西门子PCS7系统及AS410冗余控制器在污水处理厂的应用

赵宇洪

摘要：本文介绍了西门子PCS7系统及AS410冗余控制器在污水处理厂的应用，综合应用冗余控制器及各控制站与中控室的光纤环网，以及中控室双机热备服务器，提高了污水厂控制系统的整体可靠性。

关键词：污水处理；PCS7系统；AS410冗余控制器；光纤环网

引言

南充市嘉东污水处理厂扩建工程厂址位于位于南充市高坪区江东南路，为扩建工程。污水处理厂现状一期工程规模为3万m³/d，本次扩建工程规模为1.9万m³/d，远期（2020年）扩建3.1万m³/d，达到8万m³/d。根据规划，远景规模按照12万m³/d控制。

正文

控制系统结构

由于污水厂一期控制系统无法提供源程序且已预定改造，故本次扩建工程的控制系统独立运行，与一期系统共用中控室。

本期控制系统共设置两个PLC站和1个中控室站，各站设置1台光电交换机，各站之间通过多模光纤连接光电交换机进行通信。

1#PLC站负责控制生物池、污泥泵房和二沉池、中间水池及提升泵房、污泥浓缩池的设备控制和仪表通信；2#PLC站负责高效澄清池、精密过滤池、加药间的设备控制和仪表通信。1#站与2#站的接口模块采用Profibus现场总线进行连接与通信。

设备就地与远程控制

各构筑物内的设备（泵、搅拌器、阀门等），通过设备附近的的控制箱进行就地控制。当控制箱上的控制模式旋钮打到“就地”时，设备可以通过控制箱上的指示灯和启停按钮观察设备状态和进行启停操作。

各构筑物内的设备控制箱，当控制模式旋钮打到“远程”时，设备的控制模式、运行状态、故障状态等信号以及起停控制输出等端子，通过硬接线从控制箱接到了PLC站端子排。其中，为了保证PLC模块的安全，PLC的数字量输出信号经过中间继电器转换之后再接入到PLC端子排。这样，当控制模式旋钮打到“远程”时，设备就改为接受中控室的远程人工控制或者中控室设置的PLC程序自动控制。现场控制箱上只能通过信号灯观察到设备的运行状态，但是无法对设备进行启停操作。

光纤环网通信

各站内部和中控室内部各设备（各电脑等）通过光电交换机上的网口进行以太网通信，各站之间通过铺设的8芯多模光纤进行通信。为提高控制系统的可靠性，采用的是西门子环网交换机并铺设了光纤环网。

独立设备与PLC间的通信

本次扩建工程的精密过滤器、PAM制备设备、PAM投加设备和PAC投加设备，是属于有PLC控制的独立设备，他们都采用的是西门子200Smart PLC。因此，通过以太网与控制站的AS410冗余控制器进行通信，再由AS410冗余控制器将信号传送到中控室，并由AS410冗余控制器转发中控室的控制指令。

PLC站

本次扩建工程的两个PLC站，均同时配备了3kVA UPS电源柜为其供电。同时，UPS电源柜还为现场仪表箱提供电源。这样确保了短时间断电情况下，控制系统还能获取现场的设备及仪表信息。

PLC柜中，通过UPS柜过来的AC 220V电源，经过两个西门子DC 24V直流电源之后，再由一个冗余电源输出，通过端子排输出到各DC24V用电元件。

AS410冗余控制器，包含了两个PS407电源模块和两个CPU模块。CPU模块不直接接IO模块，而是通过Profibus接口模块与各IO模块建立连接。接口模块也是冗余配置，最大程度确保了系统的可靠性。

同时，通过无绕切换设计，确保了设备在控制状态转换的时候（就地控制与远程控制切换），不至于发生突然停止的情况。

PCS7软件系统的组态与控制程序的编辑

PCS7系统是西门子的过程控制系统，具有可靠性高、可扩展性好的特点。

在现场进行施工的同时，就同步进行了控制系统的构建与程序的编写。

首先，在组件视图中进行了网络结构的组态与编译下载，经过测试，通信正常。

然后，在工厂视图中建立工厂层级，并将设备的控制逻辑和仪表的显示逻辑一一写入。再将写好的程序进行编译，下载到PLC，设备运行正常。

中控室设备

本次扩建工程的中控室设备，包含了硬件和软件系统。其中硬件系统包含了两台机架式服务器（放置于服务器间的服务器机柜）、光电交换机、工程师站和操作员站（放置于中控室），软件系统包含了两台服务器操作系统软件、两套数据库软件、两套普通电脑操作系统，以及西门子PCS7系统软件与授权（冗余服务器授权、工程师站授权、操作员站授权）。

在操作界面测试了热备冗余服务器的自动切换。当主服务器故障时，系统自动切换到了备用服务器，设备运行及数据采集均未受到影响。

设备与仪表关联运行

由于采用A²O工艺，本次扩建工程中的大部分设备都是属于长期运行状态。仅有少量设备是根据仪表参数来进行运行。以下仅以中间水池及提升泵房的潜水泵运行举例来说明仪表运行逻辑的设计。

中间水池及提升泵房设置了4台潜水泵，定为2用2备。虽然二期A²O生物池来水量基本平稳，但由于一期CASS池的水的汇入，因此中间水池的来水量变化较大。原计划采用PID调节的方式实现对4台泵变频器的控制，但是因为上述来水量差异原因，可能会造成变频器频率一直处于调整中，对泵的寿命可能造成影响，因此最终变更为根据超声波液位计获取的中间水池液位来进行中间水池潜水泵的启停。

图1. 中间水池潜水泵启停逻辑

经过实际运行测试，各泵根据上述液位启停正常。而且由于使用的是双液位计，规避了因一台液位计失效造成的设备运行风险。

结论

通过本工程的实践，测试了PCS7系统及AS410冗余控制器在污水厂的实际运用。通过在PLC硬件、通讯网络、服务器、电源等各方面的冗余设计，以及在软硬件等方面的调整，确保了整个控制系统的高效稳定运行。

参考文献：

1. 《SIMATIC 过程控制系统 PCS 7 SMART 入门指南 - 第 1 部分（V9.0，含 APL）》，西门子，2017.12

2. 《SIMATIC 过程控制系统 PCS 7 SMART 入门指南 - 第 2 部分（V9.0，含 APL）》，西门子，2017.12

3. 《S7-400H与S7-200 SMART 通过以太网进行通讯》，西门子，2018.12