1、基于西门子工业以太网的污水处理控制系统研究摘要：本文介绍了西门子工业以太网在污水处理控制系统中的应用。利用工业以太网能够实现污水处理厂整个系统中现场设备的集中控制、监控和数据采集，能够节约运行成本，实现企业综合自动化管理。 Abstract: This paper introduces the Siemens Industrial Ethernet in the sewage treatment control system. The use of Industrial Ethernet realizes centralized control of the entire system of
2、sewage treatment plant field devices, monitoring and data acquisition, saves running cost, and achieve enterprise integrated automation management. 关键词：工业以太网；网络配置；硬件系统；污水处理 Keywords: Industrial Ethernet; network configuration; hardware system; sewage treatment 中图分类号：TN711 文献标识码：A 文章编号： 水是人类生存、生活的重要物
3、质。随着工业不断发展与人口不断增加，造成水资源的污染和短缺。近年来，工业以太网在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息集成中广泛应用，可以极大的提高地域跨度大、设备部署相对分散的污水处理行业的经济效益，进而提升其社会效益。 1、污水处理工艺 城市污水处理系统由格栅、沉砂池、初沉池、二沉池、曝气池、污泥浓缩池、污泥消化池、消毒间等组成。首先采用物理法对污水进行 1级处理，去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质。1 级处理主要包括粗格栅、细格栅、沉砂池。1 级处理完成后进入 2 级处理过程。该过程一般采用生物处理法，利用活性污泥法或生物膜法使污水中的有机物被微生物吸收或分解氧化为无机物，污
4、水得到进一步净化。2 级处理主要包括生物滤池、曝气池和二沉池。二沉池的出水经过消毒排放进入 3 级处理，常用的工艺有混凝沉淀和过滤。污泥处理主要包括浓缩、消化、脱水、堆肥或卫生填埋。 2、基于工业以太网的污水处理控制系统的设计要遵循以下两条设计原则： 与污水处理工艺紧密结合起来，满足该污水处理厂运行管理和安全监控的需求，提高运行效率，降低运行成本。对污水处理厂的各系统工艺流程的现场设备运行状况、故障报警等信息能够实时监控。控制系统的设计备有适当的余量，便于系统的维护和升级，有利于污水处理新工艺、新设备的顺利应用。控制系统为主系统与子系统相互结合，便于调试和维护。 3、控制系统的结构设计 本文所
5、涉及的工业控制系统，现场设备数量众多、部署地域分散、使用工况复杂，各工艺单元的功能相对独立。针对这种现状，采用中控室控制模式来建立自动化工业控制系统。中控室对全厂的工艺流程信息进行监控，并发出控制命令，利用现场的控制单元，分散地控制现场设备，使各工艺单元独立的、安全的、自动的运行。 设计需要考虑系统的建设成本以及网络的兼容性和可扩展性等因素，所以采用工业以太网作为过程监控层的通信方式。而在现场设备层，则根据现场设备的实际情况，采用各种接入方式将现场设备接入工业以太网，利用工业交换机和分布式 I/O 端口实现与现场设备间通信。该设计可以实现上位机、PLC 和工业以太网所组成的分布式工业监控系统。
6、 4、控制系统网络配置 污水处理厂监控层网络主要用于过程监控、优化、调度等方面信息的传输。其信息传输的特点是具有一定的周期性和实时性，数据吞吐量较大。因此，要求网络具有较大的带宽。现场设备层网络处于工厂综合自动化系统的最底层，用于连接工业现场变送器、执行机构、远程IO、数据采集器等现场设备。本系统采用以太网和现场总线混合型结构。现场层采取现场总线控制，管理层、监控层、现场层之间通过工业以太网相联。现场层的通讯采用 PROFIBUS-DP 主从协议，使用屏蔽双绞线作为传输介质，不同的子网和不同介质之间通过耦合器或接口模块连接。其他层使用以太网协议，通过通讯处理模块进行通讯协议的转换。因此，本系统
7、中 PLC 既是现场总线中的一个站，又是以太网上的一个站点。控制系统网络配置简图，见图 1。 图 1 控制系统网络配置简图 4.1 现场总线配置 以 PLC 作为主动站，控制电机的变频器以及工艺中应用的智能传感器和外围远程 IO 设备作为从动站。本系统所选用西门子 S7-300 系列PLC，型号为 CPU315-2DP。其 CPU 本身集成了 PROFIBUS-DP 总线的端口，可直接接入现场总线网络。 污水处理系统中控制电机的变频器及测量设备，如 DO 仪、温度计、pH 计、液位计等在接入 PROFIBUS 网络时，除智能型可直接接入外，其他需接入远程 IO 后再通过 ET200 接入网络，
8、利用 STEP 7 软件对硬件进行组态。 4.2 工业以太网配置 西门子 S7-300 系列 PLC 接入以太网时，配置了 CP343-1 通讯模块，它具有独立处理经过工业以太网的数据业务。通过配置统一的网络地址，利用交换机实现工业以太网的接入。 4.3 数据采集和控制模块 采用西门子的 S7-300 系列输入输出模块。 (1)数字量输入（Digital Input，DI)模块 将现场设备传输过来的数字信号电平转换成 PLC 内部信号电平。现场的控制柜设计考虑到交、直流不能混用的情况，所有的数字量输入模块都采用西门子 SM321 的 16 点直流输入。 (2)数字量输出（Digital Out
9、put，DO)模块 将 PLC 内部信号电平转换为控制现场设备开启或停止的外部信号电平。可以作为小型带载继电器，直接驱动接触器、指示灯及小型电动机等。根据现场的实际情况，釆用西门子 SM322 的 16 点继电器直流输出模块。 (3)模拟量输入（Analogy Input, AI)模块 模拟量传感器测得的物理信号，经过变送器转变为电信号传入 PLC的模拟输入端口。这些物理信号一般包括：温度、液位、流量、压力等。通过 A/D 转换部件，将其转换为 PLC 内部可以使用的数据，为系统控制提供方便。依据现场的实际情况，采用西门子 SM331 (16X12bit，16 路12 位）模拟量输入模块。 4
10、.4 通信模块 在西门子 S7-300 系列所釆用的工业以太网模块为 CP 343-1 通信处理器。通过它可以将 P L C 接入工业以太网。交换机在元器件的选用中采用了工业级，与商业级的交换机相比，它具有良好的抗干扰性，具有防潮、防雷、防静电、防干扰、防震、防尘等功能，防护等级高。因此，在恶劣环境下具有商业级芯片或元器件所不具备的高可靠性。 结语：在污水处理控制系统中采用西门子工业以太网控制系统，既可以简化各种现场总线间的连接，又可以少使用相关的网关设备连接现场总线和管理层以太网，对办公自动化网络访问工业自动化网络的提供了新途径。 参考文献 1 曾云.工业以太网的系统设计与应用研究D. 武汉大学 2005 2 李迎梅.基于工业控制网络的水处理监控系统设计与实现D. 武汉理工大学 2006 3 程小劲.工业以太网及其在污水处理行业的应用研究D. 江苏大学 2005
