摘要：本文聚焦于百事食品（北京）一厂污水处理站升级改造工程，面对原控制系统陈旧、自动化水平不高状况。通过特别设计基于 S7-1200 与 S7-300 的 Profibus-DP 主从站通信架构，历经硬件选型配置、网络拓扑规划设计、相关参数设定及软件编程等系列工作，以达成新旧系统数据交互及自动化控制目标。经系统集成调试与实际应用验证实现数据响应时间缩减至 100～150 毫秒、pH 值控制精度提高到 ±0.2 、人力成本降低幅度达 67% 、出水达标率达 100%等成果，从而达成污水处理效率与稳定性明显提升之效，为工业废水处理自动化改造提供具实践意义参考之举。

关键词：污水处理；自动化改造；S7-1200；S7-300；Profibus-DP 通信；主从站架构

引言

百事食品（北京）一厂污水处理站因控制系统年代久远，存在自动化程度不高、数据记录靠人工、处理精度欠佳等问题。为提高处理效率和稳定性，由上海溪欧自动化科技有限公司承接此项投资 115万元的升级改造项目，本文围绕该项目中S7-1200 与S7-300 的Profibus-DP 主从站通信设计核心展开，阐释借助系统升级达成控制自动化及数据精确化，以提供类似工业废水处理改造技术层面借鉴之事。

1 项目概况

本项目为百事食品（北京）一厂位于北京市大兴区青云店镇杨各庄联华路上的污水处理站升级改造工程，主要服务于该厂乐事薯片生产线产生的污水处理需求，总投资 115 万元由上海溪欧自动化科技有限公司承建，改造前其控制系统为多年前老旧系统且完整设计图纸缺失、自动控制能力薄弱，仪器仪表产生的数据需人工定期巡查记录、阀门调节需人工手动操作，此不仅消耗大量人力还存在数据延迟、处理精度不高等情况，对污水处理效率及工艺优化产生严重限制之情形。

本次项目改造以达成“控制自动化、数据精准化、管理精细化”为核心目的，凭借升级自动控制系统、完备仪器仪表监测网络、优化管道工艺等一系列办法，来提高污水处理站的自动化程度与处理效能。完成改造后该系统可实时收集污水处理各环节的数据信息，且自动生成日报表以为工艺剖析和改良给予数据方面的支持。同时借助远程监控以及智能调控手段降低人工介入以保障处理效果持续稳定达标，助力企业在环保管理方面实现质量提升和效率增进。

2 基于 S7-1200 与 S7-300 的 Profibus-DP 主从站通信设计

2.1 硬件选型与配置（S7-1200、S7-300 及相关模块）

在硬件挑选和配置工作方面，结合项目实际需求及设备兼容性综合考量，主站择选原本所用的西门子 S7-300 315DP CPU PLC 控制器，其拥有成熟的 Profibus-DP 主站通信能力可稳定承担原有控制逻辑以及数据交互任务。从站选用西门子 S7-1200 1214C CPU PLC，此型号控制器运算性能适配新增的自动化控制要求，且通过增设 CM1242-5 Profibus 从站模块实现与主站以总线方式连接。CM1242-5 模块的 DP 接口允许每个从站输入区和输出区实现最大 240 字节的数据传输，能满足污水处理进程中诸如温度、pH 值、流量等多种参数实时交换需要，同时选用同一品牌的硬件配置降低了系统兼容方面的风险为通信稳定性筑牢根基。

2.2 通信网络拓扑结构设计

通信网络拓扑结构选用总线型布局方式，主站 S7-300 与从站 S7-1200 凭借屏蔽双绞线予以直接连接，且在总线两个端点安装终端电阻以抑制信号反射带来的干扰影响。现场仪器仪表如电磁流量计、pH 计的信号经电缆接入从站 I/O 模块，从站汇总处理信号后经 Profibus 总线传至主站，主站又反馈控制指令给从站以驱动阀门、风机等执行设备动作。此结构既保留原有系统控制链路又达成新增设备无缝整合，且通过缩短节点间距离（将最大通信距离控制在 500 米以内），减少信号衰减情况及受干扰可能性保证数据传输具实时性。

2.3 主从站通信参数设置

在通信参数设置方面需兼顾传输效率与稳定性，主站 S7-300 的 Profibus-DP 接口传输速率设定成1.5Mbit/s。从站借助 CM1242 - 5 模块使自身速率与主站匹配防止因速率不匹配出现数据丢包现象，主站地址设定为 2，从站地址设定为 3 依靠唯一地址标识确保总线通信有序性，把数据交换周期设置为 200ms 以满足污水处理工艺在流量调节、液位控制等操作上对实时性要求。还配置通信超时保护机制，当主站与从站间通信中断时长超 500ms 时系统自动触发报警，并切换到手动控制模式预防设备异常运行状况。

3 系统软件编程与实现

3.1 主站（S7-300）程序设

主站（S7-300）开展基于原有控制逻辑，借助西门子 STEP 7 编程软件进行模块化构建的程序设计工作。其程序架构主要包含数据采集层、逻辑控制层以及通信管理层几个部分，数据采集层通过 OB1 组织块对从站传输的现场数据实施循环扫描。例如污水处理各环节的温度、pH 值、流量等模拟量及设备运行状态相关开关量均在采集范围内，经 FC1 功能块滤波处理后将数据储存到共享数据块 DB1 之中。逻辑控制层按工艺要求编写相应控制算法，比如借助FB1 功能块达成均调池液位的PID调节，液位超预先设定的 1.5 米阈值时自动激发阀门开度调整指令，且将控制参数写入 DB2 数据块里面。通信管理层运用 SFC14（读从站数据）及 SFC15（写从站数据）系统功能块实现，和从站的数据交互并在 OB35 定时中断组织块（周期设定为 100ms）中，予以调用以保障主从站数据同步更新。

3.2 从站（S7-1200）程序设计

从站（S7-1200）采用 TIA Portal 软件、通过结构化文本（STL）与梯形图（LAD）相互混合的编程形式，进行程序编写以达成各项功能。其程序核心由信号处理模块、控制执行模块以及通信响应模块构成，信号处理模块利用 OB100 初始化组织块完成模拟量输入模块（AI）和开关量输入模块（DI）的参数设置工作，把现场仪表采集到的 4 - 20mA 信号经 FC10 功能块转化，成为工程值（如 pH值 3- 7、温度 25 - 45℃）并储存到 DB10 数据块当中。控制执行模块依照主站下达指令，借助 FB10 功能块驱动模拟量输出模块（AO）和开关量输出模块（DO），例如调节电动阀门开度或控制风机启动与停止。同时将执行结果反馈至 DB11 状态数据块，通信响应模块通过对 CM1242-5 模块的 GSD 文件进行配置，在硬件配置中对 Profibus-DP 从站通信区加以定义，将 DB10 的输入数据映射到从站输入区（IB0-IB239），把主站输出区（QB0-QB239）映射到 DB11 的控制指令区，从而实现数据自动交互。

3.3 通信程序调试与优化

通信程序调试与优化涵盖起始离线仿真、在线调试、最后负载测试三阶段，起始离线仿真阶段借助 TIA Portal 的 PLCSIM 模拟器搭建，主从站通信环境以模拟从站输入数据变动情形，来核验主站数据接收精准程度及控制指令响应速度，且重点测试数据帧丢失或出错时容错处理逻辑。在线调试阶段运用西门子 ProfiBus 诊断工具监测总线通信状态，记录数据传输延迟情况（需保证小于等于 50 毫秒）及误码率（规定小于等于 0.1% ），并在因信号干扰致通信中断时通过调整总线终端电阻及屏蔽层接地方式解决。负载测试阶段在系统处于满负荷运作状态（同时传输 20 路模拟量与 15 路开关量）时，持续关注主从站 CPU 利用率（控制在 60% 以内）及通信周期稳定程度，通过优化数据块访问方式（如采用直接寻址替代符号寻址）将通信周期波动范围控制在 ±10 毫秒以内，保障污水处理工艺连续稳定运行。

4 系统集成调试与应用效果分析

4.1 系统集成与调试

硬件安装与接线工作需严格依电气设计规范开展，在控制柜内部各类组件如 PLC 模块、电源单元及 I/O 端子排等布局，要预留足够散热空间且模块间连线通过颜色编码，区分不同信号类型（模拟量信号用蓝色表示、开关量信号用棕色表示），接线端子用冷压端子压接并标注编号确保与图纸完全对应。电缆敷设工作中自控仪表电缆和动力电缆应分开穿管，并且为抑制电磁干扰屏蔽层采用单端接地方法，接地电阻需小于等于4 欧姆。对于安装在管道上仪表比如电磁流量计等要使其远离强磁场设备，且其上下游直管段长度分别满足 5 倍管径（管径用 D 表示）和 3 倍管径要求。系统整体调试流程同样分单机调试、子系统联调、全系统试运行三阶段，单机调试阶段逐个测试阀门、传感器等设备动作精度及信号输出情况。子系统联调阶段主要验证主从站之间通信状况、数据交互状况及控制逻辑协同性，全系统试运行阶段连续 72 小时模拟实际工作状态监测各项指标稳定程度。全系统试运行阶段，则需连续 72 小时模拟实际工作状态，以监测各项指标的稳定程度。通信功能测试环节，需借助信号发生器模拟现场参数，进而验证主从站数据传输的实时性（延迟需小于等于 200ms ）与准确性（误差需小于等于 1% ），同时还要测试通信中断时的报警及保护机制。

4.2 应用效果分析

在本项目硬件安装阶段，施工人员依照图纸把 S7-300 主站（315DP CPU）、S7-1200 从站（1214C CPU）以及 CM1242 - 5 模块固定进控制柜里，用截面积为 1.5 平方毫米的屏蔽双绞线连接二者的Profibus 接口且在总线两端接上 120Ω的终端电阻，将屏蔽层通过铜鼻子压接到接地铜排上（经地阻仪测量接地电阻数值为 3.2Ω），安装厌氧池 UASB1 的电磁流量计时严格确保其上游有 5 米（10D， D=∂ 500mm ）、下游有 3 米（6D）的直管段并和附近风机控制柜保持一定距离（间距大于等于 3 米）以避免受到磁场干扰。在单机调试过程中，针对均调池 pH 计先采用标准缓冲液（ pH=4.00 、7.00）校准，再输入 4mA 信号（对应 pH=3 ）时从站 AI 模块显示为 3.02，且误差符合相关要求，对电动阀门测试时主站发出 20mA 信号（100%开度）阀门实际动作时间为 8 秒与设计数值一样。在子系统联调之际察觉到从站上传的流量数据频繁跳变，利用示波器检测总线信号发现波形畸变，经排查找出原因是终端电阻未接入，接入后信号便恢复稳定（波动范围小于等于 0.1 立方米/小时）。全系统试运行第二天主从站忽然通信中断，报警系统发出声光提示，检查后发现是 CM1242 - 5 模块的电源接线松动，重新拧紧固定后通信恢复正常，后续连续监测 48 小时未再出现异常情况，数据传输延迟稳定在 150ms左右达到设计要求。

5 结束语

本项研究以百事食品（北京）一厂污水处理站改造项目为依据，借助 S7-1200 与 S7-300 的 Profibus-DP 主从站通信设计，有效化解新旧系统对接、数据传输等技术难题达成污水处理自动化控制。改造后系统运行平稳且处理精准度与效率明显提升，证实该通信方案具备可行性与实用性，项目成果为工业污水处理自动化升级提供参考实践经验且为类似控制系统改造奠定技术基础。

参考文献：

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