施耐德Unity PLC在江南水厂的应用
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摘要： 文章介绍了江南水厂污水处理自控系统的配置和功能，阐述了其系统网络结构特点——由计算机、PLC、现场总线、现场在线仪表组成多级的、开放的、模块化的、实时多任务的、集散型的、可扩展的数据采集和监控系统。
一、概述
北京机械工业自动化研究所成立于1954年，是一家大型自动化技术研究单位。其下属的自控中心多年来一直致力于水处理、自动生产线和水力电力领域自控系统的研究开发和应用。代表项目有：三峡南北两岸的大坝自控项目、重庆长安汽车厂生产线自控项目、北京小红门水厂污水处理自控项目、兰州水厂供水自控项目、邯郸铁溪水厂供水自控项目、张家口水厂污水处理自控项目等。
广西南宁江南水厂污水处理控制及监控系统为广西重点工程，建设资金来源于世行。北京机械工业自动化研究所自控中心承担了该项工程。该工程包括：污水处理厂及城区配套截污干管。水处理能力为24×104 m3/d，处理工艺采用了A2/O生物法。即城市污水 →格栅 →污水泵 →沉砂池 →A2/O生物池→沉淀池→排放。处理后的废水达到《污水综合排放标准》(GB8978-1996)。剩余污泥经过浓缩、脱水后外运填埋或作堆肥。现在常用的污水处理工艺包括氧化沟处理、地表渗漏法、A/O生物法、A2/O生物法。而A2/O生物法作为污水处理行业其中一种成熟、有效的处理方法被业界广泛应用。
二、工艺描述、系统控制内容
该系统的工艺主要包括污水处理和污泥处理两个环节。
1、污水处理环节
其作用是将污水经过层层处理后，最终满足排放要求，污水处理工艺流程如图一所示。。
1.1、粗格栅
功能：去除污水中较大的漂浮物。
控制方式：时间控制、液位差控制。
1.2、进水泵房
功能：提升污水的水位。
控制方式：根据吸水井液位进行控制。在主站设定几个液位值，根据测得的液位值与设定液位值比较，自动增、减泵运行台数，并且自动累计每台泵运行时间，实现泵的自动轮换运行。
1.3、细格栅
功能：去除污水中较小的漂浮物，特别是丝状、带状漂浮物，保证后续处理系统的正常运行。
控制方式：根据时间及格栅前后液位差控制。
1.4、沉砂池
功能：去除污水中比重大于2.65，粒径大于0.2mm的无机砂粒，以保证后续流程的正常运行。
控制方式：根据时间进行控制。
1.5、生物池
功能：利用微生物降解和去除污水中的污染物质，达到预期的水质净化目的。A2/O生物脱氮除磷工艺由厌氧、缺氧和好氧三个生物反应过程组成。
控制方式：水下搅拌器连续运行，并对鼓风机及电动空气调节蝶阀进行闭环控制
1.6、回流污泥泵
功能：将一定数量的活性污泥回流到生化处理系统，以维持生化系统活性污泥的浓度，保证其生化反应的能力
控制方式：根据生物池的污泥浓度，计算出回流污泥比，再换算成污泥回流量，自动控制回流污泥泵的运行台数。同时自动累计单台泵运行时间，实现自动轮换运行。
1.7、 沉淀池
功能：对生化处理后的混合液进行固液分离，以保证出水水质。
控制方式：根据时间及泥位计控制。
图一、污水处理工艺流程图
2、 污泥处理部分
其作用是将污泥经过处理后，脱离出来，以便可以外运填埋或作堆肥。
2.1、剩余污泥泵房
功能：将生化系统产生的剩余污泥提升至污泥贮泥池进而至脱水机房。
控制方式：根据进水流量及进水BOD值，计算出总的产泥量，以自动控制剩余污泥泵的运行台数，自动累计泵单台的运行时间，实现自动轮换运行。设定吸泥井液位的高低限报警，达到高限报警时自动启动排泥泵或减小沉淀池排泥量。
2.2、污泥浓缩及脱水系统
功能：降低污泥含水率，减少污泥体积。
控制方式：系统能根据进来的污泥量自动控制设备的运行台数，根据进来的污泥量及污泥含固率自动控制加药量，对储药罐的液位及药量进行监测。对浓缩机、脱水机、加药系统和螺旋输送器状态进行远程监控。
另外，系统还包括沉砂系统、1#除臭系统、鼓风机、2#除臭系统、紫外消毒系统等配套设备。这些配套设备既可以独立运行，又可以和各PLC控制站进行数据通讯。值得注意的是，由于各成套设备的生产厂家各不相同，所以通讯协议也不尽相同。
上述工艺要求给控制系统提出苛刻的控制要求：
（1）控制系统要采用分散控制
根据系统分散控制的原则，须设置4个PLC现场控制站对总变电所控制站和鼓风机房控制站、脱水机房控制站、出水井分变电室控制站、污泥泵房变电室控制站进行控制。由于设备繁多、功能复杂以及程序大，所选PLC控制系统需具备强大的处理能力。
（2）控制系统要支持多种不同网络通讯
江南水厂污水处理自控系统是一个集中监视管理、分散控制的PLC控制系统。控制中心、控制站通过有线网络连接。各有分工，既能独立工作，又能在统一指挥下协调工作。控制站和其它配套设备也需通过网络进行通讯。为了实现这些目的所选PLC控制系统必须支持多种网络协议。
二、系统设计
根据国内外城市水系统的运行管理情况以及我们在该行业中的实践经验，依照国际自动控制领域的发展趋势，本着安全可靠,简单实用,先进(十年不落后)的原则，我们采用了施耐德的高端PLC控制产品，充分发挥其技术优势，以施耐德UNITY控制平台和开放的现场总线网络体系为核心，采用的控制器、第三方控制设备、智能变送器、网络架构及工控软件产品为用户提供了一个由计算机、PLC、现场总线、现场在线仪表组成的多级的、开放的、模块化的、实时多任务的、集散型的、可扩展的数据采集和监控系统。
该系统采用集成工业现场总线、控制总线和高速以太网组成的混合三层体系结构，如图二所示。
图二、江南水厂污水处理自动控制系统图
⑴ 信息层：
信息层以网络交换机为中心，通讯协议为TCP/IP，系统架构为Internet/Intranet，网络系统对内通信网数据吞吐率100Mbps。
其中信息层硬件部分主要为中控室的生产管理计算机站、服务器，化验室计算机站及配套网络传输线路、设备组成，完成系统的数据采集、监测、控制、通信、显示及生产管理调度等功能。软件系统主要由基于组态软件开发的江南污水厂生产过程控制、运行监控、调度系统以及生产管理（水质监测、生产数据和系统故障报警信息）信息系统等组成。 该体系结构实现了对江南水厂生产管理系统软硬件资源的整合和充分利用，使系统具有更高的兼容性、开放性和安全性。
⑵ 控制层：
控制层以施耐德 Unity平台为控制核心，将分布在各工艺段之间的施耐德 Unity PLC和中央监控计算机通过网络相连，实现控制信号的高速传输。施耐德 Unity PLC自动监测重要设备的运行状态和工艺参数变化，并对设备进行自动控制。控制层硬件设备主要为施耐德Unity系列PLC（140CPU65150）、操作员面板（XBTG5230）、工业以太网交换机（499NOS17100）
在这里我们要特别提一下控制层的网络。控制层的网络体系采用TCP／IP网络以及环形拓扑结构，以光纤为通信介质，通过以太网环网交换机构成带宽为100Mbps的工业以太网。该网络结构为自愈环网，其应用层采用开放的通讯协议。当环网发生一个光纤断点时，网络仍能够正常工作。作为全厂的控制主干网，工业以太网光纤环网能在任何节点接入设备，而不需要更改从前的站号和配置，充分考虑了今后扩展的方便性。在出现故障时，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。
根据工艺流程，全厂共设4套施耐德Unity PLC控制站：
LCS1控制站---总变电所控制站
主要控制粗格栅、进水泵房、转鼓格栅的设备。LCS1控制站的触摸屏通过RJ45连接到该站的交换机上。另外，LCS1控制站通过DP网和鼓风机设备厂家配套的PLC进行通讯；通过MB网和沉砂系统PLC、1#除臭系统PLC进行通讯。
LCS11控制站---鼓风机房控制站
主要控制鼓风机房的设备。LCS11控制站为LCS1控制站的远程I/O站。本控制站的触摸屏通过光纤介质连接到LCS1控制站的交换机上。
LCS2控制站---脱水机房控制站
主要控制脱水机房的设备。本控制站的触摸屏通过光纤介质连接到LCS1控制站的交换机上。
LCS3控制站---出水井分变电室控制站
主要控制出水泵房、回流污泥房、剩余污泥泵房、二沉池的设备。本控制站的触摸屏通过光纤介质连接到LCS1控制站的交换机上。
LCS4控制站---污泥泵房变电室控制站
主要控制曝气池的设备。本控制站的触摸屏通过光纤介质连接到LCS1控制站的交换机上。
另外，LCS4控制站通过MB网和紫外消毒PLC、2#除臭系统PLC进行通讯。
(3 )设备层：
我们利用施耐德UNITY PLC的MB口，采用MB网络通讯协议对MCC柜的各智能变送器进行多点通讯。这种不用传统I/O模块而直接采用总线电缆连接的通讯方式，在实现现场离散设备和可编程逻辑控制器（PLC）之间的数据数字化传输的同时，将成本费用减少到最小，这种用于低层设备的低成本、高效率信息集成模式，已经逐渐成为控制领域的主流。
四、调试体会：
通过亲身经历，我们认为施耐德UNITY确实是新一代自动化平台上的硬件和软件产品：新软件的使用可以大大地减少开发项目的时间，新硬件的使用可以大大地提高系统处理的速度，基于开发平台和协同工具，施耐德UNITY使得设计、制造、维护的自动化水平达到前所未有的高度，从而大大提高了生产效率。下面是我在实践过程中的小体会：
1、施耐德UNITY PLC具有超强的处理能力、超大存储空间，并提供全面开放的通讯解决方案。其中，我们使用的140CPU65150兼容了RS 232/485 Modbus/ASCII端口、USB端口、MB+ 端口、USB 终端口、Ethernet TCP/IP 端口，在实现多种网络的同时，最大限度节约了成本。另外，140CPU65150提供了一个数显操作屏我们不仅能监视CPU状态，而且对重要参数进行操作，这样极大程度地方便了调试及维护。
2、施耐德UNITY PRO软件界面友好、操作简洁、使用方便。通过施耐德UNITY PRO软件可以编写多任务；可以通过多种调试语言形式编写程序（不同调试语言可以在同一程序中混用）；可以使用标准或自建的语句块，以满足控制需要；可以根据要求建立各种类型的人性化变量；在IP和MB+通讯过程中，提供两种通讯编写方式；在不需要其它辅助软件的情况下，提供模拟通讯功能以测试程序；可以编制内部画面，并能模拟监控程序；提供多种诊断功能等。这些功能使我们在调试、维护过程中极大程度地提高了效率。同时这些软件功能同其它软件相比也具有领先性。
3、为了使基于施耐德UNITY平台的控制系统能够在高速的情况下稳定运行，在选型中一定要选择施耐德公司的产品或施耐德公司授权设备，一定不能贪图便宜选用没有经过施耐德公司认证的第三方产品。
4、在选择基于施耐德UNITY平台的支持DP的主模块时，须选择PROSOFT公司的第三方模块PTQ DPM MV1。另外在配置PROSOFT模块CONFIG软件时，须注意配置的GSD文件、从站地址、传输数据类型、数量必须和西门子从站一致。
5、调试前期，由于施耐德UNITY控制系统不支持MB的主站通讯模式，这样我们就无法做到在不加网桥的情况下，通过内置MB口对智能变送器进行通讯。在施纳德公司大力的帮助下，我们对施耐德UNITY控制系统进行软、硬件全面升级，使施耐德UNITY的MB口支持232（点对点）通讯，然后通过添加232-485通讯转换模块方式，最终实现和智能变送器进行MB协议多点（485）通讯的功能。
五、结束语：
在江南水厂项目论证和实施过程中，我们发现施耐德公司新推出并推崇的施耐德UNITY系统具有高可靠性、高稳定性、以及灵活的可扩展功能、强大透明和对复杂环境及处理要求的适应性，为水厂的少人值守管理模式，提供了良好的技术支持。目前该系统正在调试中，预计年底正式投运，投运后，该厂将能承接相关企业委托的污水处理业务。从而获得可观的经济效益，更重要的是：根治了污水对城市的污染问题，将取得显著的社会效益。通过江南水厂污水处理自动控制系统项目的实施，我们认为，施耐德电气公司的UNITY系列产品以其卓越的品质和性能可以为水处理行业提供一个完整的、全面的解决方案：即构造一个基于技术支撑的，由软、硬件组成的系统。从底层的智能变送器到控制层的PLC和作为工厂神经中枢的控制网络及现场总线系统，以及辅助操作员进行数据采集、处理和分析的软件与终端，可以充分满足水处理自动化领域用户对系统数据采集、组态和控制的需求。
参考文献：
1．施耐德UNITY PLC 用户手册
2．水工艺与工程 化学工业出版社 2003年
本文关键字：施耐德 江南 施耐德plc应用，plc技术 - plc应用 - 施耐德plc应用
