|
1 引言 隨著(zhù)我國經(jīng)濟發(fā)展和城鎮化進(jìn)程的加快，中小城市污水量呈現逐年增加趨勢，為減少污水收集管網(wǎng)的工程建設投資，中小城市污水處理設施呈現分散、規模小等特點(diǎn)。受經(jīng)濟發(fā)展水平、處理要求、運營(yíng)管理經(jīng)驗和水平等影響，大型污水處理控制系統難以適應這些中小污水處理工程的建設要求，尋找適合城市中、小污水廠(chǎng)的污水處理控制系統顯得十分重要。本文介紹西門(mén)子S7-300 PLC軟冗余系統在安徽無(wú)為縣城污水處理廠(chǎng)的成功應用，該系統既保證了系統的可靠性、穩定性和實(shí)時(shí)性，又降低了工程建設成本。 2 系統介紹 安徽無(wú)為縣城污水處理廠(chǎng)是一座由安徽現代污水處理有限公司按BOT方式(建設-運行-移交)籌資建設的的城市污水處理廠(chǎng)，處理規模一期40000m3／d，廠(chǎng)址位于無(wú)為縣城東北部陳家村西側，占地面積約3．34公頃。無(wú)為污水處理廠(chǎng)主要處理來(lái)自縣城東北區約13萬(wàn)人的生活污水及工業(yè)廢水，采用A／A／O工藝，主要構筑物包括粗格柵及進(jìn)水泵房、細格柵及旋流沉沙池、生物反應池、二沉池配水井及污泥泵房、二沉池、紫外線(xiàn)消毒渠和儲泥池等，其流程圖如圖1所示。設計要求出水水質(zhì)達到GBl8918-2002國家一級B排放標準，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至垃圾填埋場(chǎng)填埋。 無(wú)為污水處理廠(chǎng)控制系統設1個(gè)監控中心(中控室)、3個(gè)現場(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)運行。關(guān)鍵控制對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，達到去除原污水中污染物的目的。 3 選型比較 對于變配電間站控制系統的選型，以前類(lèi)似工程大多采用A-B公司的ControlLogix系列或是西門(mén)子S7-400系列的硬件冗余系統，具有穩定性好、切換速度快等優(yōu)點(diǎn)，但造價(jià)相對昂貴，是國內大型污水處理控制系統的優(yōu)先選擇。目前中小城市的污水項目很多為BOT項目且對控制系統切換時(shí)間要求條件不是太高，所以要求控制系統選型時(shí)既要保證性能，又要降低成本。據德國西門(mén)子公司提供的資料，硬件雙機冗余系統的價(jià)格比軟冗余系統高40％左右，但可用率只提高O．08％。在國外大部分同等規模的污水處理廠(chǎng)中也未采用雙機硬件冗余系統，所以需要對控制系統的技術(shù)有更深入的了解，避免在設計選型上照抄、照搬。通過(guò)對西門(mén)子硬件冗余和軟件冗余系統的深入分析和性能比較，最后決定選用價(jià)格相對便宜而性能又比較穩定的軟冗余系統。 4 軟冗余系統結構和原理 控制系統冗余常見(jiàn)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)投入運行從而接管控制。在控制權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，除成對的使用中央處理器外，還需專(zhuān)用的熱備模塊負責檢測處理器，一旦發(fā)現主處理器失效，馬上將系統控制權交給備用處理器。硬件冗余采用光纖通訊，通訊速度快，系統穩定，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，構成十分靈活，但程序處理需要一定的時(shí)間，對于時(shí)鐘同步及切換時(shí)間要求不是十分嚴格的場(chǎng)合，選用軟件冗余方式是非常經(jīng)濟有效的。 4.1 系統結構 軟冗余系統的基本結構如圖2所示。 西門(mén)子S7-300 PLC軟冗余系統由A和B兩套PLC控制站組成。開(kāi)始時(shí)A站為主，B站為備用，當主站A中的任何一個(gè)組件出錯，控制任務(wù)會(huì )自動(dòng)切換到備用站B當中執行，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IMl53接口模塊的整體切換。系統運行過(guò)程中，即使沒(méi)有任何組件出錯，操作人員也可以通過(guò)設定控制字，實(shí)現手動(dòng)的主備系統切換。這種手動(dòng)切換功能對控制系統的軟硬件調整、更換和擴容非常有用的。 4.2 系統工作原理 在軟冗余系統進(jìn)行工作時(shí)，A，B控制站(處理器，通訊、I／O)獨立運行，由主站的PLC掌握對ET200從站中的I／O控制權。A，B站中的PLC程序由非冗余(non-duplicated)用戶(hù)程序段和冗余(redundant back-up)用戶(hù)程序段組成，主系統PLC執行全部的用戶(hù)程序，備用系統PLC只執行非冗余用戶(hù)程序段，而跳過(guò)冗余用戶(hù)程序段。軟冗余系統中PLC內部程序運行過(guò)程如圖3所示。 在主控制站發(fā)生故障時(shí)，主備控制站的切換時(shí)間=故障診斷檢測時(shí)間+同步數據傳輸時(shí)間+DP從站切換時(shí)間。如果CPU的故障是停機或斷電，故障診斷為大約100～1 000 ms。數據同步所需時(shí)間取決于同步數據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1000B的數據所需時(shí)間大約為200～300 ms。還有2個(gè)DP從站的切換時(shí)間在70 ms左右。無(wú)論控制程序循環(huán)掃描到哪里，當前激活的系統(即主系統)隨時(shí)都會(huì )接收并處理報警，但在主系統A與備用系統B進(jìn)行切換過(guò)程中產(chǎn)生的報警存在被丟失的可能。 5 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本體與遠程I／O通訊為PROFIBUS協(xié)議的串口通訊，PLC與計算機采用工業(yè)以太網(wǎng)，并以工業(yè)以太網(wǎng)作為冗余網(wǎng)絡(luò )。其PLC模塊選型如下： (1)電源模塊6ES7307-1EA00-OAA0兩塊給CPU供電； (2)中央處理器CPU315-2DP 6ES7315-2AGl00AB0兩塊，工作存儲器512 KB； (3)通訊模塊6GK7343-1EX20-0XE0兩塊與計算機進(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6ES7153-2AA02-0XBO兩塊進(jìn)行PROFIBUS遠程I／O和系統間的冗余通訊； (5)電源模塊6EPl333-2AA00兩塊給ET200供電； (6)DI數字量輸入模塊6ES7321-1BL00-0AA0六塊采集現場(chǎng)設備的開(kāi)停、運行及故障狀態(tài)； (7)DO數字量輸出模塊6ES7322-1BL00-0AA0三塊控制現場(chǎng)設備的啟停； (8)AI模擬量輸入模塊6ES733l-7KF02-0ABO四塊采集現場(chǎng)的液位、壓力、流量、PH／T、濁度以及風(fēng)機和加藥泵的頻率信號； (9)A0模擬量輸出模塊6ES7332-5HFOO-OABO兩塊通過(guò)程序的PID自動(dòng)控制調節風(fēng)機和加藥裝置的頻率。 6 系統檢測結果 變配電間站S7-300軟冗余系統投入運行后系統工作正常。在工程調試時(shí)，技術(shù)人員通過(guò)設定控制字實(shí)現手動(dòng)的主備系統切換。測試時(shí)沒(méi)有出現主從系統切換時(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(kāi)、模擬量輸出控制變頻器轉速不會(huì )丟失等。還有測試時(shí)PROFIBUS總線(xiàn)傳輸正常，沒(méi)有掉落模塊的情況出現。這表明西門(mén)子S7-300軟冗余系統應用于對主備系統切換時(shí)間要求不高的中小型污水處理控制系統中是完全可行的。 7 結語(yǔ) 該系統于2006年9月投入使用，運行順利，用戶(hù)對選擇軟冗余系統非常滿(mǎn)意。目前本系統已經(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中，用戶(hù)反映非常良好。通過(guò)上述項目，證實(shí)PLC軟冗余系統完全可以滿(mǎn)足中小型污水處理控制系統的技術(shù)要求，基本實(shí)現無(wú)憂(yōu)切換。PLC軟冗余系統在生產(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廣泛推廣到其他行業(yè)應用提供了一定的參考價(jià)值。 |
