PLC软冗余系统在城市污水处理工程中的应用

引言
    随着我国经济发展和城镇化进程的加快，中小城市污水量呈现逐年增加趋势，为减少污水收集管网的工程建设投资，中小城市污水处理设施呈现分散、规模小等特点。受经济发展水平、处理要求、运营管理经验和水平等影响，大型污水处理控制系统难以适应这些中小污水处理工程的建设要求，寻找适合城市中、小污水厂的污水处理控制系统显得十分重要。本文介绍西门子S7-300 PLC软冗余系统在安徽无为县城污水处理厂的成功应用，该系统既保证了系统的可靠性、稳定性和实时性，又降低了工程建设成本。

1 系统介绍
    安徽无为县城污水处理厂是一座由安徽现代污水处理有限公司按BOT方式(建设-运行-移交)筹资建设的的城市污水处理厂，处理规模一期40000m3／d，厂址位于无为县城东北部陈家村西侧，占地面积约3．34公顷。无为污水处理厂主要处理来自县城东北区约13万人的生活污水及工业废水，采用A／A／O工艺，主要构筑物包括粗格栅及进水泵房、细格栅及旋流沉沙池、生物反应池、二沉池配水井及污泥泵房、二沉池、紫外线消毒渠和储泥池等，其流程图如图1所示。设计要求出水水质达到GBl8918-2002国家一级B排放标准，污水处理过程中产生的污泥采用浓缩脱水处理后外运至垃圾填埋场填埋。

    无为污水处理厂控制系统设1个监控中心(中控室)、3个现场PLC站(模拟屏站PLC01、变配电间站PLC02、污泥脱水间PLC03站)。其中变配电间站最为重要，主要控制提升泵站、格栅井、沉沙池、氧化沟、二沉池、回流泵站、剩余污泥泵站、贮泥池的自动运行。关键控制对象是氧化沟中的含氧量和回流污泥量，以保证维持微生物的生存环境，达到去除原污水中污染物的目的。

2 选型比较
    对于变配电间站控制系统的选型，以前类似工程大多采用A-B公司的ControlLogix系列或是西门子S7-400系列的硬件冗余系统，具有稳定性好、切换速度快等优点，但造价相对昂贵，是国内大型污水处理控制系统的优先选择。目前中小城市的污水项目很多为BOT项目且对控制系统切换时间要求条件不是太高，所以要求控制系统选型时既要保证性能，又要降低成本。据德国西门子公司提供的资料，硬件双机冗余系统的价格比软冗余系统高40％左右，但可用率只提高O．08％。在国外大部分同等规模的污水处理厂中也未采用双机硬件冗余系统，所以需要对控制系统的技术有更深入的了解，避免在设计选型上照抄、照搬。通过对西门子硬件冗余和软件冗余系统的深入分析和性能比较，最后决定选用价格相对便宜而性能又比较稳定的软冗余系统。

3 软冗余系统结构和原理
    控制系统冗余常见方式是中央处理器冗余、I／O冗余和通讯冗余。中央处理器冗余是在主处理器失效时，备用处理器自动投入运行从而接管控制。在控制权的交互方式上又分为硬件冗余和软件冗余两种。硬件冗余是采用硬件方式进行切换，除成对的使用中央处理器外，还需专用的热备模块负责检测处理器，一旦发现主处理器失效，马上将系统控制权交给备用处理器。硬件冗余采用光纤通讯，通讯速度快，系统稳定，切换时间更短，但是成本也高。软件冗余方式只需要成对的处理器，用软件编程的方式进行处理器的切换，组成比较经济，构成十分灵活，但程序处理需要一定的时间，对于时钟同步及切换时间要求不是十分严格的场合，选用软件冗余方式是非常经济有效的。
3．1 系统结构
    软冗余系统的基本结构如图2所示。

    西门子S7-300 PLC软冗余系统由A和B两套PLC控制站组成。开始时A站为主，B站为备用，当主站A中的任何一个组件出错，控制任务会自动切换到备用站B当中执行，这时，B站为主，A站为备用，这种切换过程是包括电源、CPU、通讯电缆和IMl53接口模块的整体切换。系统运行过程中，即使没有任何组件出错，操作人员也可以通过设定控制字，实现手动的主备系统切换。这种手动切换功能对控制系统的软硬件调整、更换和扩容非常有用的。
3．2 系统工作原理
    在软冗余系统进行工作时，A，B控制站(处理器，通讯、I／O)独立运行，由主站的PLC掌握对ET200从站中的I／O控制权。A，B站中的PLC程序由非冗余(non-duplicated)用户程序段和冗余(redundant back-up)用户程序段组成，主系统PLC执行全部的用户程序，备用系统PLC只执行非冗余用户程序段，而跳过冗余用户程序段。软冗余系统中PLC内部程序运行过程如图3所示。

    在主控制站发生故障时，主备控制站的切换时间=故障诊断检测时间+同步数据传输时间+DP从站切换时间。如果CPU的故障是停机或断电，故障诊断为大约100～1 000 ms。数据同步所需时间取决于同步数据量的大小和同步所采用的网络方式，目前普遍采用Ethernet网方式。以CPU 315-2DP为例，同步1000B的数据所需时间大约为200～300 ms。还有2个DP从站的切换时间在70 ms左右。无论控制程序循环扫描到哪里，当前激活的系统(即主系统)随时都会接收并处理报警，但在主系统A与备用系统B进行切换过程中产生的报警存在被丢失的可能。

4 硬件选型
    无为县城污水处理工程变配电间站软冗余系统选用SIMATIC S7-300系列PLC，中央处理器为CPU315-2DP，编程软件为Step7 V5．2。其中PLC本体与远程I／O通讯为PROFIBUS协议的串口通讯，PLC与计算机采用工业以太网，并以工业以太网作为冗余网络。其PLC模块选型如下：
    (1)电源模块6ES7307-1EA00-OAA0两块给CPU供电；
    (2)中央处理器CPU315-2DP 6ES7315-2AGl00AB0两块，工作存储器512 KB；
    (3)通讯模块6GK7343-1EX20-0XE0两块与计算机进行网络通讯并进行两个CPU间的冗余通讯；
    (4)接口模块6ES7153-2AA02-0XBO两块进行PROFIBUS远程I／O和系统间的冗余通讯；
    (5)电源模块6EPl333-2AA00两块给ET200供电；
    (6)DI数字量输入模块6ES7321-1BL00-0AA0六块采集现场设备的开停、运行及故障状态；
    (7)DO数字量输出模块6ES7322-1BL00-0AA0三块控制现场设备的启停；
    (8)AI模拟量输入模块6ES733l-7KF02-0ABO四块采集现场的液位、压力、流量、PH／T、浊度以及风机和加药泵的频率信号；
    (9)A0模拟量输出模块6ES7332-5HFOO-OABO两块通过程序的PID自动控制调节风机和加药装置的频率。

5 系统检测结果
    变配电间站S7-300软冗余系统投入运行后系统工作正常。在工程调试时，技术人员通过设定控制字实现手动的主备系统切换。测试时没有出现主从系统切换时中断，切换时一切控制正常，包括控制继电器不会断开、模拟量输出控制变频器转速不会丢失等。还有测试时PROFIBUS总线传输正常，没有掉落模块的情况出现。这表明西门子S7-300软冗余系统应用于对主备系统切换时间要求不高的中小型污水处理控制系统中是完全可行的。

6 结语
    该系统于2006年9月投入使用，运行顺利，用户对选择软冗余系统非常满意。目前本系统已经成功推广到安徽阜阳、安庆、淮南和宿州等地的污水处理系统中，用户反映非常良好。通过上述项目，证实PLC软冗余系统完全可以满足中小型污水处理控制系统的技术要求，基本实现无忧切换。PLC软冗余系统在生产中的实际使用，为企业带来了效益，相信也为这种冗余系统广泛推广到其他行业应用提供了一定的参考价值。