三亚西门子中国授权代理商交换机供应商

三亚西门子中国授权代理商交换机供应商

我国水泥工业和其他流程工业一样，未来的十年将面临着市场和能源；清洁生产和环境保护；和规范；负责和协调的挑战。节能、环保、、是每一水泥集团要面对的课题，而自动化技术和这四大目标又是紧密相连，本文将就当今自动化领域内和水泥行业有关的新发展趋势做一简述，以便为我国水泥工业发展，搭建为广阔的交流和沟通的平台。

一． 信息技术推动自动化
以信息技术改造水泥行业，以信息化推进自动化，自动化再促使节能、环保、、四大目标的实现，已成为业界的共识。在当今自动化领域内，从工艺现场层到工厂（集团）管理层可经由以太网，基本实现信息的畅通无缝流通，所谓的“现代集成生产工艺”是将信息技术、网络技术和现代新工艺相结合，并应用于企业产品生命周期的各个阶段，通过信息的无缝集成、过程优化和资源优化，实现物流、信息流、流的集成，以缩短企业新产品的开发周期（T）、提高质量（Q）、降（C）、改进服务（S）和改善环境（E），从而提升企业的市场的应变能力和竞争能力，与此想适应开发出一系列管理层软件，如ERP、MRP、MIS、PES等，并越来越显示其的经济效益。

国内一些大水泥集团在当前竞争不断加剧的压力下，也紧跟这股信息化的潮流，推进自动化的发展，如国内某水泥集团近几年来，在新建的水泥生产线做自动化控制系统配置时，在现场级和过程控制级（PCS）的上端，还增加了制造执行系统（MES ）层，并正在策划和运作ERP，即企业资源规划和管理层，它包括有生产管理系统、质量控制系统、采购管理系统、仓库管理系统、销售子系统、设备管理系统、财务管理系统、办公自动化管理系统和综合管理子系统等。在水泥市场供大于求，竞争激烈的形势下，由于该集团初步实现了MES的运营，集团化管理的控制力和执行力明显提高，精细化运行方式使得物流成本和原材料成本得到控制，实现了综合效益的大幅增长，净利润比去年同期增加了12.76%。笔者认为该集团的MES运营还是初期的，要把生产调度和企业的决策统一成为真正的企业管理级（ERP）还需要进一步开发。

现今计算机技术、网络技术和的控制技术相结合，已不再停留在理论和实验阶段如模型预测、神经元和神经网络、模糊控制、多变量控制。自适应和自寻优等控制算法已进入实践并用于DCS、PLC等控制器中，而且这种趋势在加快。在水泥工业用于窑和磨的模糊控制、多变量控制以及系统早在上世纪就有应用，但这些大多是由水泥设备供应商自行开发的如FLS、KHD等，他们提供的仅是立的软件，和系统几乎没有任何联系。而现在是控制系统的供应商已将控制算法用于DCS和PLC等控制器中，如Siemens公司专门为水泥工业开发的CEMAT集成化标准软件，它具有水泥工厂过程控制优化的功能块，还包括窑的煅烧和磨的负荷优化控制，该软件包并集成于Siemens公司的过程控制系统PCS7中；ABB公司的Optimize IT优化则集成于Industry IT中，它通过集成大量已验证的控制技术及广泛的知识库，如模糊逻辑、控制模型、神经元和模糊控制等，来对水泥生产过程进行控制及实施优化决策管理。

IT技术与自动化结合另一热点是公共数据库、局域网、互联网、无线技术等渗透控制系统使控制系统扁平化，实现了跨平台，跨地区的控制。西门子公司全集成自动化TIA的自动化新理念，Schneider公司推出的“协同自动化Collaborate Automation”，“Transparent Ready”,“Unity 自动化平台”新概念；以及Rockwell提出的全集成的EtherNet/IP等，这些自动化新理念使得自动化控制系统完整，也。

二． 自动化技术的互补与渗透
DCS，PLC，IPC是自动控制领域的三大支柱，它们之间竞争激烈，但又取长补短和相互渗透，相互融合，因而形成了具有混合控制策略的PLC/DCS混合系统HCS，某咨询集团把其称之为PAC。水泥行业作为较典型的流程工业决定了其开关量逻辑控制的主导地位，同时模拟量的处理多为简单的显示和给定，控制回路基本上为并不复杂的单回路调节，这些特点适合于HCS的应用。目前市场以PLC为主导地位的Siemens、Schneider、Rockwell等公司纷纷推出的具有混合控制策略的PLC/DCS混合系统HCS，如Siemens的PCS7, ABB的AC800F，800M, Schneider的Modicon Quantum, Rockwell的ControlLogix等，已作为主导产品在水泥行业推广，并已不俗的业绩。

混合系统HCS的主要特点是：构建一个公共的、集成的开发环境，提供通用开发平台、共用标签和单一数据库，以满足多领域自动化系统设计和集成的需要；

同时它采用了可自由组合的模块化的硬件架构，减少系统升级带来的开销。它支持IEC61158等现场总线标准以实现高度分散的自动化环境，也支持事实上的工业以太网标准，可方便地和上一级的ERP、MIS、MES集成。有些水泥厂控制系统采用了Siemens的PCS7，就感到比西门子公司原有的PLC和step7的系统前进了一大步，主要就是开发环境的完善，并能方便实现集团的MIS和MES集成，这对于做系统工程的设计院和系统集成商是至关重要的。

三. 自动化系统注重功能和信息
生产越来越引起人们的关注，人的生命一切，已成为衡量现代工业的重要指标，对于事故多发的我国，意义为重要。自动化控制系统主要考虑的有：电气、防爆、信息和功能。信息是指由于信息泄密、入侵等系统的性；功能是指控制系统所执行的功能失效引起的可能危险。目前已相继出台的标准有IEC61508—电气/电子/可编程电子相关系统的功能标准，IEC61511—关于过程工业领域仪表系统的功能标准，一般以整体等级SIL来评估风险程度，共有4级，等级SIL越高，风险就越低。

水泥行业已大多采用新型水泥干法工艺，它是连续性很强的工艺过程，并已实现了计算机系统的顺序和连锁控制，笔者认为新型干法工艺其等级是较高的。要进一步提高整体等级增强故障诊断环节；人机操作界面要便于故障的监测；对生产规模越大的生产线，如日产万吨熟料的生产线系统配置要提高冗余度，另外信息也高度关注，要特别增强煤磨车间的防爆等级，对于设置低温余热发电的企业，整体等级SIL要一般企业。

在自动化领域内现今纷纷出台了相应的标准产品，如Siemens的故障容错S7F/FH系统，Rockwell的Gruard PLC等，有的公司则配置的模块和相应的组态软件，并由被动的维护、诊断发展到预防性措施，与此相适应还出台了许多协议，如PROFIsafe、CIPsafety等。

四. 控制系统由集中向分散化发展

智能化分布式I/O是将某一部分I/O组成一个有自治能力的节点，其本身带有处理器，立完成某一部分的控制。由于组合在一个框架内，它可直接安装在现场，甚至空间十分有限的地方，但它同时又可链接到计算机，从而将控制系统从传统的三层结构简化为二层结构。许多的PLC厂商大都推出了分布式I/O，如Siemens的ET200系列，Rockwell的Flex ArmorI/O, Wago的WAGO-SPEED WAY 767等高速智能I/O。
智能化分布式I/O将使水泥生产线的系统配置可趋扁平化，原设置的远程I/O场合，如矿山、预配料站等可用智能化分布式I/O替代，以节省I/O安装电缆和控制系统整体的开销。

五. 无线通讯技术进一步渗透控制领域
无线通讯技术作为有线控制系统的，正方兴未艾地用于工业自动化系统中，也是工业自动化产品一个新增长点，运行于2.4GHz 1SM波段的跳频扩频（FHSS）无线传输技术具有优良的抗干扰性和高性，无线局域网和无线网状网络扩大了无线传输的覆盖范围。无线通讯的数据性是人们所关心的，但可以通过加密码和加密密码等一系列措施来确保数据的传输。据悉HART基金会将在近期推出HART无线通讯新协议。

无线通讯技术现在汽车、石化、水处理等行业有较多应用，在水泥行业，有的大集团局部辅助流程也采用了无线技术，如冀东水泥集团在循环水泵站已采用了无线控制，浙江有些水泥厂采用无线控制装卸散装水泥船等，考虑到有些水泥厂占有的物理空间很大，有些工艺测量的位置难于安装，而有些工艺测量点环境十分恶劣，用传统的硬连线安装器件成本又过高，如果改用无线通讯能够节约能源，减少配线和维护费用。

在无线通讯领域内有许多供应商，如Siemens的SCALANCE W，它是无线局域网产品系列，可用于移动设备之间的通讯，也可实现移动设备与固定网络之间的通讯；菲尼克斯公司（Phoenix）的产品采用无线通讯技术有蓝牙，局域网和
Trusted wireless(信托无线)等，也有许多中国公司在开发相应的产品。

六. 人机界面趋人性化
人机界面已全系列化，包括手持式、面板式、台式和PC机式。今后的人机界面已不仅仅局限于SA以及编程、监控和诊断等，在工业自动化领域，人机界面可以为操作和管理人员越来越多的信息，功能强大的模块化软件和多客户机/服务器结构，使人机界面成为企业实时生产信息以及商务垂直集成的统一的软件平台，它也是连通到外部世界的媒介。通过驱动器或OPC来驱动各种I/O模块，总之人机界面已演变为一个完整的系统。某水泥集团MES的运营，集团化管理的控制主要依靠是多种人机界面，通过OPC实现了集团内各个水泥生产线之间的信息交换，也实现了主控系统和各子控制系统的互连，如生料质量控制系统等。
七. 变频器性能加扩展

变频器的应用领域已从常规的风机、泵类等拓展到输送、喂料机械等，在行业应用面上也越来越广，因而其功能也进一步提升并多样化，一方面是全数字化、功能齐全、能够补偿负荷变化的自适应、调谐技术，特别是分布式具有通信、联网功能和集成PLC的变频器。另一方面是简易或的变频器以及机电一体化的变频器。就开展控制技术而言，DTC直接转矩控制、无传感器矢量控制是发展方向。目前速度响应约为2ms，电流响应能达到 0.1到0.5ms。速度调节的发展趋势是提高速度的控制精度，一般在闭环时，对应于全范围，调速比为1:100或高时，速度控制精度高达0.05%。另外变频器性能在低速时的过载能力，稳定的、四象限运行能力以及一机驱动多台电机的负荷平衡等方面也有所增强。
在水泥行业为实施节能降耗，在风机、泵类、输送设备、喂料机械等已广泛应用，如何在低速时经受较大的过载转矩，提高中压变频器的性价比是对制造商提出的课题。Siemens公司推出罗宾康中压变频器作为中压变频器的方案将有助于性价比的提高。

除上述领域外，在自动化界特别引起关注的，还有射频识别技术（RFID）的突起，它促使机器视觉及其系统的发展；和视觉系统连在一体的是运动控制系统，它趋高度智能化，这对于有上百台驱动器的制造业，为提高生产效率，降低运行成本是为有利的。另一热点是工业以太网的突破性发展，使工业控制的三层网络能无缝连接，并能与IT世界相通。自动化技术的发展将使我们能尽快实现节能、环保、、这四大目标。

一、 现状分析
随着社会数字信息化进程的加快, 计算机机房的设备和规模也日趋扩大, 一旦机房环境和设备出现故障，就会影响计算机系统的运行，造成或存储故障，严重时会造成机房内计算机设备损坏，甚至使网络系统瘫痪，后果不堪设想。因此，为了保证计算机系统工作，对机房里面环境和设备进行自动监控，进行现代化管理尤显得十分重要。
机房环境及动力设备监控系统主要是对机房设备（如供配电系统、UPS电源、空调系统、消防系统、排风系统等）的运行状态、温度、湿度、空气质量、供电的电压、电流、频率、配电系统的开关状态、测漏系统等进行实时监控并记录历史数据及记录发送故障报警信息，为机房的管理和运营提供有力的保。
目前监控系统的技术的发展已经比较成熟，上有许多自主的机房监控系统，很多成功案例广泛应用于电力机房、电信机房、机房、银行机房、广电机房、机房、移动基站等领域。瑞士思博公司SAIA PCD 系列控制器有着强大的通信能力和良好的开放性，CPU的快速处理能力、易于使用的编程工具，优越的通用性，在机器设备制造工业、楼宇自控、基础设施建设（能源、交通运输、水处理）以及其他需要自动控制的工业领域，以其高的电子技术，计算机技术，控制技术，网络及通信技术和的品质赢得市场的认可和广大用户的信赖。
二、系统实现
北京IBM亦庄数据,我们选用了SAIA PCD2.M480控制器,监测、控制现场设备及末端传感器等。I/O点共73个，同时与6台精密空调、2台UPS、2台柴油发电机组、2台主电源配电柜、6台列头柜通过RS485接口,采用现场总线协议进行通信，另外通过RS232接口与手机短信报警器通信，后通过以太网进入计算机管理系统。我们选配了6块I/O模块，1块以太网通信模块，2块RS232/485通信模块，采用bbbbbbS 2000/XP操作系统，MCGS组态软件。
附:SAIA PCD2.M480控制器使用了新的CPU技术,嵌入了新一代COLDFIRE CF5407微控制器,集成了1MB RAM用户存储空间,可选1MB FLASH 卡用户备份存储器,同时集成USB,MPI,PGU通信接口,具有高速的处理运算能力,可扩展大1024 I/O点和8个通信接口,支持ETHERNET TCP/IP, PROFIBUS,S-BUS,MODBUS,
MPI,HTTP, FTP等多种通信协议,它是目前SAIA大的一款控制器,主要用于对时间要求非常严格,需要采用多处理器技术的应用系统中.
1、系统特点：
本系统可以实现供配电、UPS、柴油发电机、精密空调、消防、漏水、新风系统、温湿度检测等子系统的统一监控，并在这些子系统发生故障的时候向管理员报警。
（1）．监视所有设备的运行状态；
（2）．记录所有设备的运行参数；
（3）．设备参数异常时，及时报警并提供处理支持画面。报警方式包括：工作站 声报警、手机短信息报警。
（4）．系统参数和报警信息全部记入数据库，可供查询和事故追忆。
（5）．分类用户权限配置，用户权限分为999级；
（6）．报表及数据报表、报警报表、操作记录报表。
（7）．方便扩充。在机房增加、减少设备时，系统只作少量修改即可；
该系统具有保护、测量、计量和监视功能，由现场控制系统和上位工作站两部分组成。
2、控制原理：
由SAIA PCD构成的现场控制系统实现了对各智能设备或子系统的实时运行参数的采集与处理，主要包括：配电系统、UPS系统、柴油发电机系统、新风、空调系统、精密空调监控、机房温湿度监测、漏水系统、办公区照明控制、环境监控、排风系统及消防联动。
随着计算机技术的发展，相当一部分厂商的设备均为智能设备，可通过现场总线通信与其连接，读取数据，大大节约成本及调试时间。本系统中配电系统、UPS系统、柴油发电机系统、精密空调系统均由RS485现场总线协议通信实现数据采集。各系统说明如下：
（1）．配电系统
通过Modbus现场总线，对2台施耐得断路器和6台施耐得电力参数测量仪的工作状态进行监测。
检测配电柜断路器和多功能电表的电压、电流、频率、功率、功率因数等参数，并检测配电开关状态，故障及断开时发送手机报警短信。
（2）．UPS系统
通过Modbus现场总线，对2台UPS的工作状态进行监测。
监测UPS输入、输出电压、电流、频率等参数
监测UPS逆变器、整流器、等运行状态监测。
（3）．柴油发电机
通过Modbus现场总线，对 2台柴油发电机的工作状态进行监测。
监测柴油发电机的运行状态和故障报警。
监测其电压，电流、频率，功率等参数。
（4）．新风、空调系统
新风机组、空调机组运行状态
新风机组、空调机组开关机控制
（5）．精密空调系统
通过Modbus现场总线，对 6台精密空调的工作状态进行监测。
监测精密空调温度、湿度、设置设定温度、设定湿度等参数
精密空调运行状态，故障报警状态
精密空调开关机控制
（6）．机房温湿度
机房高温、低湿、高湿度监测，报警。
（7）．漏水系统
监测机房内精密空调和水管接头处的漏水状态和进行漏水报警。
（8）．办公区照明控制
对办公区的照明进行自动控制。如在下班后，节日可自动关灯。
(9)．环境监控
系统报警信号可直接发送到相关人员的手机上 。
(10)．排风系统
排风机可以通过时间表控制（定时排风），也可手动强制控制。
(11).消防联动
系统与消防系统联动，通过手机短信(SMS)发送消防预警信号，当火灾发生时，关闭新风、空调、排风系统。喷发结束后，可通过相应排风开关手动排风。

硬件滤波的优点在于我们在程序中不再需要进行复杂的程序处理，而且数据变化响应性高；而软件滤波的优势在于不需要硬件的投入，简化了电路设计，对于不同的信号干扰可以很方便的调整软件参数达到滤波效果，虽然有些方法在信号处理上会有一定的滞后，但只要合理使用各种不同的滤波方式则避免因此而带来的影响。
2.2 数字软件滤波优点
(1) 数字滤波用软件实现，不需要增加硬设备，因而性高、稳定性好，不存在阻抗匹配问题。
(2) 模拟滤波通常是各通道，而数字滤波则可多通道共享，从而降低了成本。
(3) 数字滤波可以对频率很低(如0.01 Hz)的信号进行滤波，而模拟滤波由于受电容容量的限制，频率不可能太低。
(4) 数字滤波可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。
3 实现软件滤波的方法
软件滤波有很多种方法，主要是针对不同干扰信号采取不同的方法将其，这里列举了一些方法并针对性说明有缺点，使大家可以正确选择采用的滤波方法。
3.1限幅滤波法
（1）方法。根据经验判断，确定两次采样允许的大偏差值（设为A），每次检测到新值时判断：如果本次值与上次值之差<=A,则本次值有效；如果本次值与上次值之差>A,则本次值无效,放弃本次值,用上次值代替本次值。
（2）优点。能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰。
（3）缺点。无法抑制周期性的干扰，平滑度较差。
（4）分析。限幅滤波法是比较简单易行的一种方法，难点在于需要由经验判断合理的偏差值，如果偏差值设小了，起不到滤波作用，设定过大，将不能及时采集外部信号的细小变化。
3.2中位值滤波法
（1）方法。连续采样N次（N取奇数），把N次采样值按大小排列，取中间值为本次有效值。
（2）优点。能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果
（3）缺点。对流量、速度等快速变化的参数不宜。
（4）分析。采样次数决定了滤波效果，次数越大，滤波作用越大，但不能对信号进行快速响应。
3.3算术平均滤波法
（1）方法。连续取N个采样值进行算术平均运算。N值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低；N值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高。N值的选取：流量，N=12；压力：N=4。
（2）优点。适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波，这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动。
（3）缺点。对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用，比较浪费RAM。
3.4递推平均滤波法
（1）方法。连续取N个采样值，作为一个队列，每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原来队的一次数据，把队列中的N个数据进行算术平均运算,就可获得新的滤波结果。N值的选取：流量，N=12；压力：N=4；液面，N=4～12；温度，N=1～4。
（2）优点。对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，适用于振荡的系统。
（3）缺点。灵敏度低，对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差，不易由于脉冲干扰所引起的采样值偏差，不适用于脉冲干扰比较严重的场合，比较浪费RAM。
3.5一阶滞后滤波法
（1）方法。取a=0～1，本次滤波结果=（1-a）*本次采样值+a*上次滤波结果。
（2）优点。对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于波动频率较高的场合。
（3）缺点。相位滞后，灵敏度低，滞后程度取决于a值大小，不能滤波频率采样频率的1/2的干扰信号。
3.6消抖滤波法
（1）方法。设置一个滤波计数器，将每次采样值与当前有效值比较：如果采样值＝当前有效值，则计数器清零；如果采样值<>当前有效值，则计数器+1，并判断计数器是否>=上限N(溢出)；如果计数器溢出,则将本次值替换当前有效值,并清计数器。
（2）优点。对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果,可避免在临界值附近控制器的反复开/关跳动或显示器上数值抖动。
（3）缺点。对于快速变化的参数不宜，如果在计数器溢出的那一次采样到的值恰好是干扰值,则会将干扰值当作有效值导入系统。
4 台达PLC软件滤波应用
上面简单描述了六种滤波的方法，实际上滤波的方法很多，而且针对不同的信号可以将两种或三种方法综合使用以满足信号处理的要求。
台达PLC的模拟量采集主要有模块和混合型主机两种。
4.1使用模拟量采集模块
台达模拟量模块分为两大类，-S和-H，分别配合SS/SA/SC主机和EH主机，如DVP04AD-S、DVP06XA-S、DVP04PT-S、DVP04TC-S为-S模块，DVP04AD-H、DVP06XA-H、DVP04PT-H、DVP04TC-H为-H为-H模块。无论哪一款模块，对应模块每个输入通道都有软件滤波功能，也就是模块内部控制寄存器中的平均次数设置（通道立），在此采用的是递推平均滤波法，设置的次数是上文中提到的采样N值，可以设置1～20，不同的滤波系数适应不同的信号，另外当输入有杂波造成配线受噪声干扰时还可以连接0.1～0.47 μF 25V做电容滤波，即硬件滤波

4.2 混合型主机
台达也提供集成模拟量的主机类型，主要有DVP20EX（8DI/6DO/4AI/2AO）和DVP10SX(4DI/2DO/2AI/2AO)，以及在EH主机上可以扩展F2AD卡作为模拟量采集，在PLC中有平均次数设置的内部特殊寄存器D1062，可以设置1～4作软件滤波，同样的采用的也是递推平均滤波法。
可以看出，台达PLC作为工业控制产品，在模拟量采集的处理上作了比较完善的软、硬件处理满足大多数应用场合，当然并不是说他能满足所有的信号处理，特别是混合型主机的平均次数比较少，因此可能在某些场合不能满足要求，在此基础上我们可以根据现场信号的不同特性在程序中作滤波处理。
4.3 基于台达PLC的一阶滞后滤波程序设计
下面是以燃煤热水锅炉系统的炉膛微负压为设计背景，用台达PLC编制的一个一阶滞后滤波程序案例，以此简单介绍滤波程序的编写方法。
案例采用氧化硅压力传感器测量，由于炉膛负压是一个较小的压力量，大概在正负几百帕之间，很容易受到外界影响（如鼓风机、引风机等），因此这是一个波动较大的采集量，如果直接使用采集值，波动将很大（可能是正负几十帕的波动），根本没有办法调节控制到正负20Pa，因此对采集值作处理，减小其周期性波动才能完成控制。
一阶滞后滤波算法公式：
滤波后输出值=（1-A）* 本次采样值 + A*上次滤波结果
其中A为滤波系数，范围是0～1
程序中各寄存器定义：
D0: 滤波系数A
D2: 1- A
D4: “（1-A）* 本次采样值”的运算结果
D6：“A*上次滤波结果”的存储寄存器
D50：上次滤波暂存值
D110: 采集值通过FLT指令转换为浮点数
D150：滤波后结果

1 引言

近年来在城市污水处理的工艺中，投资少、运行灵活的SBR处理工艺得到广泛的应用。SBR(Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process)序批式活性污泥工艺早在1904年就被开发，并了较好的效果,只是由于当时的自动化水平和设备制造工艺的限制，所以没有得到推广应用。而近年来随着自动化技术及在线监测技术的飞速发展，为SBR工艺的发展和应用提供了前提条件，因为对污水处理工艺进行自动化监测和实时控制是提高污水处理效率、降低处理能耗的关键，所以SBR工艺也是各种污水处理工艺中对自动化系统要求较高的一种工艺。SBR反应过程主要是在生物反应池内进行的，该工艺主要由进水、曝气、沉淀、排水和闲置等五个阶段组成。SBR工艺的处理效果主要取决于其运行参数，其中主要参数包括各反应段时间以及曝气强度。一般采用以PLC(培训)为的工艺过程自动监控系统，实时控制鼓风机、水泵、电动阀等设备及各反应段时间，使水质达到国家规定的排放标准。

由此可见，SBR污水处理工艺是一个多参量(如液位、流量、压力、生物指标等)、多任务(如污水输送、风量控制、水泵的启停等)、多设备(如格栅机、水泵、鼓风机、阀门等) 且具有随机性 、时变性和耦合性的复杂系统。因此，应由稳定的数据信息交换网络与综合管理系统来进行自动化的管理，使之地运行。


2 工业以太网PROFINET技术应用

所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、性、抗干扰性和本质等方面能满足工业现场的需要。

PROFINET是Process Field Net的缩写，它是PROFIBUS客户、生产商与系统集成联盟协会推出的在PROFIBUS与以太网间全开放的通信协议。PROFINET是一种基于实时工业以太网的自动化解决方案，它以一整套完整并可升级的方式，可以为PROFIBUS及其他各种现场总线网络提供以太网移植服务;PROFINET标准的开放性保证了其长远的兼容性与扩展性，从而可以保护用户的投资与利益。 PROFINET可以使工程与组态、试运行、操作和维护为便捷，并且能够与PROFIBUS以及其它现场总线网络实现无缝集成与连接。

这种跨越供应商的开放式标准建立在工业以太网基础之上，覆盖了工厂自动化的所有领域。依赖于现行的IT标准，并且无条件地支持TCP/IP协议，从而确保了公司范围内从办公区域到现场级的集成通讯。 它主要包含3方面的技术： ① 基于通用对象模型(COM)的分布式自动化系统； ② 规定了PROFIBUS和标准以太网之间的开放、透明通信； ③ 提供了一个包括设备层和系统层、立于制造商的系统模型。

PROFINET采用标准以太网作为连接介质，采用TCP/IP协议加上应用层的RPC／DCOM来完成节点之间的通信和网络寻址。它可以同时挂接传统PROFIBUS系统和新型的智能现场设备。现有的PROFIBUS网段可以通过一个代理设备(proxy)连接到PROFINET网络当中，使整套PROFIBUS设备和协议能够原封不动地在PROFINET中使用。传统的PROFIBUS设备可通过代理proxy与PROFINET上面的COM对象进行通信，并通过OLE自动化接口实现COM对象之间的调用。

与其他现场总线相比，工业以太网应用主要有以下特点：

1) 实时通信 采用以太网交换技术、全双工通信、流量控制等技术，以及确定性数据通信调度控制策略、简化通信栈软件层次、现场设备层网络微网段化等针对工业过程控制的通信实时性措施，提高了以太网通信的实时性。

2) 总线供电 采用直流电源耦合、电源冗余管理等技术，设计了能实现网络供电或总线供电的以太网集线器，解决了以太网总线的供电问题。

3) 远距离传输 采用网络分层、控制区域微网段化、网络小时滞中继以及光纤等技术实现了以太网的远距离传输。

4) 网络 采用控制区域微网段化，各控制区域通过具有网络隔离和过滤的现场控制器与系统主干相连，实现各控制区域与其他区域之间的逻辑上的网络隔离。

5) 性 采用分散结构化设计、EMC设计、冗余、自诊断等性设计技术等，提高基于以太网技术的现场设备性。

6) 一网到底 即它可以一直延伸到企业现场设备控制层，所以被人们普遍认为是未来控制网络的解决方案，工业以太网已成为现场总线中的主流技术。

工程实践证明，在组建企业工控网络时采用PROFINET通讯技术可以节省近15%的硬件投资。


3 控制系统组成及功能设计 现代化的污水处理系统需要实现管理与控制一体化，实现办公自动化。

控制系统不仅与下层控制设备有良好的接口，而且具有与上层管理系统集成的接口，同时具有可扩展性。所以本系统采用的工业以太网PRIFINET或现场总线PROFIBUS等技术，适应了当前的这种需求。为了加强系统的性，使整个系统能够长时间无故障地运行，上位监控系统还采用容错（冗余）技术。

3.1系统组成及特点 根据全集成自动化（Totally Integrated Automation）的思想，将污水厂 控制系统分为管理级、控制级、现场级。系统简图如下页图：

（1）管理级 管理级是系统的部分，完成对污水处理过程各部分的管理和控制 ，并实现厂级的办公自动化。管理级提供人机接口，是整个控制系统与外部信息交换的界面 。管理级的工业计算机具有相互通讯的功能，实现数据交换或共享。考虑到管理层功能结构的层次性和可分割性，采用客户/服务器（Client／Server）的体系结构。服务器选用大型的网络关系数据库，满足开放、分布式数据库管理方式的要求。服务器具有远程控制操作功能、状态显示功能、数据处理功能、报警功能、报表功能、通讯功能和冗余功能等。厂控制室中设备包括：两台安装Siemens公司WinCC监控组态软件的冗余服务器作为上位机 ，安装有WinCC组态软件的版以及冗余软件包，两台服务器互为备用，实现冗余，提高系统的性。装有WinCC运行版的PC机作为监控工程师操作站。这种配置的主要的优点是保证数据的完整性和监控操作的连续性。如果一个WinCC服务器出现故障，该服务器的客户机（工作站）自动从发生故障的服务器切换到备用的服务器上，使所有的客户机始终可以监控生产过程，修复后的服务器回到系统后，自动实现归档数据的匹配,管理级与控制级的数据交换均采用了工业以太网,真正体现了公司范围内从办公区域到现场级的集成通讯。

（2）控制级 控制级是实现系统功能的关键，也是管理级与现场级之间的枢纽层。 其主要功能是接受管理层设置的参数或命令，对污水处理生产过程进行控制，同时将现场状态输送到管理层。控制器是整个系统的，所以在控制级中，主要采用三套Siemens公司S7_300(CPU315_2PN/DP)型PLC(培训)组成,采用光纤和交换机构建成数据交换网络, CPU315_2PN/DP配有集成的PROFINET接口,通过该接口连接I/O现场设备,STEP7包含有所需的驱动,也可以延伸到低端PROFIBUS上的设备,而重新连接编程器.现场设备也能够使用额外集成的PROFIBUS接口进行连接,而且,PROFINET接口可以用于单元级的通讯.PRIFINET CPU 能够使用STEP7在工业以太网上通过编程器/PC进行编程.

（3）现场级 现场级是实现系统功能的基础。现场级主要由一次仪表（如液位计、DO 传感器等）、控制设备等组成。其功能主要是对系统设备的状态、传感器参数进行监测，并把监测到的数据上传；接受控制级的指令对执行机构进行控制。由于控制设备比较分散，在传统的工厂内，输入／输出设备连接到一个集中的机架，在设备改变和系统扩展时，导致接线工作量大，成本高，柔性度低。通过开放的、标准化的现场总线PROFIBUS系统来连接现场控制部件(一些控制设备可能是三方厂商提供)，是解决这些问题的方案。分布式配置意味着可编程序控制 、I/O模块和现场设备通过PROFIBUS_DP现场总线的信号电缆连接。将输入/输出模块转换成就地监测器和执行器，可就地转换和处理过程信号。从而保证了控制级与现场级控制设备的立和兼容 ，同时解决了与三方设备(撇水器、脱水机等)通讯问题,本系统的三方设备均使用了SIEMENS公司性价比较高的S7_200小型PLC(培训),通过其附加通讯模块EM277可与PROFIBUS现场总线相连接,从而方便了运行过程中的系统维护和修理。 污水处理过程中，需要实时地在线监测各种水质参数以保证准确的工艺运行参数和及时显示处理结果。

在本系统中传感器数量大、种类多，包括pH、SS（固体悬浮 物)、DO（溶解氧）、COD、液位传感器以及电磁流量计、压力计等。 传感器全部采用德国Endress+Hauser公司的产品，这些传感器都带有PROFIBUS_DP接口，利用这些智能接口，这些仪表能与自动化过程控制系统集成，这样获得的所有过程参数可以集中显示， 同时作为工艺的控制参数。


3.2 工艺控制规律

软件编程的主要依据为生产工艺提供的控制规律。同一种处理工艺可能会有不同的控制策略，根据目前的研究状况，SBR工艺的控制可以分为三种：

种是生物浓度法。是指根据在线测得的水质参数与设定参数形成闭环控制；

二种是反应时间控制。对于时间控制规律而言， 它是根据对SBR反应的五个阶段所需要的时间进行自动控制的。

三种是流量程序控制。是根据污水流量的变化来调整各个阶段所需时间进行自动控制。

后两种控制方法都不是根据废水的水质变化来改变某些运行参数进行自适应控制的。 生物浓度控制的基本思想是动态的控制SBR的反应时间,使其中的物浓度（用COD或BOD表示）达到允许的排放标准，就停止曝气。在线测定物浓度的BOD或COD传感器比较贵 ，一般都在几十万元，目前还没有应用报道，而且实时性比较差，反应时间慢。时间控制程序是根据对SBR反应池的五个运行阶段所需要的时间进行自动控制。该方法不是根据污水的水质变化来改变某些运行参数进行自适应控制。对于进水时间、曝气时间、 沉淀时间、排水时间及闲置时间均可由上位机设定。SBR反应池的各段工艺过程及其执行时间均严格按时序进行，每个反应池的任何设备均可通过电气柜上的手动/自动转换开关改变其状态，但均不能改变PLC(培训)所设定的工作时序，并且一旦切入自动状态后便进入PLC(培训)所设定的时序。在自动状态下，操作人员在控制室可以通过人机界面实现远程遥控操作。现场设备的工作状态均送往上位机显示。


3.3 控制程序特点 根据以上情况，对应设计了多种控制模式，可根据实际情况由上位机选择运行。

(1)生物浓度法控制程序 生物浓度法采用反馈控制，利用在线测得的进水水质参数作为输入，按照预先确定好的控制模型进行运算，然后用计算的作为输出控制现场的设备，动态控制反应时间，以达到控制反应的目的。

(2)时间控制程序
①本控制系统严格按照时序、按顺序工作。
②允许在工作过程中任意进行遥控、自控切换且不影响工作时序。

(3)分组工作程序 由于该污水处理厂来水水量不均衡,造成生物处理池的负荷无法平衡,同时吨能量消耗大,运行不经济。故我们采用了分组运行的办法,每两个生物处理池为一组，既可以两组同时运行，又可以一组投运自动运行，另一组备用手动控制的方式。一方面解决了生物处理池的负荷问题，另一方面也解决了处理池相关设备的检修问题。


4 上位机组态软件

对SA（数据采集与监控系统）系统要求：通过工业以太网PROFINET，具有与多台下位机系统通讯的能力，实时监控多台下位机的工作状态 ，显示生产过程中的工作曲线；具有远程控制能力；向下位机采集数据，对历史数据进行存储、查询、显示、打印等。因此，在一个自动监控系统中，运行的监控组态软件是系统的数据收集处理、远程监视和数据转发，与各种控制、检测设备（如PLC(培训)、智能仪表等）共同构成能快速响应的控制。 本系统选用了Siemens公司WinCC(bbbbbbs Control Center)6.0组态软件。WinCC具有控制自动化过程的强大功能，是基于个人计算机，同时具有高性价比的SA级操作监视系统 。

在两台服务器上安装服务器版和冗余软件包，工作站上安装运行版。 监控系统的功能及特点：

（1） 界面显示 具有全中文显示，界面友好，操作方便。操作画面采用主菜单的形式，在每幅画面下通过按钮进行切换。在控制室能对全系统被控设备进行实时控制， 如启停设备，在线设置PLC(培训)中程序的某些工艺参数等。 机械处理监控界面