西門子1500冗余PLC在污水處理廠的應(yīng)用

時間：2021-03-12作者：上海騰希電氣技術(shù)有限公司瀏覽：649

本文介紹了一種基于西門子S7-1500冗余PLC的污水處理廠自動控制系統(tǒng)，介紹了該項目的軟硬件設(shè)計、上位機WINCC的應(yīng)用以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

一、項目簡介

隨著我國經(jīng)濟的*發(fā)展，工業(yè)化進程越來越快再加上人們生活水品的提高，工業(yè)以及生活污水的排放日益增多，如何才能保護水資源讓其循環(huán)利用達到節(jié)能減排，是目前急需解決的，正是污水處理項目對水資源的改善以及人民生活水平的提高有著重大的意義。而冗余的控制系統(tǒng)可以減少故障停機時間提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，將大大提高污水處理的效率。

此項目是四川省樂山市井研縣*二污水處理廠，工程范圍為污水處理自控系統(tǒng)設(shè)計、供貨、安裝、編程調(diào)試，包含廠區(qū)主站控制系統(tǒng)，中控室上位機，將廠區(qū)第三方設(shè)備預(yù)留的硬接線以及通訊接入總控室，組成污水處理系統(tǒng)（包含深床反硝化、精準曝氣系統(tǒng)等），主要采用了西門子1515R冗余PLC，每日可以穩(wěn)定處理22000t污水。

二、工藝流程介紹

此污水處理采用了多級的生化反應(yīng)處理、高效沉淀、深床反硝化以及接觸消毒，污泥采用了濃縮、脫水以及壓濾等進行處理。該廠工藝流程如圖1所示。




 




三、選型方案

根據(jù)污水處理廠現(xiàn)場情況，主要有以下需求：

1、      需采用冗余系統(tǒng)、包括控制器冗余、電源冗余以及不間斷電源，**在部分硬件出現(xiàn)故障能夠及時切換到備用模塊，在工廠出現(xiàn)斷電異常**系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠且連續(xù)的運行。

2、      IO點數(shù)有大于15%裕量。

3、      兩臺現(xiàn)場級控制柜可操作。

4、      中控室遠程監(jiān)控以及操作，包含兩個操作員站以及一臺工程師站。

做出了如下的配置，見表1。

四、硬件配置及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該自控系統(tǒng)較終設(shè)計采用包括：

1、1515R冗余CPU，為了實現(xiàn)較高的可用性。在冗余操作的系統(tǒng)中，即使有個別自動化組件出現(xiàn)故障也不會妨礙污水的連續(xù)處理。兩個 CPU 將并行處理相同的項目數(shù)據(jù)和相同的用戶程序。兩個 CPU 通過冗余連接進行同步。如果一個 CPU 出現(xiàn)故障，另一個CPU就會接替它對整個自控系統(tǒng)進行控制。

2、ET200MP分布式遠程IO控制站，PLC1柜主要控制污水收集至生化處理段工藝，PLC2柜主要控制沉淀工藝、添加劑處理以及污泥處理工藝段。

現(xiàn)場層的兩套分布式IO通過IM155-5 PN HF高性能接口模塊將IO模塊（具有 IP20 防護等級，采用和 S7-1500 相同的I/O 模塊，具有很好的通用性集成到各自的遠程站）。分布式設(shè)備通過PROFINET和上層的可編程控制器1515R冗余CPU實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)交換，開放的PROFINET通訊標準，給自動化系統(tǒng)帶來靈活的連接方式。統(tǒng)一的工程開發(fā)，透明的診斷，**實現(xiàn)與SIMATIC1515RPLC和HMI在博途中的集成。

3、現(xiàn)場觸摸操作屏采用西門子TP1200精智12寸面板 ，與SIMATIC S7-1500控制器**協(xié)同，將各個遠程站的數(shù)據(jù)（包括流量、水質(zhì)、溶解氧、液位等）顯示在觸摸屏上面，可滿足實時顯示現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)并且遠程點控設(shè)備，方便現(xiàn)場人員整體把控與操作。

4、中控室包括一臺工程師站和兩臺操作員站，采用編程組態(tài)軟件有：SIMATIC WinCC 7.4、TIA 博途軟件16.0。

其中WinCC集成圖形系統(tǒng)、報警消息系統(tǒng)、歸檔系統(tǒng)、報表系統(tǒng)、用戶管理系統(tǒng)以及腳本系統(tǒng)。**解決污水處理廠的流程顯示、組顯示、報表顯示、趨勢顯示、報警記錄等。在各個操作站試圖中可以自動控制、點動控制現(xiàn)場設(shè)備并監(jiān)控其運行狀態(tài)，參數(shù)設(shè)置等。

其中TIA博途V16**兼容1500冗余CPU，包括在線下載程序*停機、CPU高版本固件較新、在冗余環(huán)外組態(tài)S1設(shè)備等，提高本次調(diào)試效率也方便后期污水處理廠電氣工程師的維護工作。

5、網(wǎng)絡(luò)部分包括：1515R冗余環(huán)網(wǎng)中有支持冗余的2臺光纖交換機，WINCC監(jiān)控系統(tǒng)包括兩臺支持環(huán)網(wǎng)冗余的光纖交換機以及2臺光電轉(zhuǎn)換器用作與第三方CPU通訊。

6、*三房設(shè)備包括：

由200smartCPU控制的鼓風(fēng)機自動控制系統(tǒng)、污泥脫水系統(tǒng)、PAC加藥、加氯和乙酸鈉投加系統(tǒng)；

由S7-300CPU控制的反硝化深床濾池和反沖洗風(fēng)機房自動控制系統(tǒng)；

由K37環(huán)保數(shù)采儀采集的進出水水質(zhì)檢測設(shè)備。

該自動控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

五、軟件開發(fā)

本次調(diào)試內(nèi)容主要為：主站控制系統(tǒng)手自動程序編寫、觸摸屏運行畫面組態(tài)；中控室WINCC畫面組態(tài)與第三方設(shè)備通訊;PLC與第三方設(shè)備通訊。

1.組態(tài)設(shè)備：

通過博途軟件對主站1515R冗余控制系統(tǒng)進行組態(tài)，需要注意的有：

1、對于1515R冗余CPU組環(huán)網(wǎng)必須用X1，同時X1 PR2口需要互相連接用作冗余CPU的同步，而且在這之間不能連接其他的設(shè)備。

2、在MRP環(huán)網(wǎng)中的設(shè)備必須支持MRP環(huán)網(wǎng)功能，尤其是環(huán)中的交換機需要支持MRP環(huán)網(wǎng)以及轉(zhuǎn)發(fā)功能，同時需要對交換機的冗余端口、IP地址進行設(shè)置，如此才能方便與環(huán)外設(shè)備通訊。

3、在本項目中采用了雙網(wǎng)段，X2所在網(wǎng)段用作與上位機通訊，需要啟用系統(tǒng)IP，以便上位機與冗余系統(tǒng)通訊。

4、對組態(tài)的設(shè)備需要分配對應(yīng)的IP地址和介質(zhì)冗余角色。

如圖3所示。




2.控制方式：

現(xiàn)場設(shè)備的主要控制方式為：

1、通過采集到的本地遠程信號來決定設(shè)備是由現(xiàn)場操作箱控制還是由PLC自動控制系統(tǒng)控制；

2、通過采集到的運行和故障信號來反饋現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)；

3、通過采集到的現(xiàn)場模擬量信號包括：液位、水質(zhì)、溶解氧等的變化來自動控制相關(guān)設(shè)備的啟停；

4、通過采集到的模擬量信號來反映污水處理的情況是否達標以及生產(chǎn)量；

5、通過自控系統(tǒng)給定模擬量信號來控制相關(guān)閥門開度、電機轉(zhuǎn)速等。

3.程序編寫：

此項目主要采用了梯形圖的編程方式，程序主要包括：程序調(diào)用快、模擬量快、電機塊、自動邏輯塊、自定義公共塊。

由于此項目包含大量電機和閥門，而且各自運行的方式大致一樣，所以此項目編寫了公共的電機FB塊和閥門FB塊，同時較多的儀表我們采用了公共的模擬量處理FC塊來進行轉(zhuǎn)換。

對于1515R冗余CPU的程序下載，需要注意的有：

1、通過博途V16將CPU固件升級至V2.8版本，才可在設(shè)備運行時備份，而*中斷運行過程。設(shè)備不間斷運行可有效地降低設(shè)備停機時間，保證每日的污水處理量。

2、冗余 PLC **次下載時，在下載窗口不顯示主備關(guān)系，只顯示MAC 地址，此時要根據(jù)冗余PLC 上的 DIS**Y 面板查看主備關(guān)系，找到主 PLC 對應(yīng)的 MAC地址，下載時再根據(jù) MAC 地址選擇正確的主PLC 執(zhí)行下載，如果選擇備 PLC 下載操作將無法執(zhí)行。

4.HMI控制：

此污水處理廠現(xiàn)場設(shè)備控制有兩個PLC柜，每處都有一臺SIMATIC HMI 精智面板,通過博途平臺與1515RCPU**協(xié)同，集成在一個項目中編程調(diào)用變量，

對于1515R冗余CPU與HMI連接，需要注意的有：

1、在新建連接時，在網(wǎng)絡(luò)視圖中點擊連接，連接HMI與CPU時會彈出黃色選擇框，連接伙伴需要選擇S7-1500R/H systerm；

2、需在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)中將網(wǎng)段設(shè)定與PLC*二網(wǎng)段一致；

3、注意像此類環(huán)網(wǎng)設(shè)備的介質(zhì)冗余角色我們統(tǒng)一設(shè)定為環(huán)網(wǎng)中無設(shè)備。

其組態(tài)的部分操作畫面如圖所示。




六、中央控制室

中央控制室使用分散控制站顯示實際的過程界面和控制功能，主要是集中檢測和控制流程，同時可以報告運行狀態(tài)。

畫面主要包括：

1、總工藝流程圖，提供了整個污水處理廠的視圖，以及電機、閥門、儀表顯示。

2、組顯示，分別顯示各個處理系統(tǒng)，如：生化處理系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)、污泥脫水系統(tǒng)等。而且能夠直接操作其中的設(shè)備和顯示儀表參數(shù)。

3、趨勢顯示，可以顯示污水處理廠所有的儀表參數(shù)，實時較新，通過曲線圖來顯示時間軸也可移動和放大。

4、報警&事件顯示，包括液位限制警告、添加劑警告、電機故障、溫度報警、通訊故障等。

主要工藝的WINCC畫面如圖所示。




七、第三方設(shè)備通訊

需要注意的是1515R V2.8版本是不支持PUT/GET指令的。該污水處理廠第三方設(shè)備僅要求在中控起到監(jiān)視的作用即可，對于西門子200smart和S7-300CPU我們直接將其跟WINCC通訊。

其中200Smart采用OPC服務(wù)器與WINCC建立通訊，315CPU與WINCC通過TCP/IP建立通訊。

與第三方數(shù)據(jù)采集儀的通訊時通過NT50網(wǎng)關(guān)將MODBUS轉(zhuǎn)換為PN IO設(shè)備，將其GSD文件在博途中安裝，與其他S1設(shè)備一樣組態(tài)，再與1515R通訊（MRP環(huán)外）。




八、應(yīng)用體會

1515R冗余控制器，適合類似于該污水處理廠的中型項目。

1515R采用了透明化的編程方式，使用TIA博途V16編程，將程序下載至冗余系統(tǒng)。通過系統(tǒng)IP與SIMATIC HMI 精智面板和上位機WINCC連接簡單快捷，*額外工作。此外該系統(tǒng)采用了PROFINET系統(tǒng)冗余，支持S2冗余功能的設(shè)備連接到CPU組成了冗余通訊，即使網(wǎng)絡(luò)發(fā)生中斷也能**設(shè)備的正常運行。

由于1515R不支持PUT/GET指令，就不太方便與西門子PLC做S7通訊。好在該項目中200smart和S7-300CPU只需與WINCC建立。較終經(jīng)過調(diào)試，該冗余系統(tǒng)運行平穩(wěn)，為井研*二污水處理廠的可靠運行提供了有力**。


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• 詞條

  詞條說明

• 主機選項

  主機選項在此頁面上* DHCP 服務(wù)器支持的 DHCP 選項。RFC 2132 中定義了各種 DHCP 選項。創(chuàng)建 IPv4 地址段后，會自動創(chuàng)建 DHCP 選項 1、3、6、66 和 67 。除了 DHCP 選項 1 以外，其它選項均可被刪除。在使用 DHCP 選項 １ 時，將自動設(shè)置您針對“DHCP 服務(wù)器”(DHCP Server) 中的地址段輸入的子網(wǎng)掩碼。在使用 DHCP 選項 3 時

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  循環(huán) SINAUT 程序簡介用戶程序 (OB1) 中 TD7 塊的結(jié)構(gòu)說明如下。每個 OB1 循環(huán)中都必須運行 TD7 塊。請嚴格遵守塊的調(diào)用順序，除非另有說明。程序中其它用戶特定的部分可鏈接到 OB1 中 TD7 塊之前或之后，或 TD7 塊中（如果可行）?？赏ㄟ^在較低級別 FC 中調(diào)用 SINAUT 特定部分，在 OB1 中對其進行構(gòu)造。所有數(shù)據(jù)點典型值均為 FB。調(diào)用 FB 時必須*背景數(shù)

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