西门子6ES7214-1AG40-0XB0性能参数

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 随着城市发展以及人民生活水平的不断**，城市污水排放量也在逐年增加，这给城市环境造成了严重污染，基于此需求，各地都在积极建设污水处理厂，以实现城市可支持性发展、美化和治理城市环境。
        环保要求的不断**，未采取污水处理措施的小城镇在未来若干年内必然会建立污水处理厂。小城镇量大面广，对污水处理设施的需求量很大。同时，受投资额的限制，这些污水处理厂更愿意采用经济、实用的产品。本文介绍的监控系统在满足污水处理设备安全、高效运行的同时具有很好的性价比，具有良好的经济、社会效益和推广前景。
        在污水处理厂内，各种污水处理设备分布较分散。为监控现场设备的运行参数和运行状态，需要建立一套中央监控系统。该监控系统由现场检测、数据采集和处理、数据通讯和中央监控等部分组成，现场检测仪表检测到的设备参数和运行状态经过现场层AC31分散处理后通过控制层AC500集中处理后通过网络上传至中央控制室，中央控制室内的运行人员通过监控计算机监控全厂设备的运行状态。运行人员根据生产工艺和计划发出各种控制指令，控制指令通过系统网络传到现场，控制设备的相应动作。
        污水处理有地域广阔、监测点分散、仪表接入方式多、实时控制要求不高，现场检测仪表标配通讯接口大多采用Modbus-RTU等特点。综合上述特点，终ABB公司生产的AC500系列可编程控制器就适合了这些特点，它标配Modbus-RTU和以太网接口，降低了硬件费用和仪表接入费用。采用双绞屏蔽电缆作为现场总线，降低了传统安装和布线费用，同时也满足了远程站分散、检测点多、距离远等要求。AC500具有丰富编程方式，大容量的程序空间，简化了复杂的工艺流程控制，扩展性强，随心增减设备点数等特点。
 
2  杭州余杭良渚污水厂自控系统解决方案

2.1  AC500控制系统介绍

        AC500是ABB公司结合**的计算机软、硬件技术，在ABB公司AC31、AC800系列可编程控制器及DCS集散系统的基础上，面向所有过程控制应用场合的**过程控制系统。
        AC500系统由CPU，通讯模块，CPU底板，I/O模块和端子板，FBP接口模块和端子板，程序存储卡等组成,如图1所示。  

图1  AC500硬件组成
        CPU处理模块有PM571、PM581 和PM591三个不同的等级。均带有：LCD显示、操作按键、一个SD卡的扩展口和两个集成的串行通讯口。CPU可直接插在CPU底板上，底板可选择集成以太网或者ARCNET网络接口。此外，保留的CS31的通讯接口是考虑到了和AC31等ABB公司其他系列PLC的兼容性。
        通讯模块除了CPU上集成的通讯接口外，每一个CPU上还可多扩展4个通讯接口。这4个通讯接口可扩展为任意的标准总线协议。CPU上集成的两个Modbus通讯接口和可选集成的以太网或ARCNET网络接口外，通过通讯扩展接口还能扩展Profibus-DP、Device-Net、CAN-open和以太网等总线接口。
         I/O 模块输入/输出模块有模拟量和开关量两大种类。每个输入/输出模块均可直接插到端子板上，CPU本地和通过FBP分布式扩展的子站，可大扩展到7个输入/输出模块。AC500还可以提供每一点都可以根据用户的需求及可设置为输入又可设置为输出的开关量模块。
         FBP 的接口模块这种模块集成了一定数量的开关量输入/输出，并且通过它实现和CPU 的通讯和分布I/O。这个分布模块后面又可大扩展7个输入/输出模块。
         AC500 Control Builder 编程AC500 Control Builder 编程是一套可对所有系列AC500      CPU进行编程的工程工具，这套编程软件符合IEC61131-3的，可支持五种不同的编程语言：
      　　　　－功能块（FBD）
      　　　　－语句表（IL）
      　　　　－梯形图（LD）
      　　　　－结构文本（ST）
      　　　　－顺控图（SFC）
              －控制图（CFC）
       采用AC31-40/50自动化系统作为现场控制单元实现过程控制，以灵活多样的分布式I/O接收现场传感检测信号。AC500采用符合IEC－1131－3的编程软件和现场设备库，提供连续控制、顺序控制、流程图编程及编程语言。现场设备库提供大量的常用的现场设备信息及功能块，可大大简化组态工作，缩短工程周期。
 
2.2污水处理厂规模

       序批式活性污泥法简称SBR (Sequence Batch Reactor)法，是早期充排式反应器的一种改进。随着自动控制水平的**，SBR法引起人们的重新重视，并对他进行了更加深入的研究与改进，自1985年我国座SBR处理设备在的投产，目前已经广泛的应用在工业污水和城市污水的处理中 。
       该污水处理厂就是采用了水解－SBR耗氧处理工艺，一期工程进口预处理段**泵站配水井、变配电系统、集泥池、浓缩池按三期总12万立方米／日的处理能力装备。水解池、SBR池按2万立方米／日的处理能力先上一组，鼓风机、脱水机各先上两台。二期工程4万立方米／日处理能力的一组水解池、SBR池及各两台鼓风机、脱水机。三期工程再上6万立方米／日处理能力的两组水解池、SBR池及各三台鼓风机、脱水机。 
 

图2  污水厂总揽
        污水厂地域分布广阔，一期位于塘西污水厂2004年完成，二期位于良诸污水厂2005年完成，三期位于余杭污水厂2006年完成，每个污水厂都有独立的电气监控中心，主监控中心被设置在余杭污水厂办公楼。
2.3自控系统解决方案

2.3.1 自控系统分级

         污水厂之间远超过20公里，采用内部局域网，实现网络浏览各厂污水生产管理功能。考虑到工业网络发展趋势和系统可升级性，整个系统分成三级。级：现场设备层（现场的各分系统或成套设备,采用Modbus现场总线，可经济接入其他厂家的PLC、各类现场仪表仪器、各类阀门和计量设备, 实现就地设备的控制。）。第二级：过程控制层（以AC500 PLC系统作为现场控制核心，按场区配置分站，通过Modbus网与所属分布I/O通讯对**、液位、pH值等参数进行采集、并依据工艺控制程序实现过程自动控制。）第三级：监控管理层（采用Modbus TCP/IP 工业以太网，在监控站点采用星形拓扑网络结构，将PLC、计算机、打印机、投影仪等设备连接起来。）
        此系统解决方案，级现场设备层，就地控制，由ABB公司的AC31系列产品组成分布I/O，采集现场参数,执行上一级PLC主站的控制命令。第二级过程控制层，由ABB公司的AC500 PLC系统作为控制核心。第三级监控管理层，由中央控制室的操作站实现，采用的上位机软件MCGS作为监控和管理。

2.3.2 解决方案配置
       在监控管理层，工控计算机只需一块普通的网卡就可以通过Ethernet  LAN接收到来自PLC主站的数据。PLC主站由1台AC500系列PLC及相应的外围设备组成，置于中央控制室。PLC主站从分布I/O接收数据，进行相关的处理与控制，同时通过标准工业以太网TCP/IP通讯模块(TB521-ETH)传输给工控计算机,传输速率为10Mbit/s ,介质为屏蔽双绞线。
        在过程控制层，PLC主站通过CPU(PM581)上保留的CS31通讯接口、Modbus-RTU通讯总线与分布I/O（AC31远程扩展模块）构成高速通讯网络,随时采集现场设备的运行状况和故障信息,并上传工控计算机，形成分布控制。

 图3   AC500在污水厂自控系统解决方案

         在现场设备层，本系统共设8个分布I/O。从经济实用角度考虑，由于AC500系统可以兼容AC31的远程扩展模块， 1#～8# 分布I/O分别选用AC31系统的远程扩展模块（ICMK14 N1-24DC）。分布I/O置于污水控制现场，就近控制所属设备，形成分布控制的能力，并采集现场设备的运行状况和故障信息，通过Modbus-RTU总线联接到PLC主站。Modbus-RTU总线是一种点对多点的RS485串行通讯，每个通讯系统由一个主站和大31个从站组成。通讯距离不加中继为1200米，加中继大可达到3000米。通讯介质为:屏蔽双绞线。

2.3.3 系统方案优点
        AC500 PLC系统除了有外形美观，性能可靠，价格适中等特点，在项目具体实施中还具有如下优点：可设置输入/输出的开关量模块，为备用点数的设置提供了方便并能进一步降低成本；模拟量的每个输入通道都可以设定电流，电压或者热电阻等输入信号，使用方便；编程软件中集成的MODBUS功能块，非常实用，易于操作，大大节省了编程时间。
        采用AC31-40/50自动化系统作为现场控制单元实现过程控制，以灵活多样的分布式I/O接收现场传感检测信号。AC500采用符合IEC－1131－3的编程软件和现场设备库，提供连续控制、顺序控制、流程图编程及编程语言。现场设备库提供大量的常用的现场设备信息及功能块，可大大简化组态工作，缩短工程周期。

2.4 系统的技术特点

2．4．1现场设备就地控制

        对单体设备来说其控制分为三种模式，其优先顺序为现场手动控制、远程手动控制和远程PLC自动控制，这样现场发现设备故障时可以快的速度切断故障设备的运行，大程度地降低设备的损坏程度。在整个系统中，单体设备的损坏时保证系统其它无关联设备的正常运转。
 

图4 现场单体设备

2．4．2现场总线分散控制

        结合污水处理工艺要求及设备空间分散特点，在布线少、功能完整的情况下对全厂的站点进行了划分，子站为泵房站、水解池站、1号改进SBR站、2号改进SBR站、脱水机房站和鼓风机房站。泵房子站负责**泵房、粗格栅、细格栅和沉砂池的数据处理，脱水机房站除负责脱水机房外，集泥池、浓缩池也归在该站内，其余子站负责各自的工艺单元。
 

图5  泵房子站控制柜

2．4．3上位机监控管理

        自控系统操作与污水处理厂管理层的衔接主要是把自动控制系统收集到的全厂信息可以顺利传输到管理层计算机，管理人员可以在线查看污水处理厂的运行状况并调用相关的运行数据。
        随着监控软件的供应商对INTERNET技术的不断应用开发，监控软件都可以通过局域网或INTERNET广域网进行信息发布，管理层或授权用户在任何可以上INTERNET网的地方便可浏览运行状况。而所使用MS IE浏览器的安全性问题已经得到解决。
        通过上位监控软件系统直接采集的在线仪表数据，并以数据报表和图形显示，还可根据处理工艺原理自动对所采集的数据进行分析和推导，提炼出对运行操作更有指导意义的数据。
 

图6  SBR污水处理工艺图

2．4．4顺控图简化了程序

        多种编程语言同时编写同一个工程项目，生产工艺控制流程采用顺控图（SFC）简化了复杂的工艺流程分支，让工程师对复杂的工艺流程图如同画图一样编写程序，使主工艺程序易于维护和修改。

 图7  主工艺顺控图（SFC）

2．4．5总线通讯简单方便

        通过AC500的Control Builder软件来编写PLC的内部通信程序。由于AC500的Control       Builder软件可以提供现成的MODBUS功能块，编程十分简单。以1＃分布I/O远程扩展模块为例，定义它的地址表，如表1：
 

表1   1＃分布I/O远程站地址表
        地址%MX0.0.0至%MX0.0.7是ICMK14N1-M的系统保留区域，不能使用。地址%MX0.1.0至%MX0.1.7作为此远程扩展模块自带的开关量输入，分别对应进水泵房及沉砂池的相应设备。依照同样的方法，可以继续定义1＃分布I/O的（XI16E1,XC32L,HE10-20,…等）开关量及模拟量输入/输出模块，然后依次是2＃～8＃分布I/O的所有模块。
以1#分布I/O的读指令为例，如图。
 

图8 读1#分布I/O的读指令
       只需设定好MODBUS功能块的（COM,SLAVE,FCT,ADDR,NB等）参数，PLC主站就可以顺利的从1#I/O子站读取数据。其中FCT，NB的参数可根据实际情况依照表2确定。
 

表2  Modbus操作功能表
        运用MODBUS功能块依次完成1～8＃分布I/O的读，写指令的编程，PLC主站与分布I/O之间的通信就建立完成了。在实际调试中，发现还需通过软件的PLC组态选项，将MODBUS的参数：RTS control设置为“bbbegram”, Parity设置为“none”，Operation  Mode设置为：“Master”。至此，PLC的主站已经可以对I/O从站中的各种参数进行采集与控制。
 
3 结语

        整个自控系统很好地实现了建厂之初的设想，已经顺利运行。系统的稳定性和方便性均经过了反复测试并且表现良好。自控系统在2006年底通过排水公司验收达标，并实现即使无人值班的情况下，也可正常运行。实际的运行结果表明,其设计合理,安全可靠,控制精度高，满足了生产的实际需要，。此外，采用了Modbus总线和成熟的方案技术，使系统日后扩充和维护方便得到保证。以上对整个自控系统做了介绍，希望能起到抛砖引玉的作用，给其他的污水处理项目提供一个选择方案。