改良AO工艺污水处理厂综合监控系统解决方案e84d2ad176a20029bd642dca

改良AO工艺污水处理厂综合监控系统解决方案发布时间：2011-01-21本方案是根据采用改良AO工艺污水处理厂的技术要求，结合国际先进的工业以太网技术和面向对象软件开发技术的先进整体解决方案，在不增加工程成本的情况下，完全满足污水处理厂运行与管理的实际使用需要。1总体规划在飞速发展的市场经济与信息的今天企业内外部信息的交换已不再局限于通常意义上的对生产现场状态的监视和控制它需要把现场信息和管理信息结合起来通过对经营决策管理计划调度过程优化故障诊断现场控制等信息的综合处理形成一个意义更为广泛的综合管理系统管控一体化就是建立起企业这样全集成的开放的全厂综合自动化的信息平台。1.1设计原则城市污水处理厂将基于先进的工业以太网技术构建在线检测仪表监测体系与自动控制系统。1）系统以适应未来科技及应用上的发展为原则在当今科学技术日新月异的今天，人们对系统的要求不断提高，解决已有系统与科学技术成果之间矛盾的更客观的方法，就是要求自控系统管理必须有足够的弹性包容未来科技机及应用上的发展，达到短期投资、长期受益的目的。污水处理厂工程所要求的自控系统必须考虑到可持续性、可发展性，这样才能保证投资人的利益，为此首先要系统适应未来可积极应用上的发展作为主要原则来考虑。2）方案设计以提高工作效率为原则工业以太网技术把分散在厂区各个设备控制系统连接到中央控制室，实现集中管理大量减少了维修人员和操作人员。操作员和工程师通过电脑设备进行生产操作，并能及时发现和处理设备出现的问题，切实提高管理者的工作效率。3）方案设计以合理的投资成本和地运营成本为原则在实现自动化系统之后各种设备运行状态始终处于系统的集中监视之下，系统可单独为各台设备建立运行档案，自动记录每台设备的运行状况，定期打印维护保养，修理通知单，输出各种设备运行统计报表，这样可以保证每台设备按时维护保养修理工作为设备管理提供基础数据，提高设备管理水平，使设备的运行寿命加长也直接或间接的减少规避设备发生灾难性故障和连锁反应的可能性，很大程度降低了建筑的运行费用。4）开放式工业以太网络为基础在优化设计当中我们选择开放式工业以太网络为基础的自控系统，不但可以与设备自控系统有机地集成，还能与上层的管理信系统有机的结合在一起，实现综合管理的功能。1.2系统总体结构污水处理厂自动化系统总体技术结构图城市污水处理厂自动化系统优化设计总体上分为五层：管理层、系统层、网络层、控制层和执行层。管理层，主要以生产管理系统为主，上接企业管理信息系统（MIS）和互联网，在系统最顶层协调企业管理与设备运行。系统层，主要由力控ForceControlV6.0SCADA监控组态系统软件、工作站/服务器组成，在系统上层控制整个系统的运行。网络层，以光纤网络为主干构建100M带宽的工业以太网络，中间为以太网交换机，每个PLC（S7-200或S7-300）系统必须配工业以太网模块。控制层，各设备系统的PLC，配100M以太网模块，每个PLC管控一组设备，独立工作，不受中央或其他控制器故障的影响，从而大大提高了整个集控管理系统的可靠性。SCADA监控组态系统可对所有的西门子PLC进行巡检，如有控制器丢失，中央控制室的工作站可在其恢复通信后自动下载程序，保证了系统的运行可靠。执行层，包括了在线仪表、传感器等执行仪器设备，与PLC模拟量模块连接。1.3系统结构选型当今时代，网络就是控制的理念已经越来越被用户所接受，传统的基于RS485，CAN等总线的各种集散控制系统，由于其固有的缺陷，正在被基于TCP/IP协议的工业太网所取代，工业以太网总线和我们现在使用的局域网是一致的，它采用统一的TCP/IP协议，避免的不同协议间通信不了的困扰，它可以直接和局域网的计算机互连而不要额外的硬件设备，它方便数据在局域网的共享，它可以用IE浏览器访问终端数据，而不要专门的软件，它可以和现有的基于局域网的ERP数据库管理系统实现无缝连接，它特别适合远程控制，配合电话交换网和GSM，GPRS无线电话网实现远程数据采集，它采用统一的网线，减少了布线成本和难度，避免多种总线并存。工业以太网总线正因为有诸多的优点，在国内外逐步得到了迅速的普及，现在已经有大量的配套产品在使用中。如工业以太网HUB，工业以太网防火墙产，工业以太网关，以太网转RS232/RS485设备，以太网A/D模块，以太网D/A模块，以太网AI模块，以太网AO模块，以太网DI模块，以太网DO模块及复合功能模块。根据污水处理厂建筑与设备布局特点，在结构选型上我们采用了基于工业以太网通信集散式控制系统。以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。该标准定义了在局域网（LAN）中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网在互联设备之间以10~100Mbps的速率传送信息包，双绞线电缆10BaseT以太网由于其低成本、高可靠性以及10Mbps的速率而成为应用最为广泛的以太网技术。许多制造供应商提供的产品都能采用通用的软件协议进行通信，开放性最好。全双工：全双工传输是采用点对点连接，这种安排没有冲突，因为它们使用双绞线中两个独立的线路，这等于没有安装新的介质就提高了带宽。例如在上例的车站间又加了一条并行的铁轨，同时可有两列火车双向通行。在双全工模式下，冲突检测电路不可用，因此每个双全工连接只用一个端口，用于点对点连接。标准以太网的传输效率可达到50％～60％的带宽，双全工在两个方向上都提供100％的效率。2现场控制系统城市污水处理厂将采用SIEMENS公司的S7-300型和S7-200型PLC及其相应的I/O功能模块，将污水处理厂现场控制信息和设备的工艺运行参数和设备本身状态指标等信息无缝地连接到厂部的信息系统系统中实现了企业的管控一体化。2.1现场控制系统构建只有基于Web的技术才能真正实现管控一体化管控,如何将生产车间的现场控制信息设备的工艺运行参数和设备本身的健康指标等信息集成到企业管理信息平台中去是本系统设计的一大重点，控制层结构设计遵循多功能灵活性的要求将整个控制系统。图纸设计中采用两套中型S7-300PLC将污水处理厂的设备分成两大控制群，由于需要接入大量的高低压电力监测仪表，两套PLC势必负担在大范围内测控系统通信，一但出现问题就会导到整个厂生产的停顿。因此，增加三套小型S7-200PLC用于采集供电系统信号并控制供电系统。本方案将采用基于以工业以太网构建的分布式控制系统，以较好地解决实时控制和现场信号的网络通信问题。污水处理厂控制层示意图污水处理厂各工段机组监控系统采用分布式计算机监控管理方式各个现地控制单元可以独立按照工艺控制参数与运行并将采集到的各种运行状态量以及电机的运行状态等信息通过工业以太网上传到中控室服务器以备工作人员监视。操作人员可通过工业以太网将必要的控制参数下传到各个现地控制PLC单元调整控制和工艺参数。为便于与整个污水处理厂的监控系统进行系统互联实现企业管控一体化服务器还通过以太网交换机与厂管理信息系统互联。现场控制系统PLC表编号安装位置类型配置控制设备范围1#PLC鼓风机房S7-314DI=92，DO=24，AI=8鼓风机房等前段2#PLC脱水机房S7-314DI=64，D0=32，AI=8脱水机房等后段5#PLC低压配电间S7-314DI=128，D0=48前段低压供电回路6#PLC高压配电间S7-314DI=32，D0=16，AI=4高压电路7#PLC脱水机房电柜S7-226CNDI=26，D0=14后段低压供电回路1#PLC控制设备集群：进水泵房、沉沙池、鼓风机房、1#-2#A/A/O池等设备。2#PLC控制设备集群：1#-2#二沉池、脱水机房、污泥间、消毒池、配水池、加药间、出水井等设备。5#PLC控制设备集群：低压配电间电力监测仪表6#PLC控制设备集群：高压配电间电力监测仪表7#PLC控制设备集群：脱水机房动力柜电力监测仪表2.2现场控制系统PLC选型本优化方案现场控制系统和电力监测系统将采用德国西门子（SIMATIC）公司生产的S7-300系列和S7-200系列PLC系统。德国西门子（SIMATIC）公司是当今自动化技术的领先者，所研发生产的PLC具有技术先进、可靠性高的特点，成为工控行业主流。本优化方案中，1#、2#PLC采用德国西门子公司创新型S7-300PLC控制系统。创新型S7-300CPU与现有的CPU相比，性能有了显著提高：CPU处理速度至少提高了1倍，位处理时间甚至降至50ns，而字处理时间降至90ns。此外，同时大大增强了定点和浮点运算性能。电力监控系统则采用了S7-200PLC，基于ModBus通信协议与各个电力监测仪表连接。西门子PLCS7-300主要技术性能参数表项目描述图片CPU模块S7-314存储器128KB，64KB掉电保持S7-300PLC位处理0.06μs字处理0.12μs定点运算0.16μs浮点运算0.59μs过程I/O映像1024/1024接口X1：MPI接口数字量入模块SM321，16点输入，24-48VDC数字量输出模块SM322，32点输出，24VDC，0.5A模拟量输入模块SM331，8输入，增强型16位分辨率通信模块CP343-1Lean，RJ45端口，100M以太网，TCP/IP/UDP协议扩展模块IM360，最多3个扩展单元；插入中央控制器电源模块PS307,120/230VAC;24VDC,10A开发工具软件STEP7V5.4SP3.1中文版3工业以太网系统本方案所采用工业以太网是基于IEEE802.3(Ethernet)的强大的区域和单元网络——SIMATICNET。利用工业以太网，SIMATICNET提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。企业内部互联网(Intranet)，外部互联网(Extranet)，以及国际互联网(Internet)提供的广泛应用不但已经进入今天的办公室领域，而且还可以应用于生产和过程自动化。继10M波特率以太网成功运行之后，具有交换功能，全双工和自适应的100M波特率快速以太网(FastEthernet，符合IEEE802.3u的标准)也已成功运行多年。采用何种性能的以太网取决于用户的需要。通用的兼容性允许用户无缝升级到新技术。2.1工业以太网概述1）工业以太网优势在IT网络市场中以太网占有率高达80%，毫无疑问是当今LAN(局域网)领域中首屈一指的网络。以太网优越的性能，为用户的应用带来巨大的利益：·通过简单的连接方式快速装配。·通过不断的开发提供了持续的兼容性，因而保证了投资的安全。·通过交换技术提供实际上没有限制的通信性能。·各种各样联网应用，例如办公室环境和生产应用环境的联网。·通过接入WAN(广域网)可实现公司之间的通信，例如，ISDN或Internet的接入。·SIMATICNET基于经过现场应用验证的技术,SIMATICNET已供应多于400,000个节点，遍布世界各地，用于严酷的工业环境，包括有高强度电磁干扰的区域。2）工业以太网络的构成一个典型的工业以太网络环境，有以下三类网络器件：·网络部件：PLC以太网模块组件，SIMATICPLC控制器上的工业以太网通信处理器，用于将SIMATICPLC连接到工业以太网。TP（触摸屏）以太网端口；PG/PC上的工业以太网通信处理器，用于将PG/PC连接到工业以太网。·连接部件：FC快速连接插座；ELS(工业以太网电气交换机)；ESM(工业以太网电气交换机)；SM(工业以太网光纤交换机)；MCTP11(工业以太网光纤电气转换模块)。·通信介质：普通双绞线，工业屏蔽双绞线和光纤。3）工业以太网性能特点为了应用于严酷的工业环境，确保工业应用的安全可靠，SIMATICNET为以太网技术补充了不少重要的性能：·工业以太网技术上与IEEE802.3/802.3u兼容，使用ISO和TCP/IP通信协议·10/100M自适应传输速率·冗余24VDC供电·简单的机柜导轨安装方便的构成星型、线型和环型拓扑结构·高速冗余的安全网络，最大网络重构时间为0.3秒·用于严酷环境的网络元件，通过EMC测试·通过带有RJ45技术、工业级