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SBR污水處理工藝中PROFIBUS現(xiàn)場總線的應用

文檔作者：馬小麗文檔來源：太原理工大學環(huán)境科學與工程學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月27日
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2010年第3期(總第60期)
砂曲“漾占予鍵
SHANXl ENERGY AND CONSERVATION 2010年6月
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SBR污水處理工藝中PROFIBUS現(xiàn)場總線的應用
馬小麗
(太原理工大學環(huán)境科學與工程學院，山西太原030024)
摘要： 敘述了實現(xiàn)基于PROFIBUS現(xiàn)場總線控制的污水處理自動控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結構與網(wǎng)絡配置以及對污水處理過
程中曝氣量的控制方法。
關鍵詞： 序批式活性污泥法；污水處理；現(xiàn)場總線
中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號： 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，中國污水處理廠的建設重心逐漸由大城
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。據(jù)統(tǒng)計，2009年中國污水處理廠平均設計規(guī)
模比2005年下降了24％。與此同時，污水處理廠分布
地域快速擴大，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)濟高效的污
水處理技術SBR法得到了進一步的運用和發(fā)展。
盡管SBR法具有工藝簡單、效率高、脫氮除磷效果
好、防止污泥膨脹性能強、耐沖擊負荷等優(yōu)點，但同時，
SBR法也存在操作比較復雜，難以管理，自動控制效果
不理想的缺點。隨著計算機技術、通信技術和自動控
制技術的發(fā)展，SBR工藝的自動化操作水平有了一定
的提高，但仍沒有實現(xiàn)設備之間以及系統(tǒng)與外界之間
的網(wǎng)絡互連和資源共享，因此，如何進一步提高SBR工
藝生動化控制、管理水平仍然是當前和今后一段時間
的重要課題。
1 SBR工藝介紹
SBR(Sequencing Batch Reactor)是間歇式活性污泥
法的簡稱，是一種按照一定的時間順序間歇式操作的
收稿日期：2010—01—27
作者簡介：馬小麗，1975年生，女，山西聞喜人，2006年畢業(yè)于
太原理工大學環(huán)境工程專業(yè)，碩士，助教。
·74·
污水生物處理技術，也是一種按間歇曝氣方式運行的
活性污泥污水處理技術，又稱序批式活性污泥法。其
去除污染物的機理與傳統(tǒng)的活性污泥法基本相同，只
是運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，按不同的時間順序進行各種目
的的不同操作，全部過程都放在一個池內(nèi)周而復始地
進行，無需設置二沉池及污泥回流系統(tǒng)。典型的SBR
系統(tǒng)分為進水、反應、沉淀、排水與閑置5個階段運行。
2 PROFIBUS現(xiàn)場總線技術?
國際性開放式的PROFIBUS現(xiàn)場總線技術，廣泛
應用于自動控制系統(tǒng)。目前，世界上多數(shù)自動化技術
生產(chǎn)廠家都為它們的自動化設備提供PROFIBUS通
信接口。根據(jù)應用特點，PROFIBUS包括PROFIBUSDP，
PROFIBUS-PA，PROFIBUS-FMS 3個兼容部分。
其中，PROFIBUS-DP屬于高速低成本通信，用于設備
級控制系統(tǒng)與分散式I／0的通信；PROFIBUSFMS用
于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡，是個令牌結構、實時多主網(wǎng)絡；
PROFIBUS-PA專為過程自動化設計，可使傳感器和執(zhí)行
機構聯(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)絡拓撲結構，總線上最
多可掛接127個站點。傳輸速率為9．6 kbps～12．0 Mbps，
其最大傳輸距離，在12 Mbps時為100 m，1．5 Mbps時
為400 m?？捎弥欣^器延長至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，需建立
從監(jiān)控到現(xiàn)場控制的一體化系統(tǒng)，同時考慮到控制的
實時性和可靠性以及系統(tǒng)的可擴展性和先進性，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)場總線的應用2010年6月
選擇了基于PROFIBUS—DP的現(xiàn)場總線，并采用了冗
余技術，設計了SBR法污水處理的控制系統(tǒng)。
3控制系統(tǒng)結構
該控制系統(tǒng)的設計采用PROFIBUS網(wǎng)絡的3層控
制體系，“分散控制，集中管理”的分布式控制系統(tǒng)結
構。通過分散控制將可能發(fā)生故障的危險進行分散，
降低故障發(fā)生的概率，實現(xiàn)故障發(fā)生后事故處理。通
過集中管理實現(xiàn)采集信息的綜合集中，達到優(yōu)化控制
的目的。
3．1管理監(jiān)控級
主要完成設定值的操作輸入(如，流量設定值、pH
設定值等)、與下位機之間的通信、系統(tǒng)報警、運行管理
以及所有工藝參數(shù)和設備運行狀態(tài)的顯示。考慮到工
控機具有性能穩(wěn)定、抗干擾性好，結合污水處理廠的實
際運行環(huán)境，選用工控機IPC作為實現(xiàn)管理監(jiān)控功能
的上位機。
3．2控制級
主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、算法控制、信號輸出控制及工
藝信號連鎖等功能?？刂萍壥菍崿F(xiàn)系統(tǒng)功能的關鍵，
也是管理級與現(xiàn)場級之間的樞紐，接受管理層設置的
參數(shù)或命令，對污水處理生產(chǎn)過程進行控制，同時將現(xiàn)
場狀態(tài)輸送到管理層?；赟BR法污水處理工藝的自
動控制過程比較復雜，且是一個順序性、周期性很強的
邏輯操作系統(tǒng)。因此，采用功能強大、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)。
3．3現(xiàn)場級
主要進行信號轉(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，對系統(tǒng)設備的狀態(tài)、傳感器參
數(shù)進行監(jiān)測，把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)上傳，接受控制級的指
令、執(zhí)行機構進行控制。現(xiàn)場級是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的基
礎，由一次儀表(如，液位計、DO傳感器等)、控制設備
等組成。該系統(tǒng)的主要一次儀表和控制設備包括液位
計、電動蝶閥、流量計、溶解氧儀、報警器等。
4 PROFIBUS網(wǎng)絡配置
4．1網(wǎng)絡硬件配置
該系統(tǒng)選用PROFIBUS-DP的電氣網(wǎng)絡配置形
式。將上位監(jiān)控機(工控機IPC)和現(xiàn)場控制可編程序
控制器PLC作為主動站。將曝氣過程中控制電機的變
頻器及工藝中應用的智能傳感器和外圍I／o設備，作
為從動站?？偩€節(jié)點(主或從設備)采用IM／CP接口
或集成接口的RS-485端子與PRoFIBUS-DP網(wǎng)絡連
接。在PROFIBUS電氣網(wǎng)絡中，依據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率的
差異，設定每段不同的最大長度。對站點之間相距較
遠的，在網(wǎng)絡中，采用R§485總線中繼器來連接各段。
IPC接人PROFIBUS總線時，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，將上位機作為編程
監(jiān)控的一類主站。
PLC接入PROFIBUS總線可設定為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；b)處
理器CPU不設內(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)絡時需通過通信模塊EM277，且不能將
其設為主站，只能作為從站接入。
對污水處理系統(tǒng)中控制電機的變頻器、DO儀、溫
度計、pH計、液位計等現(xiàn)場設備，接入PROFIBUS網(wǎng)
絡時，可采用智能型可直接接人，也可采用其他方式接
入遠程I／0后，再通過ET200接入網(wǎng)絡。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(電子設備數(shù)據(jù)庫文件)和功能參
數(shù)。PRPFIBUS組態(tài)工具可根據(jù)廠商提供的GSD文
件將其設備集成在同一總線系統(tǒng)中(見圖1)。
圖1 網(wǎng)絡結構圖
4．2網(wǎng)絡組態(tài)
硬件系統(tǒng)組建后，為實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡的連通，采用
SIMATIC net 6．0軟件或Step7軟件對網(wǎng)絡進行組態(tài)。
首先，對s7．300的機架、電源、CPU、信號模件、通信處
理器CP等，按實際配置類型和物理地址進行組態(tài)。再
進行PROFIBUS網(wǎng)絡組態(tài)，使用SIMATIC程序組中
的Configuration Console設定PROFIBUS的模式為
Configured Mode，插槽號設為任意值，站點地址值不允
許重復。網(wǎng)絡中所有站都設置為相同的數(shù)據(jù)傳輸率，
從站地址單一賦值，設置完成后，再將配置結果下載到
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，達到去除有機物的目的。因微生物為好氧
菌，若供氧量過少、DO過低會造成細菌大量死亡，不利
于微生物的生長，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
運行費用，且會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
比較關鍵的任務之一[2J。
圖2 網(wǎng)絡組態(tài)配置曝氣量控制模塊截圖1
圖3網(wǎng)絡組態(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(鼓風機)的運行來控
制的。曝氣機的轉(zhuǎn)速大小由電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。DO
和曝氣量之間應存在著一個函數(shù)關系。由于迄今尚未
建立可行的數(shù)學模型，所以曝氣自動調(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DO值設一
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儀實時檢測到的DO值，與設
定值進行比較后，對變頻器發(fā)出信號，自動調(diào)節(jié)曝氣機
的啟、停及電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對空氣管路中空氣流量的控
制，達到調(diào)節(jié)曝氣量的目標。在反應階段，當DO值高
于上限時，PLC發(fā)出報警信號，并停止曝氣。當DO值
低于下限時，啟動曝氣機，開始曝氣。
6 結語
利用PRoFIBUS現(xiàn)場總線技術對SBR法污水處
理系統(tǒng)進行自動控制，不僅提高了污水處理的質(zhì)量，滿
足出水水質(zhì)要求，而且使操作更加簡單方便，降低了操
作人員的勞動強度。該系統(tǒng)運行可靠，投資較小，符合
中國中小城市污水處理的要求，應得到進一步的推廣
和應用。
參考文獻：
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2007．
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