择“远程”方式时，操作人员通过操作面板或中控系统操作站的监控画面用鼠标器或键盘选择“遥控”方式并对设备进行启/停、开/关操作。
自动模式：现场控制箱或MCC 控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式，且现场控制站的“自动/遥控”设定为“自动”方式时，设备的运行完全由各PLC 根据污水处理厂的工况及生产要求来完成对设备的运行或开/关控制，而不需要人工干预。
控制方式设计为：就地手动控制优先，在此基础上，设置远程遥控和自动控制。控制级别由高到低为：现场手动控制、遥控控制、自动控制。
3.2 主控级设备：
污水处理厂自控系统主控工作作站接收全厂设备的运行状况，同时也对现地控制设备发送各种控制命令。主控级工作站由两套互为热备的台湾研华公司生产的IPC-610H型工控机作为主要控制设备，采用Microsoft公司的Windows XP 操作系统和德国西门子的自动化监控组态软件WINCC开发版工业组态软件，完成数据的采集、设备的控制和监视以及与各分控站的通讯功能等。工艺组态如下：
四、系统配置
4.1、配置介绍：
根据不同用户的需求，在控制系统配置上有不同的方案供选择。分为高、中、低三个等级配置。
高端配置：选择西门子两个S7-417H的CPU组成冗余系统，需要配置西门子S7400H同步模块，同步模块连接光纤、冗余底板、冗余电源等同步设备。通讯方式以太网通讯。
中档配置：采用多CPU模式，即各个站点主从模式，一主站多从站。通讯方式Profibus-DP。上位机通讯方式以太网等。
抵挡配置：扩展机架结构配置。最常用的配置方式，主站为CPU站，从站为机架扩展。通讯方式扩展模块固定通讯。上位机通讯以太网等。
五、总结
本论文所论述方案本着质量可靠、技术先进、性价比高的原则，结合在实施其它类似项目中的设计、实施和组织的成功经验，充分考虑技术进步和系统的扩展，采用分层分布式控制技术，发挥智能控制单元的优势，降低并分散系统的故障率，保证系统较高的可靠性、经济性和扩展性，从而实现了对各现场控制设备的操作、控制、监视和数据通讯。
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论文作者:刚轶金,李江滨,陈光
论文发表刊物:《基层建设》2015年20期供稿
论文发表时间:2016/3/22
标签：系统论文; 污水处理论文; 自控论文; 方式论文; 控制系统论文; 通讯论文; 设备论文; 《基层建设》2015年20期供稿论文;