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SBR污水處理工藝中PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用

文檔作者：馬小麗文檔來源：太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年02月27日
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2010年第3期(總第60期)
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SHANXl ENERGY AND CONSERVATION 2010年6月
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SBR污水處理工藝中PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用
馬小麗
(太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024)
摘要： 敘述了實(shí)現(xiàn)基于PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線控制的污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)配置以及對(duì)污水處理過
程中曝氣量的控制方法。
關(guān)鍵詞： 序批式活性污泥法；污水處理；現(xiàn)場(chǎng)總線
中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 1674．3997．(2010)03—0074—03
Applied Research on the PROFIBUS Fieldbus in the SBR Waste Water Disposal Technology
MA Xiao—Ij
(College of Environmental Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，Shanxi，China)
Abstract：This paper briefly introduces the characteristics of PROFIBUS Fieldbus．Through studing the SBR waste water disposal
technology，。which puts PROFIBUS Fieldbus technology into the sewage disposal process，it brings forward aplan of PROFIBUSbased
automatic control system for sewage treatment。emphasizes PRoFIBUS Fieldbus network structure，and studies sewage aer—
ation process contr01．
Key words：SBR；waste water disposal；Fildbus
0 引言
現(xiàn)階段，中國(guó)污水處理廠的建設(shè)重心逐漸由大城
市向中小城市轉(zhuǎn)移，呈現(xiàn)單體小型化、區(qū)域分散化的發(fā)
展趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009年中國(guó)污水處理廠平均設(shè)計(jì)規(guī)
模比2005年下降了24％。與此同時(shí)，污水處理廠分布
地域快速擴(kuò)大，2008年建有污水處理廠的城市比2005
年增加了近1倍。在這種情況下，符合中小城市發(fā)展
戰(zhàn)略并與其污水特征相適宜的小型化、經(jīng)濟(jì)高效的污
水處理技術(shù)SBR法得到了進(jìn)一步的運(yùn)用和發(fā)展。
盡管SBR法具有工藝簡(jiǎn)單、效率高、脫氮除磷效果
好、防止污泥膨脹性能強(qiáng)、耐沖擊負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)，
SBR法也存在操作比較復(fù)雜，難以管理，自動(dòng)控制效果
不理想的缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控
制技術(shù)的發(fā)展，SBR工藝的自動(dòng)化操作水平有了一定
的提高，但仍沒有實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)與外界之間
的網(wǎng)絡(luò)互連和資源共享，因此，如何進(jìn)一步提高SBR工
藝生動(dòng)化控制、管理水平仍然是當(dāng)前和今后一段時(shí)間
的重要課題。
1 SBR工藝介紹
SBR(Sequencing Batch Reactor)是間歇式活性污泥
法的簡(jiǎn)稱，是一種按照一定的時(shí)間順序間歇式操作的
收稿日期：2010—01—27
作者簡(jiǎn)介：馬小麗，1975年生，女，山西聞喜人，2006年畢業(yè)于
太原理工大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，碩士，助教。
·74·
污水生物處理技術(shù)，也是一種按間歇曝氣方式運(yùn)行的
活性污泥污水處理技術(shù)，又稱序批式活性污泥法。其
去除污染物的機(jī)理與傳統(tǒng)的活性污泥法基本相同，只
是運(yùn)行操作方式不盡相同。SBR工藝集調(diào)節(jié)、初沉、曝
氣、沉淀等過程于一池，按不同的時(shí)間順序進(jìn)行各種目
的的不同操作，全部過程都放在一個(gè)池內(nèi)周而復(fù)始地
進(jìn)行，無需設(shè)置二沉池及污泥回流系統(tǒng)。典型的SBR
系統(tǒng)分為進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水與閑置5個(gè)階段運(yùn)行。
2 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)?
國(guó)際性開放式的PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，廣泛
應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)。目前，世界上多數(shù)自動(dòng)化技術(shù)
生產(chǎn)廠家都為它們的自動(dòng)化設(shè)備提供PROFIBUS通
信接口。根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)，PROFIBUS包括PROFIBUSDP，
PROFIBUS-PA，PROFIBUS-FMS 3個(gè)兼容部分。
其中，PROFIBUS-DP屬于高速低成本通信，用于設(shè)備
級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I／0的通信；PROFIBUSFMS用
于車間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是個(gè)令牌結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)；
PROFIBUS-PA專為過程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，可使傳感器和執(zhí)行
機(jī)構(gòu)聯(lián)在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。PRoFlBUS
可以采用總線型、樹型、星型等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總線上最
多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。傳輸速率為9．6 kbps～12．0 Mbps，
其最大傳輸距離，在12 Mbps時(shí)為100 m，1．5 Mbps時(shí)
為400 m。可用中繼器延長(zhǎng)至10 kin。傳輸介質(zhì)可以
是雙絞線、同軸電纜、光纖、紅外線等傳輸介質(zhì)。
根據(jù)某污水廠SBR法控制的要求和特點(diǎn)，需建立
從監(jiān)控到現(xiàn)場(chǎng)控制的一體化系統(tǒng)，同時(shí)考慮到控制的
實(shí)時(shí)性和可靠性以及系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和先進(jìn)性，我們
萬方數(shù)據(jù)
2010年第3期馬小麗：SBR污水處理工藝中PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用2010年6月
選擇了基于PROFIBUS—DP的現(xiàn)場(chǎng)總線，并采用了冗
余技術(shù)，設(shè)計(jì)了SBR法污水處理的控制系統(tǒng)。
3控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的3層控
制體系，“分散控制，集中管理”的分布式控制系統(tǒng)結(jié)
構(gòu)。通過分散控制將可能發(fā)生故障的危險(xiǎn)進(jìn)行分散，
降低故障發(fā)生的概率，實(shí)現(xiàn)故障發(fā)生后事故處理。通
過集中管理實(shí)現(xiàn)采集信息的綜合集中，達(dá)到優(yōu)化控制
的目的。
3．1管理監(jiān)控級(jí)
主要完成設(shè)定值的操作輸入(如，流量設(shè)定值、pH
設(shè)定值等)、與下位機(jī)之間的通信、系統(tǒng)報(bào)警、運(yùn)行管理
以及所有工藝參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的顯示。考慮到工
控機(jī)具有性能穩(wěn)定、抗干擾性好，結(jié)合污水處理廠的實(shí)
際運(yùn)行環(huán)境，選用工控機(jī)IPC作為實(shí)現(xiàn)管理監(jiān)控功能
的上位機(jī)。
3．2控制級(jí)
主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、算法控制、信號(hào)輸出控制及工
藝信號(hào)連鎖等功能。控制級(jí)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，
也是管理級(jí)與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)之間的樞紐，接受管理層設(shè)置的
參數(shù)或命令，對(duì)污水處理生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，同時(shí)將現(xiàn)
場(chǎng)狀態(tài)輸送到管理層?；赟BR法污水處理工藝的自
動(dòng)控制過程比較復(fù)雜，且是一個(gè)順序性、周期性很強(qiáng)的
邏輯操作系統(tǒng)。因此，采用功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性高的，西
門子公司生產(chǎn)的SIMATIC s7．300系列中小型可編程
序控制器，構(gòu)建本系統(tǒng)的PLC可編程序控制器，作為系
統(tǒng)下層控制單元(下位機(jī))。
3．3現(xiàn)場(chǎng)級(jí)
主要進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳送及執(zhí)行上一層下發(fā)
的控制命令和數(shù)據(jù)采集，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)、傳感器參
數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，把監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)上傳，接受控制級(jí)的指
令、執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的基
礎(chǔ)，由一次儀表(如，液位計(jì)、DO傳感器等)、控制設(shè)備
等組成。該系統(tǒng)的主要一次儀表和控制設(shè)備包括液位
計(jì)、電動(dòng)蝶閥、流量計(jì)、溶解氧儀、報(bào)警器等。
4 PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)配置
4．1網(wǎng)絡(luò)硬件配置
該系統(tǒng)選用PROFIBUS-DP的電氣網(wǎng)絡(luò)配置形
式。將上位監(jiān)控機(jī)(工控機(jī)IPC)和現(xiàn)場(chǎng)控制可編程序
控制器PLC作為主動(dòng)站。將曝氣過程中控制電機(jī)的變
頻器及工藝中應(yīng)用的智能傳感器和外圍I／o設(shè)備，作
為從動(dòng)站。總線節(jié)點(diǎn)(主或從設(shè)備)采用IM／CP接口
或集成接口的RS-485端子與PRoFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)連
接。在PROFIBUS電氣網(wǎng)絡(luò)中，依據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率的
差異，設(shè)定每段不同的最大長(zhǎng)度。對(duì)站點(diǎn)之間相距較
遠(yuǎn)的，在網(wǎng)絡(luò)中，采用R§485總線中繼器來連接各段。
IPC接人PROFIBUS總線時(shí)，采用了內(nèi)插
PROFIBUS網(wǎng)卡方式，如，CP5611，CP5613，CP5511
等，充分利用這類網(wǎng)卡所具有的PROFIBUS-DP／PA／
FMS接口。選擇與網(wǎng)卡匹配的軟件包，根據(jù)其軟件功
能決定IPC作一類主站還是二類主站。此次，系統(tǒng)選
擇了CP5611網(wǎng)卡及Step7軟件包，將上位機(jī)作為編程
監(jiān)控的一類主站。
PLC接入PROFIBUS總線可設(shè)定為2種情況，a)
處理器CPU帶內(nèi)置PROFIBUS-DP口，如，西門子S7—
300及S7—400系列，直接接入PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)；b)處
理器CPU不設(shè)內(nèi)置PROFIBUS-DP口，須再配置
PROFIBUS通信處理器，如，S7—200系列，接人
PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)時(shí)需通過通信模塊EM277，且不能將
其設(shè)為主站，只能作為從站接入。
對(duì)污水處理系統(tǒng)中控制電機(jī)的變頻器、DO儀、溫
度計(jì)、pH計(jì)、液位計(jì)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，接入PROFIBUS網(wǎng)
絡(luò)時(shí)，可采用智能型可直接接人，也可采用其他方式接
入遠(yuǎn)程I／0后，再通過ET200接入網(wǎng)絡(luò)。為了將不同
生產(chǎn)廠家的PRPFIBUS產(chǎn)品集成在一起，必須收集廠
家提供的GSD文件(電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)文件)和功能參
數(shù)。PRPFIBUS組態(tài)工具可根據(jù)廠商提供的GSD文
件將其設(shè)備集成在同一總線系統(tǒng)中(見圖1)。
圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
4．2網(wǎng)絡(luò)組態(tài)
硬件系統(tǒng)組建后，為實(shí)現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)的連通，采用
SIMATIC net 6．0軟件或Step7軟件對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組態(tài)。
首先，對(duì)s7．300的機(jī)架、電源、CPU、信號(hào)模件、通信處
理器CP等，按實(shí)際配置類型和物理地址進(jìn)行組態(tài)。再
進(jìn)行PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，使用SIMATIC程序組中
的Configuration Console設(shè)定PROFIBUS的模式為
Configured Mode，插槽號(hào)設(shè)為任意值，站點(diǎn)地址值不允
許重復(fù)。網(wǎng)絡(luò)中所有站都設(shè)置為相同的數(shù)據(jù)傳輸率，
從站地址單一賦值，設(shè)置完成后，再將配置結(jié)果下載到
模塊(見圖2、圖3)。
5曝氣量控制
SBR污水處理工藝中，污水在池中通過微生物的
凈化作用，達(dá)到去除有機(jī)物的目的。因微生物為好氧
菌，若供氧量過少、DO過低會(huì)造成細(xì)菌大量死亡，不利
于微生物的生長(zhǎng)，難以形成易沉淀的絮體，直接影響處
·75 ·
萬方數(shù)據(jù)
2010年第3期矽爭(zhēng)婦淥占芋釷2010年6月
理效果；但供氧量過大、DO過高不僅使能耗增高，增大
運(yùn)行費(fèi)用，且會(huì)造成絮體分散和破碎，使固液難發(fā)生分
離。因此，控制水中的含氧量是污水處理過程控制中
比較關(guān)鍵的任務(wù)之一[2J。
圖2 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)配置曝氣量控制模塊截圖1
圖3網(wǎng)絡(luò)組態(tài)配置曝氣量控制模塊截圖2
溶解氧的濃度是通過曝氣機(jī)(鼓風(fēng)機(jī))的運(yùn)行來控
制的。曝氣機(jī)的轉(zhuǎn)速大小由電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。DO
和曝氣量之間應(yīng)存在著一個(gè)函數(shù)關(guān)系。由于迄今尚未
建立可行的數(shù)學(xué)模型，所以曝氣自動(dòng)調(diào)節(jié)還在摸索之
中。
該系統(tǒng)采用溶解氧閉環(huán)控制方式。對(duì)DO值設(shè)一
定的控制范圍(上限為3．0 mg／L，下限為1．0 mg／L，此
值可調(diào))。PLC將由DO儀實(shí)時(shí)檢測(cè)到的DO值，與設(shè)
定值進(jìn)行比較后，對(duì)變頻器發(fā)出信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)曝氣機(jī)
的啟、停及電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣管路中空氣流量的控
制，達(dá)到調(diào)節(jié)曝氣量的目標(biāo)。在反應(yīng)階段，當(dāng)DO值高
于上限時(shí)，PLC發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并停止曝氣。當(dāng)DO值
低于下限時(shí)，啟動(dòng)曝氣機(jī)，開始曝氣。
6 結(jié)語(yǔ)
利用PRoFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)對(duì)SBR法污水處
理系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，不僅提高了污水處理的質(zhì)量，滿
足出水水質(zhì)要求，而且使操作更加簡(jiǎn)單方便，降低了操
作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，投資較小，符合
中國(guó)中小城市污水處理的要求，應(yīng)得到進(jìn)一步的推廣
和應(yīng)用。
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