西门子6ES516-3FN02-0AB0型号介绍
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，并取得了较好的效果,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**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)为核心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、**、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，应由稳定可靠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，使之安全可靠地运行。
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、可靠性、抗干扰性和本质安全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，它以一整套完整高性能并可升级的方式，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、操作和维护更为便捷，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、独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、**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，**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、网络超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) 网络安全 采用控制区域微网段化，各控制区域通过具有网络隔离和安全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) 可靠性 采用分散结构化设计、EMC设计、冗余、自诊断等可靠性设计技术等，**基于以太网技术的现场设备可靠性。
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佳解决方案，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。为了加强系统的可靠性，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 管理级是系统的核心部分，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。厂中心控制室中设备包括：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组态软件的完全版以及冗余软件包，两台服务器互为备用，实现冗余，**系统的可靠性。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核心，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,而无需重新连接编程器.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第三方厂商提供)，是解决这些问题的佳方案。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独立和兼容 ，同时解决了与第三方设备(撇水器、脱水机等)通讯问题,本系统的第三方设备均使用了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**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；
第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。
第三种是**程序控制。是根据污水**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,使其中的有机物浓度（用COD或BOD表示）达到允许的排放标准，就停止曝气。在线测定有机物浓度的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，操作人员在中心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，然后用计算的结果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,运行极不经济。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SCADA（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中心、远程监视中心和数据转发中心，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中心。 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，同时具有极高性价比的SCADA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。在中心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
（2）实时画面显示功能 用图形实时地显示各现场被控设备的运行工况，以及现场的状态参数。用模拟仪表、趋势图、曲线、柱状图动态显示参数的实时变化情况。根据阀门开闭及水泵的启停状态，生产管理人员能够快速、清晰地了解整个系统的生产运行情况。
（3）数据管理 数据库存储生产过程数据，供统计分析使用。工作人员可以定期把历史数据库备份到其它存储介质，以便于历史数据的查询。利用数据库中的数据进行比较和分析 ，得出一些有用的经验参数，有利于优化SBR工艺的闭环控制。
（4）报警功能 当参数超过设定范围或设备发生故障时，可根据组态发出不同等级的声光报警。在每幅画面的下方都有一个报警框，显示近发生的报警事件。所有报警信息都可显示在报警综合监视画面，所有的报警信息均被记录在报警数据库中，通过此画面可以查看当前系统的所有报警信息，也可查看长达几个月的报警历史数据，便于以后的事故分析使用。
（5）报表打印功能 可以实现报表和图形打印以及各种事件和报警实时打印。打印方式分为定时打印和事件实时触发打印。
（6）通讯功能 WinCC是基于标准的bbbbbbs平台开发的SCADA系统软件，充分考虑了与其它系统交换信息的必要性，支持如DDE，OLE，ODBC，OPC和SQL等标准。可以提供多种方式与上层系统数据交换。
（7）冗余功能 两台装有WinCC组态软件的服务器互为冗余，确保数据完整，**了系统的可靠性
一、概述
，全球的工业自动化动力、控制和信息系统解决方案供应商罗克韦尔自动化的集成架构产品和解决方案已经在冶金、电力、水处理、乳品饮料、烟草、水泥、石化、矿山、汽车制造等各个行业得到成功的应用和广泛的认同，其控制系统、软件、变频器在冶金各工艺生产中的应用举不胜数。宣钢炼钢车间的2座80t炼钢转炉、LF精练炉、2台连铸机及辅助布袋除尘器等工艺设施的测控全部采用了ControlLogix系统，工程于2002年5月18日顺利投产。据我们所知，这是ControlLogix系统在国内炼钢转炉上的应用。
近年来，随着炼钢转炉自动化程度的**，随着生产安全性、可靠性要求的**，随着全厂调度管理网络自动化的**，**的、开放的控制系统在生产中得到越来越广泛的应用。
宣钢新建炼钢车间的测控系统在初期的方案设计定论后即开始系统、品牌的招标，在的四大控制系统厂商：ABB、Siemens、Schneider、罗克韦尔自动化参与激烈竟标的情况下，罗克韦尔自动化的ControlLogix以其**的配置、良好的性能价格比脱颖而出，博得专家评委的一致青睐，终中标。
二、系统简介
2．1．控制系统配置
转炉控制系统配置：每座转炉本体、散状加料、余热锅炉、烟气净化各用1台PLC及操作站，转炉本体公用部分、鼓风机房、煤气回收输配各用1台PLC及1台操作站。1#、2#转炉各设1台服务器。转炉控制系统配置如
控制系统联接网络共有四层：1.设备网（DeviceNet/ProfiBUS）；2.控制网（冗余ControlNet）；3.厂级管理网（EtherNet/IP）；4.局域网（EtherNet/IP），该网设置于转炉主控室，以便转炉主控室2座转炉的10台操作站和服务器的联网使用。
现场设备联接的设备网有DeviceNet、ProfiBus，如氧枪变频器、煤气鼓风机6KV中压变频器直接通过设备网卡与PLC通讯。
所有1#/2#转炉及公用部分PLC、操作站、服务器之间采用（ControlNet）冗余控制网连为一体，实现PLC、操作站、服务器数据共享、实时交换。
连铸机、精炼炉同转炉一样，采用独立的ControlLogix控制系统。厂级管理网（EtherNet/IP）将转炉、连铸机、LF精炼炉控制系统的服务器与厂级管理机、调度机相连接，实现主要生产、能源数据相互交换，为厂级管理和调度人员提供产生调度、决策数据。
转炉各操作站、服务器采用DELL中高端配置商用计算机。服务器、操作站系统平台为bbbbbbs2000（服务器/客户版）。操作站上位监控软件为RSView32，PLC组态软件为RSLogix5000，网络组态软件RSLinx(Control Net/DeviceNet)等。转炉本体操作画面如
1#/2#转炉在主控室分别设置一台服务器，服务器用于网络管理、用户登陆控制，生产数据的管理、报表的打印，上位管理网的通讯、工程师的软件开发及维护使用等。为实现ERP功能奠定基础。在生产中服务器也可作为操作站使用。 
2．2．控制系统特点
代表自动化发展新趋势的新一代ControlLogix控制系统，从传统单纯的PLC和DCS控制转为PLC和DCS融合发展的方式，是罗克韦尔自动化顺应这种发展潮流推出的新一代的控制平台，Logix控制器平台是将高速离散控制、过程控制、协调传动控制、运动控制、批次控制和安全控制融于一体的一个控制平台。允许混合使用多个处理器、多种网络和I/O。系统灵活性强、易于集成、模块化设计、开放式结构，特有的升级固件，使得系统在应用**能强大、安全可靠，而且极大地节省培训费用和工程实施费用。
ControlLogix在宣钢转炉过程控制中应用的技术，具有下述特点：
1. 控制器：每台Logix5555控制器大寻址量128000点DI/O，4000点AI/O及回路。ControlLogix平台通过背板提供了高速数据传输。各控制器能产生(广播)和使用(接收)系统标签，这种技术使得多个控制器共享输入信息和输出状态，非常实用。可选用户内存(1.5Mb)。
2. 1756系列智能I/O模块：I/O模块种类繁多，可拆卸端子，具有带电拔插、分变则报(COS)、自诊断、时间标记、模块标识、闪存升级、电子保险、单独隔离等功能。模块广播数据的速率可设定。1756-HSC高速计数模块(4通道)每2ms就能更新数据，效率高。
3. 网络设置：网络分层、分工明确、安全可靠。控制网ControlNet冗余、开放、高速、实时、对等传送数据信息，ControlNet能够可靠预测数据何时发送，具有高度的确定性。设备网DevicelNet，是一种开放式的底层通用网络，基于标准的CAN技术，具有互操作性。成本及维护费用低。
4. 罗克韦尔软件：是罗克韦尔自动化公司自行开发推出的产品，具有世界工业界的水平。RSLogix5000梯形图编程软件包，有灵活易用的编辑功能、通用的操作画面、诊断和纠错工具。RSView32是高度集成、基于组件的人机界面，发挥微软技术优势的监控软件，其开放性与第三方程序有高度兼容性。RSLinx为现场设备连接罗克韦尔自动化产品的通讯软件，界面友好、功能强大，支持不同网络上的设备通讯。
2．3．控制系统主要功能及效果
控制系统完成1#/2#转炉本体、散状加料、汽化冷却、烟气净化及公用部分、煤气鼓风机房、煤气回收输配等工艺的生产参数的在线检测、数据处理运算、显示、存储、管理、控制输出、报表打印、记录操作过程等功能。程序全自动时，设备由计算机控制，操作人员可通过人机对话修改设定值、可直接控制设备运行。
转炉顶吹氧枪及介质控制、转炉低吹数模控制、转炉散状加料控制、二文喉口开度调节、汽包液位调节等全自动控制等在任何转炉生产车间都是较难控制的工艺对象，而宣钢转炉控制系统，加以独特的程序处理，这些工艺对象控制得非常理想，其中转炉顶/底吹气体压力或**可以控制在设定值的3%以内，转炉喉口差压可以控制在6Pa以内，这些数据与兄弟单位相比，处于地位。
三、应用推广
**的控制系统是一个现代化工厂的标志，对于企业有着深远的社会效益和经济效益。ControlLogix系统在宣钢转炉及整个炼钢车间的成功使用，不论生产测控，还是厂级生产调度管理，都达到的水平。为宣钢节约了能源、降低了成本、减少了操作人员，**了生产的安全性，**了产品的合格率、生产率。炼钢车间自2002年5月18日投产后，一个星期即达产。半年的生产时间，使宣钢创下了前所未有的历史产量及经济效益。经与甲方领导交流，估计由控制系统良好使用带来的效益每月至少增加200万元(人民币)。
“尽管许多自动化公司都声称能够向客户提供自动化设备及解决方案，但我们认为只有罗克韦尔自动化公司和及其代理商雄越公司做得好！”宣钢炼钢厂自动化车间樊主任说：“他们有**的产品技术、雄厚的技术力量、良好的售后服务，我们与他们合作是佳的选择，在未来的项目中我们将继续采用他们的产品技术。”
宣钢80吨转炉的投产，尤其是控制系统，成为了兄弟单位参观学习的样例工程。山东青岛钢厂(80t转炉)、珠海粤裕丰钢厂(2x65t转炉)、承德钢厂(3x100t转炉)等单位在考查完宣钢80吨转炉项目后，已确定炼钢车