冯  涛

1  引言
绍兴污水处理厂的工程设计规模为日处理污水50万吨，主要收集绍兴市区的城市污水及绍兴县大部分的工业废水和生活污水，近期实施30万吨/日。该工程由予处理工段、生化处理工段、物化处理工段、污泥堆埋场和公用工程工段组成。
此项目通过国际招标，决定采用SIEMENS公司的PCS7（过程控制系统）作为全厂的自动监控系统。
PCS7是一种模块化的、基于现场总线的新一代过程控制系统，它结合了传统DCS和PLC的优点及功能。系统的所有硬件都基于统一的硬件平台，所有软件也都全部集成在SIMATIC程序管理器下，具有统一的软件平台。系统大量采用了新技术，在网络配置上使用标准的工业以太网和Profibus网络。由于PCS7消除了DCS和PLC的界限，真正实现了仪控和电控的一体化，充分体现了全集成自动化的特点，使系统应用范围更广。它是一种适用于现在、面向未来的开放型现场总线过程控制系统。
2  系统介绍
绍兴污水处理厂PCS7如图1所示，分布于1个中央控制室和4个分控制室。4个分控室分别由4套PCS7对予处理工段、生化处理工段、物化处理工段、污泥堆埋场的生产过程进行控制。整套系统共处理现场信号数目为：模拟量输入信号25个、模拟量输出信号24个、数字量输入信号1386个、数字量输出信号233个、现场总线(PA)仪表244个、电动阀门(DP)145个。

图1  绍兴污水处理厂PCS7

(1)  各分控制室的PCS7通过冗余的10Mbps光纤环网(工业以太网)相连接，分别将信号传送至中央控制室，全厂主要机泵等运转设备的开、停和故障信号都将在PCS7和中央控制室的大型模拟屏上显示。
(2)  现场控制站采用带有带电热插拔特性的SIMATIC ET200M分布式输入/输出控制站。它允许控制站中的信号模块在系统运行的情况下插拔而无需停止系统，大大提高了系统的可靠性。同时它还具有模块扩展功能，适用于解决独立的、复杂的控制任务。
(3)  过程检测仪表采用现场总线仪表，仪表信号以现场总线信号为主。特殊仪表信号采用标准4~20mADC信号。控制阀门采用现场总线型电动阀门。
3  监控软件
PCS7采用的监控软件为SIMATIC PCS7 OS V5.1，它是可以在Windows NT/98/95操作系统上运行的开放的过程、机器和工厂操作可视化基础系统。提供现场控制器、仪表以及中央监控功能的高性能解决方案，适用于各种自控场合。它的特点如下：
(1)  操作界面
可提供全中文界面，具有开放特性，允许执行其他可执行文件，可集成Active X控件，并且可以以DDE（动态数据交换）的方式建立应用文件间的联系。根据需要还可以输入和输出各种通用图形文件。监控软件提供的图形编辑器可以灵活方便地绘制及显示总平面图、工艺图、工艺区域图、工艺单元图、工艺控制图和单元控制图。
(2)  控制功能
在控制图上可以通过鼠标和键盘对工艺参数进行修改，对工艺过程和控制设备按要求进行控制和调节。
(3)  报警功能
监控软件提供的报警日志可以记录事件、信息和报警，并且可以根据要求对相应内容进行归档、触发相应动作等。它可以在设备及工艺过程发生故障时发出警报，显示故障点和故障状态，按照报警等级作出相应反应，记录故障信息。
(4)  安全操作
监控软件提供的用户管理器允许设置用户权限，针对不同的操作者设置相应的加密等级，记录操作员及其操作信息。对全部工艺过程、工艺参数、设备状态可以通过颜色变化、百分比和色标填充等手段动态显示。
(5)  数据管理
通过监控软件提供的标签日志和报表编辑器可以记录并显示工艺参数，如流量、压力、液位等变化曲线趋势图。利用历史数据和实时数据建立各种必须的数据库，完成数据传送和报表打印。
经过优化的通讯接口，可以方便快速地与现场/中央控制室进行数据交换，为系统实时监控提供保障。
4  网络结构
(1)  绍兴污水处理厂的PCS7之间的网络机制是基于IEEE802.3u的快速工业以太网，采用数据冲突检测机理。系统主干网采用10Mbps光纤双环冗余网络，不仅技术可靠，而且开放性好。特别是采用SIEMENS高速以太网光纤通信模块（OSM），大大加强了网络抗电磁干扰的能力，省去了采用普通双绞线连网所必须考虑的防雷击及过电压保护的措施，使控制系统安全可靠，风险系数大大降低。各分控站之间的通讯呈高速状态，保证了实时控制这一网络通讯的核心内容。
(2)  PCS7和操作员工作站都通过冗余的光纤快速工业以太网联成网络，生产过程中的各种数据可以在各PCS7之间传递。操作员站和工程师站均可以从现场控制站中获取数据，同时参与控制。监控系统采用人机接口软件，对各个分控站进行画面组台和参数修改。由于快速工业以太网将上位监控站与现场分控站相连，保障了主干网络高速稳定的通讯。
(3)  PCS7与现场过程的通信网络是采用Profibus。
Profibus是开放式现场总线系统，符合欧洲现场总线标准EN5070和EN50254的国际化的开放式现场总线标准。它使不同厂商提供的产品在网络中工作自如。Profibus系列包括3种兼容的版本：Profibus-FMS、Profibus-DP和Profibus-PA。在本系统中，用到了Profibus-DP和Profibus-PA。
Profibus-DP主要用于设备级的高速数据通信，中央控制器(CPU)高速串行连接分散的现场设备(I/O设备、阀门等)，这种和分散设备之间的数据通信通常是以循环的方式进行。它符合EN50170的Profibus-DP基本功能指定，除了执行循环功能实现现场设备的组态、诊断及处理报警外，也可执行非循环通信功能。
Profibus-PA是Profibus-DP在保持其通信协议的条件下，增加了对现场仪表优选的传输技术。选择符合IEC1158-2的国际标准化传输技术使Profibus-PA现场安装技术的未来有了保证。Profibus-PA总线系统使测量变送器、阀门、执行机构通过一个串行总线系统(屏蔽双绞线)联网，并通过该屏蔽双绞线向现场仪表供电(馈电)。借助于网络部件DP/PA链接器或DP/PA耦合器，实现了从Profibus-PA到Profibus-DP的通信转换。
(4)  ET200M作为Profibus-DP现场总线中的一个从站，最大的数据传送速率可以达到12Mbps，通过SIMATIC IM153-2接口模块，它与PCS7中的中央处理器进行通讯，将现场设备的输入或输出信号传送给中央处理器。
5  结语
PCS7在绍兴污水处理厂的成功投运，体现了PCS7作为一种全集成的、面向未来的开放型现场总线过程控制系统的优势。对于PCS7在污水处理行业的应用有着积极的意义。