PLC軟冗余系統(tǒng)在城市污水處理工程中的應(yīng)用

引言
    隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，中小城市污水量呈現(xiàn)逐年增加趨勢(shì)，為減少污水收集管網(wǎng)的工程建設(shè)投資，中小城市污水處理設(shè)施呈現(xiàn)分散、規(guī)模小等特點(diǎn)。受經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、處理要求、運(yùn)營管理經(jīng)驗(yàn)和水平等影響，大型污水處理控制系統(tǒng)難以適應(yīng)這些中小污水處理工程的建設(shè)要求，尋找適合城市中、小污水廠的污水處理控制系統(tǒng)顯得十分重要。本文介紹西門子S7-300 PLC軟冗余系統(tǒng)在安徽無為縣城污水處理廠的成功應(yīng)用，該系統(tǒng)既保證了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，又降低了工程建設(shè)成本。

1 系統(tǒng)介紹
    安徽無為縣城污水處理廠是一座由安徽現(xiàn)代污水處理有限公司按BOT方式(建設(shè)-運(yùn)行-移交)籌資建設(shè)的的城市污水處理廠，處理規(guī)模一期40000m3／d，廠址位于無為縣城東北部陳家村西側(cè)，占地面積約3．34公頃。無為污水處理廠主要處理來自縣城東北區(qū)約13萬人的生活污水及工業(yè)廢水，采用A／A／O工藝，主要構(gòu)筑物包括粗格柵及進(jìn)水泵房、細(xì)格柵及旋流沉沙池、生物反應(yīng)池、二沉池配水井及污泥泵房、二沉池、紫外線消毒渠和儲(chǔ)泥池等，其流程圖如圖1所示。設(shè)計(jì)要求出水水質(zhì)達(dá)到GBl8918-2002國家一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)，污水處理過程中產(chǎn)生的污泥采用濃縮脫水處理后外運(yùn)至垃圾填埋場填埋。

    無為污水處理廠控制系統(tǒng)設(shè)1個(gè)監(jiān)控中心(中控室)、3個(gè)現(xiàn)場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(yùn)行。關(guān)鍵控制對(duì)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(dá)到去除原污水中污染物的目的。

2 選型比較
    對(duì)于變配電間站控制系統(tǒng)的選型，以前類似工程大多采用A-B公司的ControlLogix系列或是西門子S7-400系列的硬件冗余系統(tǒng)，具有穩(wěn)定性好、切換速度快等優(yōu)點(diǎn)，但造價(jià)相對(duì)昂貴，是國內(nèi)大型污水處理控制系統(tǒng)的優(yōu)先選擇。目前中小城市的污水項(xiàng)目很多為BOT項(xiàng)目且對(duì)控制系統(tǒng)切換時(shí)間要求條件不是太高，所以要求控制系統(tǒng)選型時(shí)既要保證性能，又要降低成本。據(jù)德國西門子公司提供的資料，硬件雙機(jī)冗余系統(tǒng)的價(jià)格比軟冗余系統(tǒng)高40％左右，但可用率只提高O．08％。在國外大部分同等規(guī)模的污水處理廠中也未采用雙機(jī)硬件冗余系統(tǒng)，所以需要對(duì)控制系統(tǒng)的技術(shù)有更深入的了解，避免在設(shè)計(jì)選型上照抄、照搬。通過對(duì)西門子硬件冗余和軟件冗余系統(tǒng)的深入分析和性能比較，最后決定選用價(jià)格相對(duì)便宜而性能又比較穩(wěn)定的軟冗余系統(tǒng)。

3 軟冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理
    控制系統(tǒng)冗余常見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(yùn)行從而接管控制。在控制權(quán)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(duì)的使用中央處理器外，還需專用的熱備模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)處理器，一旦發(fā)現(xiàn)主處理器失效，馬上將系統(tǒng)控制權(quán)交給備用處理器。硬件冗余采用光纖通訊，通訊速度快，系統(tǒng)穩(wěn)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(duì)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(jì)，構(gòu)成十分靈活，但程序處理需要一定的時(shí)間，對(duì)于時(shí)鐘同步及切換時(shí)間要求不是十分嚴(yán)格的場合，選用軟件冗余方式是非常經(jīng)濟(jì)有效的。
3．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    軟冗余系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    西門子S7-300 PLC軟冗余系統(tǒng)由A和B兩套PLC控制站組成。開始時(shí)A站為主，B站為備用，當(dāng)主站A中的任何一個(gè)組件出錯(cuò)，控制任務(wù)會(huì)自動(dòng)切換到備用站B當(dāng)中執(zhí)行，這時(shí)，B站為主，A站為備用，這種切換過程是包括電源、CPU、通訊電纜和IMl53接口模塊的整體切換。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，即使沒有任何組件出錯(cuò)，操作人員也可以通過設(shè)定控制字，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)的主備系統(tǒng)切換。這種手動(dòng)切換功能對(duì)控制系統(tǒng)的軟硬件調(diào)整、更換和擴(kuò)容非常有用的。
3．2 系統(tǒng)工作原理
    在軟冗余系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí)，A，B控制站(處理器，通訊、I／O)獨(dú)立運(yùn)行，由主站的PLC掌握對(duì)ET200從站中的I／O控制權(quán)。A，B站中的PLC程序由非冗余(non-duplicated)用戶程序段和冗余(redundant back-up)用戶程序段組成，主系統(tǒng)PLC執(zhí)行全部的用戶程序，備用系統(tǒng)PLC只執(zhí)行非冗余用戶程序段，而跳過冗余用戶程序段。軟冗余系統(tǒng)中PLC內(nèi)部程序運(yùn)行過程如圖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(cè)時(shí)間+同步數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間+DP從站切換時(shí)間。如果CPU的故障是停機(jī)或斷電，故障診斷為大約100～1 000 ms。數(shù)據(jù)同步所需時(shí)間取決于同步數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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。無論控制程序循環(huán)掃描到哪里，當(dāng)前激活的系統(tǒng)(即主系統(tǒng))隨時(shí)都會(huì)接收并處理報(bào)警，但在主系統(tǒng)A與備用系統(tǒng)B進(jìn)行切換過程中產(chǎn)生的報(bào)警存在被丟失的可能。

4 硬件選型
    無為縣城污水處理工程變配電間站軟冗余系統(tǒng)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(yuǎn)程I／O通訊為PROFIBUS協(xié)議的串口通訊，PLC與計(jì)算機(jī)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(chǔ)器512 KB；
    (3)通訊模塊6GK7343-1EX20-0XE0兩塊與計(jì)算機(jī)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(yuǎn)程I／O和系統(tǒng)間的冗余通訊；
    (5)電源模塊6EPl333-2AA00兩塊給ET200供電；
    (6)DI數(shù)字量輸入模塊6ES7321-1BL00-0AA0六塊采集現(xiàn)場設(shè)備的開停、運(yùn)行及故障狀態(tài)；
    (7)DO數(shù)字量輸出模塊6ES7322-1BL00-0AA0三塊控制現(xiàn)場設(shè)備的啟停；
    (8)AI模擬量輸入模塊6ES733l-7KF02-0ABO四塊采集現(xiàn)場的液位、壓力、流量、PH／T、濁度以及風(fēng)機(jī)和加藥泵的頻率信號(hào)；
    (9)A0模擬量輸出模塊6ES7332-5HFOO-OABO兩塊通過程序的PID自動(dòng)控制調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)和加藥裝置的頻率。

5 系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果
    變配電間站S7-300軟冗余系統(tǒng)投入運(yùn)行后系統(tǒng)工作正常。在工程調(diào)試時(shí)，技術(shù)人員通過設(shè)定控制字實(shí)現(xiàn)手動(dòng)的主備系統(tǒng)切換。測(cè)試時(shí)沒有出現(xiàn)主從系統(tǒng)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、模擬量輸出控制變頻器轉(zhuǎn)速不會(huì)丟失等。還有測(cè)試時(shí)PROFIBUS總線傳輸正常，沒有掉落模塊的情況出現(xiàn)。這表明西門子S7-300軟冗余系統(tǒng)應(yīng)用于對(duì)主備系統(tǒng)切換時(shí)間要求不高的中小型污水處理控制系統(tǒng)中是完全可行的。

6 結(jié)語
    該系統(tǒng)于2006年9月投入使用，運(yùn)行順利，用戶對(duì)選擇軟冗余系統(tǒng)非常滿意。目前本系統(tǒng)已經(jīng)成功推廣到安徽阜陽、安慶、淮南和宿州等地的污水處理系統(tǒng)中，用戶反映非常良好。通過上述項(xiàng)目，證實(shí)PLC軟冗余系統(tǒng)完全可以滿足中小型污水處理控制系統(tǒng)的技術(shù)要求，基本實(shí)現(xiàn)無憂切換。PLC軟冗余系統(tǒng)在生產(chǎn)中的實(shí)際使用，為企業(yè)帶來了效益，相信也為這種冗余系統(tǒng)廣泛推廣到其他行業(yè)應(yīng)用提供了一定的參考價(jià)值。