摘要：根据污水处理厂工艺及自动化系统特点，将西门子PCS7 V9.0 SP3系统的Client/Server结构作为总体架构，研究基于PCS7的污水处理厂自动化控制系统。该系统由下自上共3级总线结构：现场总线、工业以太网系统总线和终端总线。PLC站与现场设备采用PROFIBUS DP、PROFINET、HART、MODBUS TCP、ETHERNET IP、HART转PROFIBUS DP，IEC104转MODBUS TCP等多种通信方式。全厂自动化系统网络结构共设计为11个PLC站，采用双千兆Industrial Ethernet光纤双环网通信，中央控制室中设计有2台冗余数据服务器。实践表明，因PCS7功能及性能较好且灵活性较高，它可用于自动化控制系统的设计、开发、调试及运行；基于PCS7的自动化控制系统运行高效、稳定。

　　关键词：达舍尔甘地；污水处理厂；PCS7；PLC

　　Research on the Automatic Control System of Sewage Treatment Plant based on PCS 7

　　Abstract:Based on the characteristics of the process and automation system of sewage treatment plants,the Client/server structure of Siemens PCS7 V9.0 SP3 system was taken as the overall architecture to study the automation control system of sewage treatment plants based on PCS7.The three-level bus structures of the system from bottom to top were field bus,industrial ethernet network system bus and terminal bus respectively.The PLC station and on-site equipment used various communication methods such as PROFIBUS DP,PROFINET,HART,MODBUS TCP,ETHERNET IP,HART to PROFIBUS DP,IEC104 to MODBUS TCP.The network structure of the entire factory automation system was designed as 11 PLC stations,dual gigabit Industrial Ethernet fiber optic dual ring network was used for communication,and there are two redundant data servers designed in the central control room.The practice shows that PCS7 can be used for the design,development,debugging and operation of the automatic control system due to its good function and high flexibility;the automatic control system based on PCS 7 operates efficiently and stably.

　　Key words:Dasherkandi;sewage treatment plant;PCS7;PLC

　　0引言

　　孟加拉国达舍尔甘地污水处理厂是孟加拉国第一座现代化大型污水处理厂、南亚地区最大单体污水处理厂，该项目建设期间为当地提供1 000个就业岗位，投运后每天可以处理孟加拉国首都达卡市区近500万人口的生活污水，大幅度改善周边水环境污染现状，也是中国企业服务“一带一路”建设、在全球赋能美好生活的新样本。

　　本文将从硬件和软件设计、开发方面说明PCS7自动化系统的运用方法，针对PLC站设计多条PROFIBUS DP通信线进行分析与研究，保障通信准确与稳定。采用双千兆Industrial Ethernet光纤双环网通信为数据通信提供大容量带宽、低损耗、强抗电磁干扰技术。采用客户机/服务器结构(C/S结构)，2台冗余服务器负责自动化站(AS)数据采集、归档和报警信息的处理，客户机负责完成与服务器的交互任务并支持多屏操作；将1台工程师站(ES)用于项目组态。采用1台单站独立运行，完成从AS采集数据、归档和报警的功能，单站同时还是操作员进行操作的人机界面。利用WEB服务器提供管理层级网络对PCS7自动化过程进行操作员监控。

　　1自动化网络结构和通信方式

　　全厂自动化系统网络结构共设计为11个PLC站，采用双千兆Industrial Ethernet光纤双环网通信，中央控制室(Central Control Room)内设计2台冗余数据服务器(OS Server)，采用C/S结构和OS Single结构。自动化系统网络结构如图1所示。

　　1.1全厂自动化系统控制站

　　全厂自动化系统网络结构的11个PLC站中有9个站选用S7-400H PCS7：RCS02、RCS03、RCS05、RCS06、RCS07、RCS08、RCS09、RCS10、RCS11；有2个站选用S7-1500：RCS01、RCS04，控制范围分别为：RCS01控制化工车间；RCS02控制粗格栅；RCS03控制鼓风机房；RCS04控制污泥浓缩机房；RCS05控制污泥干化焚烧车间；RCS06控制二沉池1#；RCS07控制AAO池1#；RCS08控制AAO池2#；RCS09控制二沉池2#；RCS10控制紫外线消毒水池；RCS11控制厂外污水提升泵站。

　　1.2全厂自动化系统网络结构

　　在PCS7的客户机/服务器结构中，网络结构分为终端总线和系统总线，两种总线均采用工业以太网方式通信。终端总线用于PC之间的通信，如图1中的客户机和服务器之间的通信以及工程师站通过终端总线下载项目的通信。系统总线用于PC和AS之间的通信，如图1中的服务器、OS单站、ES分别与控制器之间的通信。

　　PLC站现场总线按照运用类型划分为：(1)PROFI⁃BUS DP通信，现场设备包括：罗托克阀门、变频器ACQ580、软启动器RA/HT-7703E-11-570、变频器ATV630、软启动器ATS48、电动机保护器ARD2F、悬浮物浓度仪、DO检测仪、ORP检测仪；(2)PROFINET通信，现场设备包括：S7-200 CPU、S7-1500 CPU、S7-400H；(3)HART通信，现场设备包括：OLDHAM硫化氢检测仪、超声波液位计、电磁流量计、COD检测仪、氨氮检测仪、PH/T仪、浊度仪、污泥界面仪、压力变送器；(4)MODBUS TCP通信，现场设备包括：施耐德PLC、鼓风机成套PLC、回用水泵成套PLC；(5)Ether⁃net IP通信，现场设备有紫外线成套AB PLC；(6)HART转PROFIBUS DP通信，现场设备有热质式流量计；(7)IEC104转MODBUS TCP通信，现场设备有电力监控总配电系统。多种现场总线的运用，提高了系统的可靠性，为设备商提供了更为灵活的系统集成方式。

　　2 PC站、PLC站组态与下载

　　该PCS7系统PC站包括：工程师站配置1台、操作员站配置6台、冗余服务器配置1对、单工作站为1台、Web服务器为1台(或者为操作员站2#)，OpenPCS7站1台(或者为操作员站1#)。Web操作员站和OPC客户端来自WASA自来水集团总控制室。

　　在PC硬件配置满足PCS7系统要求的情况下，操作系统安装要求为：OS服务器、OS单工作站操作系统采用Windows Server 2016 Standard Edition(64 bit)；工程师站、OS操作员站、PCS7 Web服务器、PCS7 Web操作员站、具有OS操作员的OpenPCS7服务器操作系统采用Windows 10 Enterprise 2015 LTSB(64-Bit)；PCS7软件采用SIMATIC PCS7 V9.0 SP3 ASIA；硬件组态工具为STEP7-HW Config。

　　2.1 PCS7系统的PC站组件

　　在进行PC硬件组态前，需要在工程师站安装操作系统，再安装PCS7系统，并完成相关配置。

　　2.2 PCS7系统AS组态

　　该项目8个PLC站(RCS02、RCS03、RCS06、RCS07、RCS08、RCS09、RCS10、RCS11)都需要接入PROFIBUS DP通信设备或仪表，并且最多需要7条PRO⁃FIBUS DP通信线，能够实现如此大型项目的控制器首选西门子CPU 410-5H，单CPU配置。

　　8个PCS7控制站硬件主要配置为(1)CPU:410-5H，单CPU；(2)PS:10A冗余电源；(3)DP通信模块:CP443-5；(4)接口模块:IM650-8PH；(5)分布式I/O设备；(6)ET 200PA SMART；(7)IO模块：32DI/16DO/16AI/8AO，非冗余IO模块；(8)触摸屏：48.26 cm(19英寸)TFT(薄膜场效应晶体管)精智屏。RCS02控制站硬件的配置如图2所示。

　　2.2.1 RCS02控制站硬件安装与组态

　　按照PLC硬件规范和设计要求安装、检测完成后进行硬件组态，打开SIMATIC Manager通过“新建项目”向导，新建一个S7-400H服务器/客户端的冗余多项目，在项目中插入一个“SIMATIC 400 Station”，双击“Hard⁃ware”组态硬件进入HW Config编辑器。根据硬件型号、版本依次添加相关组件，完成各个模块参数的配置。RCS02控制站硬件组态如图3所示。

　　2.2.2 RCS02控制站下载

　　在单CPU站点组态编译完成，并且程序编写完成后，通过工程师站依次将组态的内容下载到CPU。PCS7项目PLC站下载内容包括：硬件组态、网络组态、用户程序。只有完成了上述操作之后，CPU才可能启动并运行。下载硬件组态和网络组态时要求CPU停机。首次下载项目需要CPU停机，之后可以选择在运行模式下载。

　　2.3 PCS7系统PC组态

　　在工程师站上打开SIMATIC Manager，打开已经创建的多项目工程，在PCS7组件视图中插入PC站并修改PC站名称和目标计算机名称一致，再配置PC站组件(应用和网卡)：WinCC Appl.为OS服务器或者OS单站组件；WinCC Appl.(Stby)为冗余OS站点中备用站点组件；WinCC Appl.Client为OS客户机组件；WinCC Appl.Client Ref为OS客户机参考站组件。PCS7多项目工程PC组态如图4所示。

　　2.4 PC站下载

　　当OS通过S7连接和OS通信时，该项目设计为一个多站系统，首先要组态ES的本地组件组态器，然后组态终端总线上所连接的所有OS站，再运用ES的组态编辑器(Station Configuration Editor，SCE)下载到所有OS站。

　　2.4.1 SCE组态

　　检查SIMATIC SHELL中ES和OS互相可见，选中目标站点，在Local network connection中选择终端总线网卡，如果PC站组态的计算机名和实际计算机名不一致，取消Use configured computer name，选中目标Accessible computer后点击Configure配置目标计算机SCE。组态成功后，SCE中将插入相应的对象。

　　2.4.2 SCE下载

　　执行SCE下载之前，必须将PC/PC接口设置为PC Internal.Local.1，检查PC站中组态IP/MAC地址和目标计算机网卡IP/MAC是否完全一致，选择目标站Download，下载成功后SCE的状态将会正常。如果在Netpro中创建了对应于该PC站的S7连接，连接信息也会自动加载到SCE，在Connection列出现一个小图标。

　　2.5 PCS7系统网络组态

　　在Simatic Manager的网络组态工具Netpro中，该项目使用以下网络组态：H CPU之间的S7容错连接；H CPU与非H CPU的S7连接；H CPU与上位机PC(WINCC、PCS 7 OS站、OPC)之间的容错连接。此外，H CPU也支持TCP/IP、ISO on TCP等标准通信协议。

    2.5.1组态连接前的准备

　　进行网络组态之前，需要在硬件组态中为设备分配以太网地址，并且连接到相应的以太网子网中。只有在同一以太网子网中的设备之间才能建立通信连接。

　　2.5.2 NETPRO中组态S7连接与下载

　　选择通信伙伴一方(S7-400H)，双击创建连接按照提示操作即可。S7连接需要下载到通信伙伴双方。Net⁃pro中建立的CPU连接信息需要下载到CPU中，有2种下载方式：(1)下载整个站：选中指定的CPU站(Sta⁃tion)，下载整个站点，要求CPU停机；(2)下载单个连接：选中指定的CPU站中创建的某个连接，仅下载该连接，可以在CPU运行时下载。

　　2.5.3基于IP地址建立S7容错连接

　　在PC站中支持通过IE General网卡建立S7容错连接，即可使S7容错连接的方案变得更为灵活。该项目控制器通信类型为S7-400H PN，通信对象包括：S7-400H PN、PC(计算机)+CP1623(西门子通信网卡)、PC+IE General(通用网卡)。网络组态如图5所示。

　　3 CFC编程

　　3.1工厂视图

　　工厂视图是PCS7软件中用于规划OS画面区域和AS、OS对象分配的工具界面，通过Simatic Manager视图菜单，可以调出工厂视图。

　　在工厂视图中创建项目的工厂层级，工厂层级数最多设置为8，本项目层级数设置为3，每一层名称最多输入24个字符，定义第2层级可作为OS区域级别。通过对工厂层级文件夹进行AS-OS分配，可以指定该工厂层级(OS区域)所对应的实际AS工艺程序(如RCS06)和OS站点(如SER01)，同一层级下的AS程序与OS画面对应于同一工艺段，子层级内的AS/OS对象可以从属于上一层级，如图6所示。

　　3.2 CFC图表

　　连续功能图(Continuous Function Chart，CFC)是PCS7的必备组件，也是STEP7的高级语言选件。CFC是基于图形用户界面的编辑器，它通过给预先编辑好的块指定参数或者建立连接，实现创建CPU程序结构。CFC功能界面如图7所示。

　　作为用户导向的高级语言，CFC程序需要通过“编译”方式生成实际的机器语言程序(OB、FB、FC等)，并通过CFC下载选项将程序装载至CPU。

　　3.3 APL库

　　该项目使用PCS7 APL(Advanced Process Library)V9.0高级过程控制库，APL是一套AS功能库与OS操作对象的集合控制库。图8所示为一个阀门控制功能回路的开发示意。在AS控制器侧是一个VlvMotL功能块(Function Block)；在OS侧是VlvMotL功能块对应的阀门图标(Block Icon)和一套操作面板(Faceplate)，APL定义了一套标准的OS操作权限与操作规范，并可生成操作员的操作记录。右侧为CFC创建的阀门功能块在线状态；左侧为操作员操作画面，画面来自PDL文件。

　　3.4 APL编程

　　该项目使用如下APL功能块:电机阀(VlvMotL)、监视模拟过程值(MonAnL)、电机(MotL)、可控制的可逆电机(MotSpdCL)、阀门定位器(VlvPosL)、带8个输入信号的互锁显示(Intlk08)、累加器(TotalL)、时间延时信号转发/脉冲发生器(TimerP)、操作4个值的加法器(Add04)、2个值的除法运算(Div02)、操作4个值的乘法器(Mul04)、比较2个模拟值(CompAn02)、通过8个二进制输入信号形成一个AND信号(And08)、通过4个二进制输入信号形成一个OR信号(Or04)、模拟量输入通道块(Pcs7AnIn)、模拟量输出通道块(Pcs7AnOu)、数字量输入通道块(Pcs7DiIn)、数字量输出通道块(Pcs7DiOu)、分离模拟结构变量(StruAnIn)、创建模拟结构变量(StruAnOu)、将REAL转换为DWORD(Real⁃ToDw)、GET通信功能块(S7Get)、确定运行时间功能块(CountOh)、32位结构的结构设计器(StrctCom)。

　　使用Industry Lib PCS 7 V90功能块，包括：聚合(Aggr08)、监视模拟过程值的面板接口(PMonAnL)、监视电机的面板接口(PMotL)、可控制的可逆电机的面板接口(PMotSpdCL)、电机阀的面板接口(PVlvMotL)、阀门定位器的面板接口(PVlvPosL)。

　　编程开发功能块：(1)厂外提升泵房污水提升泵自动控制功能块，可根据液位值不同，启动不同数量的提升泵；(2)厂内污水提升泵自动控制功能块，可根据液位值不同，启动不同数量的提升泵；(3)初沉池污泥提升泵自动控制功能块，在污泥储池液位设定范围内启动污泥提升泵，泵启动时间由操作员根据运行要求设定；(4)二沉池污泥提升泵自动控制功能块，在污泥储池液位设定范围内启动污泥提升泵，泵启动时间由操作员根据运行要求设定；(5)恒压自动供水功能块：回用水泵在压力设定范围内启动水泵，水泵频率根据出水管实时压力值与设定压力值的差值进行调节，当出水管实时压力值超出设定范围将自动停泵。

　　4 PCS7画面开发

　　4.1服务器项目管理器设置

　　在工程师站打开工程，选中需要编译的OS站和AS站，编译完成后，在视图组件中，打开SER01应用程序OS(1)，WINCC项目管理器已打开。在OS(1)系统树形菜单中打开项目属性，不用选中“ES上允许激活”，操作模式选择“标准(兼容模式)”，其他项为默认选择。

    4.1.1服务器计算机属性

　　打开项目的计算机属性，选中“启动”项，WINCC运行系统的启动顺序为：(1)全局脚本；(2)报警记录；(3)变量记录；(4)图形；(5)用户归档。选中“参数”项，运行系统语言设置为English，运行时间基准选择“本机时区”，PLC时钟选择“UTC”世界标准时间。在图形运行系统中，选择起始画面为“SCREEN.PDL”，窗口属性选择“全屏”。

　　4.1.2变量管理

　　打开变量管理，工程编译后，PLC变量被自动创建到Named Connections目录下。手动新建连接方法：(1)在导航区域中选择一个通道单元的文件夹，通道单元由通信驱动程序提供；(2)从快捷菜单中选择“新建连接”命令，该连接在导航区域中显示为一个新文件夹；(3)输入该连接的描述性名称，在导航区域中，从快捷菜单中选择“重命名”命令；在表格区域中，在“连接”选项卡的“名称”列中更改该名称，在“属性”区域的“常规”下更改该名称；(4)连接创建过程变量或变量组，工程编译后自动创建连接，从S7$程序(1)到S7$程序(8)，8个AS站中使用的APL功能块会在结构变量中列出。

　　4.1.3服务器报警记录

　　打开报警记录，工程编译后报警消息会自动添加到“AS消息”菜单下，消息等级包括：(1)报警；(2)警告；(3)容忍；(4)PLC过程控制信息；(5)OS过程控制系统消息；(6)预防性维护；(7)处理消息类；(8)操作消息类；(9)操作员请求类；(10)操作员消息类；(11)状态消息；(12)系统，需要确认；(13)系统，不需要确认。可以手动添加报警信息到上述消息等级中。

　　4.1.4服务器用户管理器

　　打开用户管理器，按照权限和功能创建用户组、用户名、密码。(1)管理员用户组包含用户名Administrator和admin，有最高权限，可以监控所有的层级文件夹；(2)工程师用户组包含用户名engineer1；(3)操作员用户组包含用户名User1；(4)厂外提升泵站控制室用户组包含用户名monitor；(5)污泥脱水间控制室用户组包含用户名STDB；(6)WEB用户组包含用户名web1，仅监视权限。

　　4.1.5服务器数据

　　在导航区域中选择服务器数据，鼠标右键选择“正在加载”，选中1#服务器数据包路径：计算机名称*PackagesDSTP_Prj_OS(1).pck。

　　4.1.6时间同步

　　AS控制器时间为UTC(世界标准时间)时区；OS时间为本地时区；GPS系统所接收的时间为UTC时区。在时钟同步过程中，Time Master(时钟主站)在网络上发布的时间同步信号均为UTC时区。Time Slave(时钟从站)接收到时间信号后，会根据本地时区设置自动调整接收到得时间信号来同步本地时钟。选用OS Server作为时钟主站，因为AS的CPU时间并不稳定，不建议以AS作为时钟主站。该项目以OS server作为时钟主站，AS和OS client作为时钟从站配置PCS7中Simatic模式时钟同步。

　　在服务器上打开WINCC项目管理器，导航区域中选择时间同步，在访问点1选择环网1的CP1623网卡(CP1623.RFC1006.1)，为“主站”；在访问点2选择环网2的CP1623网卡(CP1623.RFC1006.2)，为“主站”，点击“确定”保存。主服务器(SER01)作为时间同步的主站，其他0S操作员站和AS都是时间从站。在OS操作员站勾选“通过终端总线(从站)同步”，选择“使用指定计算机上的时间”，计算机1选择“SER01”，计算机2选择“SER02”，点击“确定”保存。

　　检查CPU模块时间，“PG/PC time”是计算机时间，“Module time”是AS CPU时间，因为计算机时区设置为东六区Dhaka，CPU为GMT时间，相差6个小时，时间同步成功。检查0S操作员站时间与主服务器(SER01)时间一致，则时间同步成功。

　　4.1.7服务器OS项目编辑器

　　在OS项目编辑器中，选择“布局”菜单，布局分辨率选中“SIMATIC标准1920像素×1080像素”，监视器组态选择“横向2台监视器”，区域按键数设置为16个，即“水平4×垂直4”，使用14个。选择“消息显示”菜单，选中“最新消息在顶部”，其余为默认项。选择“区域”菜单，在可见区域中排序，从上到下序号为第1到第14，点击“预览”查看效果。选择“运行系统窗口”菜单，可以都为默认项。选择“基本数据”菜单，勾选“更新动态向导脚本”、“更新启动的画面构成”、“更新图形对象更新向导组态”、“更新报警器的声音文件”。0S操作员站OS项目编辑器也需要进行系统配置。

　　4.1.8服务器画面树

　　打开画面树，在导航区域各个画面层级文件夹中添加对应的画面，并且可以上下移动画面排序，最后保存画面树设置。画面树包括：CoarseScreen画面、Blower⁃Building画面、STPProcess画面、PCS7Instruction画面、1#2#AAOTank画面、3#4#AAOTank画面、1#To4#SST画面、5#To8#SST画面、UV&ESC画面、SLS画面、Chemi⁃cal画面、SludgeThicken画面、PowerData画面、Report⁃System画面。该项目画面树如图9所示。

　　4.1.9 WEB浏览器

　　在ES站组态Web服务器(OSC03)的基本步骤如下：(1)选中“WEB浏览器”，鼠标右键选择在“Web View Publisher”中发布组态画面；(2)在“User Admin⁃istrator”中组态用户权限、启动画面、语言、Web访问客户端；(3)对于OS多工作站系统，禁用OS项目的图形运行系统选项；(4)将OS项目下载到Web服务器。

　　Web客户端的组态用于过程控制，首先需要在PC上执行下列准备工作：(1)检查Internet Explorer设置，以了解是否能安装插件；(2)在要用作Web客户端的PC上安装PCS7 Web Client应用程序；(3)必须从Web服务器上下载所需插件。

　　4.2图形编辑器

　　在ES站点击“图形编辑器”，在左侧列出所有过程画面，根据每一个项目的特点，可以对过程画面进行编辑，其中系统画面名称都带符号。系统画面按功能分为：起始画面、报警画面、按钮画面、趋势画面、时钟画面、登录操作画面、PCS7 APL图标选择画面、PCS7TypicalsIL_PCS_7图标选择画面、CFC操作画面、APL功能块操作画面及新创建过程画面。

　　4.2.1起始画面设置

　　OS开机自动运行时为起始画面screen.pdl，在起始画面中已插入多个画面窗口。顶部固定为总览和Logo区域，底部固定为按钮区域，中间为弹出窗及操作区域。污水处理厂水位剖面如图10所示。

　　4.2.2报警画面设置

　　报警画面有传入报警列表、确认报警列表、传出报警列表、待定消息列表、过程报警、操作列表、日记帐列表、隐藏报警列表、要隐藏的消息列表及锁定列表。操作员点击相关画面，可查询报警信息。

　　4.2.3 APL功能块图形画面

　　允许OCM Possible的APL功能块都带有操作员控制和监视弹出窗，不同的APL功能块弹出窗不相同，但一般都包含:Standard.PDL(标准画面)、MESSAGE.PDL(消息画面)、Limit.PDL(限值画面)、Limitrbk.PDL(反馈限值画面)、TREND.PDL(趋势画面)、Parameter.PDL(参数画面)、Preview.PDL(预览画面)、MEMO.PDL(备忘录画面)、BATCH.PDL(批次画面)、Overview.PDL(概述画面)、ViewToolbar.PDL(视图工具条画面)。APL功能块图形画面如图11所示。

　　5结束语

　　基于先进的过程控制系统西门子PCS7，对污水处理厂自动化控制系统进行开发及现场运行调试，并对运维人员进行培训指导，以实现工业自动化层级中各个仪表、电机、阀门等产品正常运行，并在运行过程中进行技术汇总，改进技术方案。实践证明，采用多条PROFIBUS DP通信总线的PCS7稳定性能较好，并且便于对工程组态、操作及维护。基于PCS7的污水处理厂自动化控制系统已经稳定运行12个月，该系统操控简洁，能实时传递消息及数据，有助于污水处理厂运维。

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