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SBR污水处理工艺中PROFIBUS现场总线的应用

文档作者：马小丽文档来源：太原理工大学环境科学与工程学院		点击数：	更新时间： 2024年02月27日
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2010年第3期(总第60期)
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SBR污水处理工艺中PROFIBUS现场总线的应用
马小丽
(太原理工大学环境科学与工程学院，山西太原030024)
摘要： 叙述了实现基于PROFIBUS现场总线控制的污水处理自动控制系统的系统结构与网络配置以及对污水处理过
程中曝气量的控制方法。
关键词： 序批式活性污泥法；污水处理；现场总线
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号： 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
现阶段，中国污水处理厂的建设重心逐渐由大城
市向中小城市转移，呈现单体小型化、区域分散化的发
展趋势。据统计，2009年中国污水处理厂平均设计规
模比2005年下降了24％。与此同时，污水处理厂分布
地域快速扩大，2008年建有污水处理厂的城市比2005
年增加了近1倍。在这种情况下，符合中小城市发展
战略并与其污水特征相适宜的小型化、经济高效的污
水处理技术SBR法得到了进一步的运用和发展。
尽管SBR法具有工艺简单、效率高、脱氮除磷效果
好、防止污泥膨胀性能强、耐冲击负荷等优点，但同时，
SBR法也存在操作比较复杂，难以管理，自动控制效果
不理想的缺点。随着计算机技术、通信技术和自动控
制技术的发展，SBR工艺的自动化操作水平有了一定
的提高，但仍没有实现设备之间以及系统与外界之间
的网络互连和资源共享，因此，如何进一步提高SBR工
艺生动化控制、管理水平仍然是当前和今后一段时间
的重要课题。
1 SBR工艺介绍
SBR(Sequencing Batch Reactor)是间歇式活性污泥
法的简称，是一种按照一定的时间顺序间歇式操作的
收稿日期：2010—01—27
作者简介：马小丽，1975年生，女，山西闻喜人，2006年毕业于
太原理工大学环境工程专业，硕士，助教。
·74·
污水生物处理技术，也是一种按间歇曝气方式运行的
活性污泥污水处理技术，又称序批式活性污泥法。其
去除污染物的机理与传统的活性污泥法基本相同，只
是运行操作方式不尽相同。SBR工艺集调节、初沉、曝
气、沉淀等过程于一池，按不同的时间顺序进行各种目
的的不同操作，全部过程都放在一个池内周而复始地
进行，无需设置二沉池及污泥回流系统。典型的SBR
系统分为进水、反应、沉淀、排水与闲置5个阶段运行。
2 PROFIBUS现场总线技术⋯
国际性开放式的PROFIBUS现场总线技术，广泛
应用于自动控制系统。目前，世界上多数自动化技术
生产厂家都为它们的自动化设备提供PROFIBUS通
信接口。根据应用特点，PROFIBUS包括PROFIBUSDP，
PROFIBUS-PA，PROFIBUS-FMS 3个兼容部分。
其中，PROFIBUS-DP属于高速低成本通信，用于设备
级控制系统与分散式I／0的通信；PROFIBUSFMS用
于车间级监控网络，是个令牌结构、实时多主网络；
PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，可使传感器和执行
机构联在一根总线上，并有本征安全规范。PRoFlBUS
可以采用总线型、树型、星型等网络拓扑结构，总线上最
多可挂接127个站点。传输速率为9．6 kbps～12．0 Mbps，
其最大传输距离，在12 Mbps时为100 m，1．5 Mbps时
为400 m。可用中继器延长至10 kin。传输介质可以
是双绞线、同轴电缆、光纤、红外线等传输介质。
根据某污水厂SBR法控制的要求和特点，需建立
从监控到现场控制的一体化系统，同时考虑到控制的
实时性和可靠性以及系统的可扩展性和先进性，我们
万方数据
2010年第3期马小丽：SBR污水处理工艺中PROFIBUS现场总线的应用2010年6月
选择了基于PROFIBUS—DP的现场总线，并采用了冗
余技术，设计了SBR法污水处理的控制系统。
3控制系统结构
该控制系统的设计采用PROFIBUS网络的3层控
制体系，“分散控制，集中管理”的分布式控制系统结
构。通过分散控制将可能发生故障的危险进行分散，
降低故障发生的概率，实现故障发生后事故处理。通
过集中管理实现采集信息的综合集中，达到优化控制
的目的。
3．1管理监控级
主要完成设定值的操作输入(如，流量设定值、pH
设定值等)、与下位机之间的通信、系统报警、运行管理
以及所有工艺参数和设备运行状态的显示。考虑到工
控机具有性能稳定、抗干扰性好，结合污水处理厂的实
际运行环境，选用工控机IPC作为实现管理监控功能
的上位机。
3．2控制级
主要实现数据采集、算法控制、信号输出控制及工
艺信号连锁等功能。控制级是实现系统功能的关键，
也是管理级与现场级之间的枢纽，接受管理层设置的
参数或命令，对污水处理生产过程进行控制，同时将现
场状态输送到管理层。基于SBR法污水处理工艺的自
动控制过程比较复杂，且是一个顺序性、周期性很强的
逻辑操作系统。因此，采用功能强大、稳定性高的，西
门子公司生产的SIMATIC s7．300系列中小型可编程
序控制器，构建本系统的PLC可编程序控制器，作为系
统下层控制单元(下位机)。
3．3现场级
主要进行信号转换、数据传送及执行上一层下发
的控制命令和数据采集，对系统设备的状态、传感器参
数进行监测，把监测到的数据上传，接受控制级的指
令、执行机构进行控制。现场级是实现系统功能的基
础，由一次仪表(如，液位计、DO传感器等)、控制设备
等组成。该系统的主要一次仪表和控制设备包括液位
计、电动蝶阀、流量计、溶解氧仪、报警器等。
4 PROFIBUS网络配置
4．1网络硬件配置
该系统选用PROFIBUS-DP的电气网络配置形
式。将上位监控机(工控机IPC)和现场控制可编程序
控制器PLC作为主动站。将曝气过程中控制电机的变
频器及工艺中应用的智能传感器和外围I／o设备，作
为从动站。总线节点(主或从设备)采用IM／CP接口
或集成接口的RS-485端子与PRoFIBUS-DP网络连
接。在PROFIBUS电气网络中，依据数据传输速率的
差异，设定每段不同的最大长度。对站点之间相距较
远的，在网络中，采用R§485总线中继器来连接各段。
IPC接人PROFIBUS总线时，采用了内插
PROFIBUS网卡方式，如，CP5611，CP5613，CP5511
等，充分利用这类网卡所具有的PROFIBUS-DP／PA／
FMS接口。选择与网卡匹配的软件包，根据其软件功
能决定IPC作一类主站还是二类主站。此次，系统选
择了CP5611网卡及Step7软件包，将上位机作为编程
监控的一类主站。
PLC接入PROFIBUS总线可设定为2种情况，a)
处理器CPU带内置PROFIBUS-DP口，如，西门子S7—
300及S7—400系列，直接接入PROFIBUS网络；b)处
理器CPU不设内置PROFIBUS-DP口，须再配置
PROFIBUS通信处理器，如，S7—200系列，接人
PROFIBUS网络时需通过通信模块EM277，且不能将
其设为主站，只能作为从站接入。
对污水处理系统中控制电机的变频器、DO仪、温
度计、pH计、液位计等现场设备，接入PROFIBUS网
络时，可采用智能型可直接接人，也可采用其他方式接
入远程I／0后，再通过ET200接入网络。为了将不同
生产厂家的PRPFIBUS产品集成在一起，必须收集厂
家提供的GSD文件(电子设备数据库文件)和功能参
数。PRPFIBUS组态工具可根据厂商提供的GSD文
件将其设备集成在同一总线系统中(见图1)。
图1 网络结构图
4．2网络组态
硬件系统组建后，为实现分布式网络的连通，采用
SIMATIC net 6．0软件或Step7软件对网络进行组态。
首先，对s7．300的机架、电源、CPU、信号模件、通信处
理器CP等，按实际配置类型和物理地址进行组态。再
进行PROFIBUS网络组态，使用SIMATIC程序组中
的Configuration Console设定PROFIBUS的模式为
Configured Mode，插槽号设为任意值，站点地址值不允
许重复。网络中所有站都设置为相同的数据传输率，
从站地址单一赋值，设置完成后，再将配置结果下载到
模块(见图2、图3)。
5曝气量控制
SBR污水处理工艺中，污水在池中通过微生物的
净化作用，达到去除有机物的目的。因微生物为好氧
菌，若供氧量过少、DO过低会造成细菌大量死亡，不利
于微生物的生长，难以形成易沉淀的絮体，直接影响处
·75 ·
万方数据
2010年第3期矽争妇渌占芋钍2010年6月
理效果；但供氧量过大、DO过高不仅使能耗增高，增大
运行费用，且会造成絮体分散和破碎，使固液难发生分
离。因此，控制水中的含氧量是污水处理过程控制中
比较关键的任务之一[2J。
图2 网络组态配置曝气量控制模块截图1
图3网络组态配置曝气量控制模块截图2
溶解氧的浓度是通过曝气机(鼓风机)的运行来控
制的。曝气机的转速大小由电动机的转速调节。DO
和曝气量之间应存在着一个函数关系。由于迄今尚未
建立可行的数学模型，所以曝气自动调节还在摸索之
中。
该系统采用溶解氧闭环控制方式。对DO值设一
定的控制范围(上限为3．0 mg／L，下限为1．0 mg／L，此
值可调)。PLC将由DO仪实时检测到的DO值，与设
定值进行比较后，对变频器发出信号，自动调节曝气机
的启、停及电机转速，实现对空气管路中空气流量的控
制，达到调节曝气量的目标。在反应阶段，当DO值高
于上限时，PLC发出报警信号，并停止曝气。当DO值
低于下限时，启动曝气机，开始曝气。
6 结语
利用PRoFIBUS现场总线技术对SBR法污水处
理系统进行自动控制，不仅提高了污水处理的质量，满
足出水水质要求，而且使操作更加简单方便，降低了操
作人员的劳动强度。该系统运行可靠，投资较小，符合
中国中小城市污水处理的要求，应得到进一步的推广
和应用。
参考文献：
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