引言

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的加快，中小城市污水量呈現(xiàn)逐年增加趨勢，為減少污水收集管網(wǎng)的工程建設(shè)投資，中小城市污水處理設(shè)施呈現(xiàn)分散、規(guī)模小等特點。受經(jīng)濟發(fā)展水平、處理要求、運營管理經(jīng)驗和水平等影響，大型污水處理控制系統(tǒng)難以適應(yīng)這些中小污水處理工程的建設(shè)要求，尋找適合城市中、小污水廠的污水處理控制系統(tǒng)顯得十分重要。本文介紹西門子S7-300 PLC軟冗余系統(tǒng)在安徽無為縣城污水處理廠的成功應(yīng)用，該系統(tǒng)既保證了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和實時性，又降低了工程建設(shè)成本。

1 系統(tǒng)介紹

安徽無為縣城污水處理廠是一座由安徽現(xiàn)代污水處理有限公司按BOT方式（建設(shè)-運行-移交）籌資建設(shè)的的城市污水處理廠，處理規(guī)模一期40000m3／d，廠址位于無為縣城東北部陳家村西側(cè)，占地面積約3．34公頃。無為污水處理廠主要處理來自縣城東北區(qū)約13萬人的生活污水及工業(yè)廢水，采用A／A／O工藝，主要構(gòu)筑物包括粗格柵及進水泵房、細格柵及旋流沉沙池、生物反應(yīng)池、二沉池配水井及污泥泵房、二沉池、紫外線消毒渠和儲泥池等，其流程圖如圖1所示。設(shè)計要求出水水質(zhì)達到GBl8918-2002國家一級B排放標準，污水處理過程中產(chǎn)生的污泥采用濃縮脫水處理后外運至垃圾填埋場填埋。

無為污水處理廠控制系統(tǒng)設(shè)1個監(jiān)控中心（中控室）、3個現(xiàn)場PLC站（模擬屏站PLC01、變配電間站PLC02、污泥脫水間PLC03站）。其中變配電間站最為重要，主要控制提升泵站、格柵井、沉沙池、氧化溝、二沉池、回流泵站、剩余污泥泵站、貯泥池的自動運行。關(guān)鍵控制對象是氧化溝中的含氧量和回流污泥量，以保證維持微生物的生存環(huán)境，達到去除原污水中污染物的目的。

2 選型比較

對于變配電間站控制系統(tǒng)的選型，以前類似工程大多采用A-B公司的ControlLogix系列或是西門子S7-400系列的硬件冗余系統(tǒng)，具有穩(wěn)定性好、切換速度快等優(yōu)點，但造價相對昂貴，是國內(nèi)大型污水處理控制系統(tǒng)的優(yōu)先選擇。目前中小城市的污水項目很多為BOT項目且對控制系統(tǒng)切換時間要求條件不是太高，所以要求控制系統(tǒng)選型時既要保證性能，又要降低成本。據(jù)德國西門子公司提供的資料，硬件雙機冗余系統(tǒng)的價格比軟冗余系統(tǒng)高40％左右，但可用率只提高O．08％。在國外大部分同等規(guī)模的污水處理廠中也未采用雙機硬件冗余系統(tǒng)，所以需要對控制系統(tǒng)的技術(shù)有更深入的了解，避免在設(shè)計選型上照抄、照搬。通過對西門子硬件冗余和軟件冗余系統(tǒng)的深入分析和性能比較，最后決定選用價格相對便宜而性能又比較穩(wěn)定的軟冗余系統(tǒng)。

3 軟冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

控制系統(tǒng)冗余常見方式是中央處理器冗余、I／O冗余和通訊冗余。中央處理器冗余是在主處理器失效時，備用處理器自動投入運行從而接管控制。在控制權(quán)的交互方式上又分為硬件冗余和軟件冗余兩種。硬件冗余是采用硬件方式進行切換，除成對的使用中央處理器外，還需專用的熱備模塊負責檢測處理器，一旦發(fā)現(xiàn)主處理器失效，馬上將系統(tǒng)控制權(quán)交給備用處理器。硬件冗余采用光纖通訊，通訊速度快，系統(tǒng)穩(wěn)定，切換時間更短，但是成本也高。軟件冗余方式只需要成對的處理器，用軟件編程的方式進行處理器的切換，組成比較經(jīng)濟，構(gòu)成十分靈活，但程序處理需要一定的時間，對于時鐘同步及切換時間要求不是十分嚴格的場合，選用軟件冗余方式是非常經(jīng)濟有效的。

3．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟冗余系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

西門子S7-300 PLC軟冗余系統(tǒng)由A和B兩套PLC控制站組成。開始時A站為主，B站為備用，當主站A中的任何一個組件出錯，控制任務(wù)會自動切換到備用站B當中執(zhí)行，這時，B站為主，A站為備用，這種切換過程是包括電源、CPU、通訊電纜和IMl53接口模塊的整體切換。系統(tǒng)運行過程中，即使沒有任何組件出錯，操作人員也可以通過設(shè)定控制字，實現(xiàn)手動的主備系統(tǒng)切換。這種手動切換功能對控制系統(tǒng)的軟硬件調(diào)整、更換和擴容非常有用的。

3．2 系統(tǒng)工作原理

在軟冗余系統(tǒng)進行工作時，A，B控制站（處理器，通訊、I／O）獨立運行，由主站的PLC掌握對ET200從站中的I／O控制權(quán)。A，B站中的PLC程序由非冗余（non-duplicated）用戶程序段和冗余（redundant back-up）用戶程序段組成，主系統(tǒng)PLC執(zhí)行全部的用戶程序，備用系統(tǒng)PLC只執(zhí)行非冗余用戶程序段，而跳過冗余用戶程序段。軟冗余系統(tǒng)中PLC內(nèi)部程序運行過程如圖3所示。

在主控制站發(fā)生故障時，主備控制站的切換時間=故障診斷檢測時間+同步數(shù)據(jù)傳輸時間+DP從站切換時間。如果CPU的故障是停機或斷電，故障診斷為大約100～1 000 ms。數(shù)據(jù)同步所需時間取決于同步數(shù)據(jù)量的大小和同步所采用的網(wǎng)絡(luò)方式，目前普遍采用Ethernet網(wǎng)方式。以CPU 315-2DP為例，同步1000B的數(shù)據(jù)所需時間大約為200～300 ms。還有2個DP從站的切換時間在70 ms左右。無論控制程序循環(huán)掃描到哪里，當前激活的系統(tǒng)（即主系統(tǒng)）隨時都會接收并處理報警，但在主系統(tǒng)A與備用系統(tǒng)B進行切換過程中產(chǎn)生的報警存在被丟失的可能。

4 硬件選型

無為縣城污水處理工程變配電間站軟冗余系統(tǒng)選用SIMATIC S7-300系列PLC，中央處理器為CPU315-2DP，編程軟件為Step7 V5．2。其中PLC本體與遠程I／O通訊為PROFIBUS協(xié)議的串口通訊，PLC與計算機采用工業(yè)以太網(wǎng)，并以工業(yè)以太網(wǎng)作為冗余網(wǎng)絡(luò)。其PLC模塊選型如下：

（1）電源模塊6ES7307-1EA00-OAA0兩塊給CPU供電；

（2）中央處理器CPU315-2DP 6ES7315-2AGl00AB0兩塊，工作存儲器512 KB；

（3）通訊模塊6GK7343-1EX20-0XE0兩塊與計算機進行網(wǎng)絡(luò)通訊并進行兩個CPU間的冗余通訊；

（4）接口模塊6ES7153-2AA02-0XBO兩塊進行PROFIBUS遠程I／O和系統(tǒng)間的冗余通訊；

（5）電源模塊6EPl333-2AA00兩塊給ET200供電；

（6）DI數(shù)字量輸入模塊6ES7321-1BL00-0AA0六塊采集現(xiàn)場設(shè)備的開停、運行及故障狀態(tài)；

（7）DO數(shù)字量輸出模塊6ES7322-1BL00-0AA0三塊控制現(xiàn)場設(shè)備的啟停；

（8）AI模擬量輸入模塊6ES733l-7KF02-0ABO四塊采集現(xiàn)場的液位、壓力、流量、PH／T、濁度以及風機和加藥泵的頻率信號；

（9）A0模擬量輸出模塊6ES7332-5HFOO-OABO兩塊通過程序的PID自動控制調(diào)節(jié)風機和加藥裝置的頻率。

5 系統(tǒng)檢測結(jié)果

變配電間站S7-300軟冗余系統(tǒng)投入運行后系統(tǒng)工作正常。在工程調(diào)試時，技術(shù)人員通過設(shè)定控制字實現(xiàn)手動的主備系統(tǒng)切換。測試時沒有出現(xiàn)主從系統(tǒng)切換時中斷，切換時一切控制正常，包括控制繼電器不會斷開、模擬量輸出控制變頻器轉(zhuǎn)速不會丟失等。還有測試時PROFIBUS總線傳輸正常，沒有掉落模塊的情況出現(xiàn)。這表明西門子S7-300軟冗余系統(tǒng)應(yīng)用于對主備系統(tǒng)切換時間要求不高的中小型污水處理控制系統(tǒng)中是完全可行的。

6 結(jié)語

該系統(tǒng)于2006年9月投入使用，運行順利，用戶對選擇軟冗余系統(tǒng)非常滿意。目前本系統(tǒng)已經(jīng)成功推廣到安徽阜陽、安慶、淮南和宿州等地的污水處理系統(tǒng)中，用戶反映非常良好。通過上述項目，證實PLC軟冗余系統(tǒng)完全可以滿足中小型污水處理控制系統(tǒng)的技術(shù)要求，基本實現(xiàn)無憂切換。PLC軟冗余系統(tǒng)在生產(chǎn)中的實際使用，為企業(yè)帶來了效益，相信也為這種冗余系統(tǒng)廣泛推廣到其他行業(yè)應(yīng)用提供了一定的參考價值。