污水處理廠(chǎng)自動(dòng)化系統的分析與應用

一、引言

水是人類(lèi)生活和國民經(jīng)濟發(fā)展的不可或缺的重要部分，隨著(zhù)科技水平的飛速發(fā)展和人類(lèi)生活水平的巨大提升，對于潔凈的優(yōu)質(zhì)的水源的需求也不斷急劇釋放。為建設可靠、穩定、先進(jìn)、經(jīng)濟以及可擴展的合理的水處理自動(dòng)化系統成為工程界和城市水行業(yè)營(yíng)運管理部門(mén)共同關(guān)心的問(wèn)題。微電子、通信、計算機技術(shù)的發(fā)展大大提高了水處理控制系統的信息化和智能化程度，與3C技術(shù)相結合的PLC以其卓越的可靠性、抗干擾性以及靈活的控制方式成為水處理自動(dòng)化系統的核心控制器，其與開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò )通信系統一起，共同推動(dòng)著(zhù)水處理自動(dòng)化系統的智能化程度的發(fā)展。

水處理行業(yè)主要分為凈水處理和污水處理兩大部分。凈水廠(chǎng)控制系統通常分為水廠(chǎng)調度系統、加藥間（加氯間）PLC控制站、濾站PLC控制站、送水泵房PLC控制站等。各個(gè)控制站相對獨立工作，通過(guò)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通訊，將所有的數據信息送到水廠(chǎng)調度室進(jìn)行處理，或將一部分數據通過(guò)調度系統以無(wú)線(xiàn)（或有線(xiàn)）通訊的方式送到城市的調度中心。對于污水處理來(lái)說(shuō)，要根據污水水源地狀況來(lái)確定污水處理的工藝流程，由于污水處理工藝的不同而自控系統應用PLC的要求也有所不同。一般講，整個(gè)污水處理廠(chǎng)都有總控室和多個(gè)現場(chǎng)控制站，站與站之間通過(guò)控制器層網(wǎng)絡(luò )或信息層網(wǎng)絡(luò )相連，然后全部連接到總控室，總控室的多臺計算機、工作站和圖形站都用信息層網(wǎng)絡(luò )連接，這樣和現場(chǎng)控制站構成了集中管理，分散控制，高速數據交換的工廠(chǎng)級自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )[1].PLC自控系統是水處理廠(chǎng)的控制核心部分，對其合理的選型和設計，對污水廠(chǎng)能否高效、自動(dòng)化的運行非常重要。然而，PLC網(wǎng)絡(luò )又是其中的重中之重，網(wǎng)絡(luò )的好壞直接影響到污水廠(chǎng)的正常運行。

二、系統構成

污水處理廠(chǎng)自控系統一般包括污水廠(chǎng)部分和廠(chǎng)外泵站部分。監控系統通訊網(wǎng)絡(luò )和PLC是污水處理自動(dòng)化系統的核心組成部分，它們的性能對污水處理自動(dòng)化系統會(huì )起到?jīng)Q定性的作用[2].根據污水處理自動(dòng)化本身的特點(diǎn)和監控需求選擇合適的PLC及通訊網(wǎng)絡(luò )是保證污水處理自動(dòng)化系統性能的重要因素。

通信網(wǎng)絡(luò )：

在污水處理自動(dòng)化系統的結構上，國內在管理體制上主要采用三級管理，即監控總中心、區域監控分中心和監控站。由于監控站不直接對污水處理廠(chǎng)的外場(chǎng)設備進(jìn)行直接控制，因此工程界按照系統結構的劃分把監控系統劃分為信息層、控制層和設備層。

第一層為信息層，主要負責大量信息及不同廠(chǎng)家不同設備之間的信息傳輸，工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet為目前較常用的一種信息網(wǎng)絡(luò )，世界各大PLC生產(chǎn)廠(chǎng)商均支持工業(yè)以太網(wǎng)，并且他們在原有TCP/IP的基礎上，相繼開(kāi)發(fā)出實(shí)時(shí)性更高的工業(yè)以太網(wǎng)，如歐姆龍和羅克維爾支持的Ethernet/IP，施奈德支持的Modbus-TCP/IP以及西門(mén)子支持的ProfiNet等。由于Ethernet的信息量大，因此在污水處理廠(chǎng)自動(dòng)化系統中以太網(wǎng)主要用于各個(gè)控制分站與監控中心的數據傳輸，包括各種傳感器數據等大量歷史數據信息。

第二層為控制層，主要采用現場(chǎng)總線(xiàn)組成隧道區域控制器網(wǎng)絡(luò )，其特點(diǎn)是由于采用了標準總線(xiàn)組網(wǎng)，既能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)通信的要求，又具有開(kāi)放協(xié)議的標準接口，能在總線(xiàn)上方便的掛接各種外場(chǎng)設備，有利于監控系統的擴展。目前，現場(chǎng)總線(xiàn)有40多種，在污水處理廠(chǎng)自動(dòng)化系統中應用的現場(chǎng)總線(xiàn)主要有ControllerLink、LonWorks、Inetrtbus、Profibus、Can和Modbus.他們的共同特點(diǎn)是高速、高可靠，適合PLC與計算機、PLC與PLC及其它設備之間的大量數據的高速通訊。為使系統的穩定可靠，控制層的網(wǎng)絡(luò )結構多采用環(huán)網(wǎng)的方式組成，包括線(xiàn)纜型和光纖作為傳輸介質(zhì)，具體組網(wǎng)將在后面作出實(shí)例說(shuō)明。

第三層為設備層，這一層用于PLC與現場(chǎng)設備、遠程I/O端子及現場(chǎng)儀表之間的通訊，它們有DeviceNet、Modbus以及Profibus/DP等，其中DeviceNet已經(jīng)成為工業(yè)界的標準總線(xiàn)而得到了廣泛的應用，而Profibus/DP雖然沒(méi)有成為標準，但是它的應該也相當廣泛。

值得指出的是，近來(lái)年以太網(wǎng)的廣泛應用使得人們把目光投向了現場(chǎng)總線(xiàn)上來(lái)，工業(yè)以太網(wǎng)是否最終將取代現場(chǎng)總線(xiàn)仍然是一個(gè)爭論的話(huà)題。然而，不論是Ethernet/IP還是Modbus-TCP/IP，以太網(wǎng)在一些重要的性能指標上仍然無(wú)法具有現場(chǎng)總線(xiàn)的特點(diǎn)和優(yōu)勢。從本質(zhì)上來(lái)講，以太網(wǎng)的載波幀聽(tīng)沖突監測CSMA/CD的訪(fǎng)問(wèn)方式，實(shí)時(shí)性并沒(méi)有現場(chǎng)總線(xiàn)采用的令牌總線(xiàn)和令牌環(huán)的訪(fǎng)問(wèn)方式高，不論人們采用何種方式，如協(xié)議封裝、分時(shí)訪(fǎng)問(wèn)控制等，都只能改善以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性，起不到本質(zhì)的改變。在當前技術(shù)還未完全成熟之前，現場(chǎng)總線(xiàn)應用于控制層，是一個(gè)積極和穩妥的選擇。隨著(zhù)以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，今后其取代現場(chǎng)總線(xiàn)而用于控制層也是很有可能的。

監控分中心及上位監控軟件：

監控分中心一般將設置多臺SCADA工作站（工控機）。分別用于水廠(chǎng)調度系統、加藥間（加氯間）、濾站、送水泵房等監控，完成污水廠(chǎng)內各種設備的狀態(tài)顯示、自動(dòng)控制、半自動(dòng)控制、打印報警、分析報表等工作。同時(shí)，監控分中心還將設置了多臺服務(wù)器，為其它計算機提供支援和與監控總中心進(jìn)行通信。

PLC的選擇：

施奈德（Schneider）、西門(mén)子（Siemens）、歐姆龍（Omron）、羅克維爾（Rockwell）、通用電氣（GE）是全球五大PLC制造廠(chǎng)商和整體方案的提供者，他們的產(chǎn)品面向各自不同的領(lǐng)域，其中在污水處理自動(dòng)化系統的應用方面，又以羅克維爾、歐姆龍和施奈德的應用最為廣泛。

污水處理自動(dòng)控制系統對PLC的性能提出了更高的要求，作為污水處理自動(dòng)控制系統的核心控制器，其必須具備以下幾大功能特點(diǎn)：首先本身必須穩定可靠，并具有預先處理數據和集中傳輸數據的能力，具有較高的故障保護能力；其次，控制分站本地控制器可以獨立承擔控制分區的基本控制任務(wù)，即使監控站或者監控中心因故障停止運行，相鄰區域的控制器也能交換數據信息；再次，當某控制站的控制量出現變化時(shí)，可按預定方案和程序采取相應的算法，對相關(guān)區域的控制對象，比如泵或者加藥系統等做出相應的調整。因此，它必須至少有如下功能模塊，數據采集存儲處理功能（實(shí)現集中和獨立工作方式，尤其是在獨立控制時(shí)能與相鄰控制器實(shí)現數據交換）；通信功能、容錯功能、自動(dòng)診斷功能和本地操作功能（即能帶觸摸屏）。

必須綜合考慮整個(gè)監控系統的性能要求和自然條件以及運營(yíng)周期對設備的要求進(jìn)行選擇，尤其在極端氣候和惡劣環(huán)境狀況條件下或較大規模的污水處理廠(chǎng)，需要選擇性能更好的雙機熱備冗余的PLC，如Schneider的2Quantom系列、Rockwell的2ControlLogix、Omron的CS1D系列、Siemens的S7-417系列；區別在于Omron的雙系統是在一個(gè)底板上實(shí)現，而Siemens等是兩個(gè)底板通過(guò)光纖連接，會(huì )在一定程度上占用控制柜的空間，但他們的配置都很靈活，可以任意實(shí)現雙CPU雙電源、雙CPU單電源、單CPU單電源多種冗余結構。

在一般的環(huán)境狀態(tài)的時(shí)候或較小規模的污水處理廠(chǎng)，多采用標準的機型作為現場(chǎng)控制器，如Schneider的Quantom140系列、Rockwell的ControlLogix、Omron的CS1系列、Siemens的S7-400系列等；他們都支持工業(yè)以太網(wǎng)和多種現場(chǎng)總線(xiàn)，控制方式采用遠程帶CPU的智能分布式結構，系統開(kāi)放性和兼容性強，豐富的I/O及高功能模塊，完全滿(mǎn)足污水處理自動(dòng)控制系統對信號處理的要求。

三、應用案例

下面以天津咸陽(yáng)路污水處理廠(chǎng)為例[3]，具體說(shuō)明污水處理廠(chǎng)自動(dòng)控制系統的組成，控制系統拓撲圖如圖一所示：

信息層：咸陽(yáng)路污水處理系統因其分布面積較大，廠(chǎng)區內共有5個(gè)PLC分站：預處理系統分控主站PLC1、生物處理系統分控主站PLC2、污泥處理系統分控主站PLC3、出水及雨水系統分控主站PLC4和污泥消化系統PLC5，使用的CPU均為OMRON的CS1H-CPU66H.該功能層實(shí)現污水處理廠(chǎng)各單元過(guò)程所有過(guò)程參數、設備運行狀態(tài)及電氣參數的數據采集，單元過(guò)程及設備的控制，并通過(guò)OMRON網(wǎng)絡(luò )模塊CS1W-ETN21，和中央控制室通過(guò)赫斯曼太網(wǎng)交換機，組成100M光纖以太環(huán)網(wǎng)，向監控層傳送數據和接受監控層控制指令。在中控室中，作為工業(yè)以太網(wǎng)結點(diǎn)的系統數據服務(wù)器、兩臺工程師/操作員站計算機、打印機、UPS電源及監視屏等設備，其主要職能是進(jìn)行系統中的信息交換與信息顯示及控制。該層通過(guò)上位監控軟件實(shí)現對主要工藝設備的控制和調度，對污水處理全過(guò)程中的工藝參數進(jìn)行數據采集、監控、優(yōu)化和調整，對主要工藝流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬和趨勢分析、實(shí)時(shí)數據處理和實(shí)時(shí)控制，在控制組態(tài)上實(shí)現各種常規與復雜的優(yōu)化控制、專(zhuān)家控制、模糊控制等先進(jìn)的智能控制。同時(shí)，功能強大與穩定的實(shí)時(shí)和歷史數據庫亦通過(guò)以太網(wǎng)成為上下層間的信息通道。污水廠(chǎng)中控室控制站還通過(guò)RIAMBView和信息中心、便攜計算機及廠(chǎng)外泵站（咸陽(yáng)路泵站、密云路泵站）等處進(jìn)行遠程通訊，RIAMBView具備遠程數據服務(wù)（最適合SCADA）功能，通過(guò)寬帶接收或發(fā)送相關(guān)數據，實(shí)現遠端對部分實(shí)時(shí)畫(huà)面、進(jìn)程數據庫的訪(fǎng)問(wèn)。

此外廠(chǎng)長(cháng)辦公室計算機和數據庫服務(wù)器組成的局域網(wǎng)即構成了廠(chǎng)區管理層。通過(guò)關(guān)系數據庫和相關(guān)的管理軟件，為決策者提供了各項生產(chǎn)及運營(yíng)的調度管理所必須的信息平臺。該層和過(guò)程監控層，與Internet接軌但有著(zhù)較高的網(wǎng)絡(luò )安全防護功能，僅授權的用戶(hù)等級可對進(jìn)程數據庫進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。

控制層：控制器網(wǎng)絡(luò )（ControllerLink）是建立在一種令牌總線(xiàn)或者令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò )通訊協(xié)議上的通訊機制，它通過(guò)PLC上的CLK模塊與其它站PLC上的CLK模塊或計算機上的板卡相配合，在板卡之內建立一個(gè)數據交換區。該網(wǎng)可以采用雙絞線(xiàn)通訊電纜或者多模光纜通訊，線(xiàn)纜其最大通訊速率為2M，最大距離達1km，光纜通訊速率為2M，最大通訊距離為30KM.本系統中，預處理系統分控主站PLC1包括進(jìn)水泵房、沉砂池，同時(shí)通過(guò)控制器網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)串接到其下三個(gè)初沉池、初沉污泥泵房分站（PLC1-1、PLC1-2、PLC1-3）；生物處理系統分控主站PLC2包括：鼓風(fēng)機房、加氯間，同時(shí)通過(guò)ControllerLink總線(xiàn)串接到其下五個(gè)二沉池、曝氣池、回流泵房分站（PLC2-1、PLC2-2、PLC2-3、PLC2-4、PLC2-5）。所有控制器網(wǎng)絡(luò )子站所用CPU型號均為CS1H-CPU44H.

污水處理流程中的各檢測儀表均為在線(xiàn)式智能儀表，變送器均帶有數字顯示裝置并通過(guò)可編程序控制器（PLC）的接口傳送標準的模擬、數字信號。

系統特點(diǎn)：

1、高可靠與高穩定性：環(huán)形冗余以太網(wǎng)方案的出現則保證了系統更高的可靠性，單一點(diǎn)的鏈路中斷不會(huì )造成網(wǎng)絡(luò )通訊的中斷；而控制器網(wǎng)絡(luò )作為OMRON專(zhuān)用的，能在CS系列PLC或上位工控機之間建立靈活方便的傳送和接收大量數據的工廠(chǎng)自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò )，與自控系統在通訊方面有極高的穩定性。充分體現了集中管理分散控制的原則，也保證了高可靠與高穩定性。與此同時(shí)，omron基于工業(yè)以太網(wǎng)的FINS（FactoryInterfaceNetworkService）通訊服務(wù)（FINS通訊服務(wù)功能），即使在通訊負擔較大的環(huán)境下，仍可保持高穩定性的通訊效果。除網(wǎng)絡(luò )部分外，自控系統通過(guò)下列技術(shù)與工程措施，也確保了系統的長(cháng)期穩定可靠運性：整個(gè)系統選用符合工業(yè)級標準的成熟定型產(chǎn)品；PLC模塊具有自診斷（檢錯）與容錯功能；PLC控制柜內具有完善的抗干擾及防雷等技術(shù)措施；中控室及現地控制站設備均具備供電冗余功能；即使在上位機發(fā)生故障或通信中斷時(shí)，現地控制站亦可以在手動(dòng)模式下獨立完成基本局部控制；

2、高擴展性：工業(yè)以太網(wǎng)具有向下兼容性。對于雙絞線(xiàn)或光纖介質(zhì)，如果將傳輸速度從10Mbps提升到100Mbps，在大多數場(chǎng)合不需要改變現有的布線(xiàn)，只需更新網(wǎng)絡(luò )設備即可。同樣，如果將本系統主干網(wǎng)從100Mbps以太網(wǎng)提升到千兆以太網(wǎng)，只需升級網(wǎng)絡(luò )傳輸設備，而無(wú)需重新鋪設光纜；

3、開(kāi)放性：系統對用戶(hù)是開(kāi)放的。設備的增減、控制方案的選取、系統的擴縮與維護等，用戶(hù)都可以在廣泛的設備環(huán)境下便利地自己完成。所有硬件接口，軟件協(xié)議全部按開(kāi)放性的標準設計、編制。此外OMRON串行口的協(xié)議宏功能，使得開(kāi)發(fā)方不需要編寫(xiě)專(zhuān)門(mén)的通信程序與第三方設備進(jìn)行通信，原則上OMRONPLC能和任何帶RS-232C，RS-422或RS-485接口的設備進(jìn)行通信。

4、操作的實(shí)用性：組太軟件和編程軟件都是全中文界面，豐富的圖畫(huà)功能，使用戶(hù)清晰的了解污水處理廠(chǎng)各工段的運行情況，故障報警點(diǎn)的分支細節，使操作員僅通過(guò)鼠標便可發(fā)布各種指令或換畫(huà)面；用戶(hù)還可通過(guò)上位機的網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )內任一節點(diǎn)的數據，梯形監控工具亦可以監控工業(yè)以太網(wǎng)甚至控制器網(wǎng)絡(luò )內各站PLC梯形圖程序，而不需要現場(chǎng)操作，實(shí)現真正的無(wú)縫連接。

四、結束語(yǔ)

當時(shí)我國污水處理廠(chǎng)自動(dòng)化系統的設計和實(shí)施正處于一個(gè)成長(cháng)的時(shí)期，系統的需求、設計、結構以及系統的控制仍然存在不完善的地方，同時(shí)技術(shù)的發(fā)展也給污水處理自動(dòng)化系統的改進(jìn)創(chuàng )造了條件和基礎，也使建設合理的監控系統成為可能。

從系統的需求來(lái)看，一方面要兼顧系統的穩定、可靠與可控，也要反映系統的先進(jìn)、經(jīng)濟與可擴展，同時(shí)也要使操作便捷與維護方便；另一方面，針對不同的區域條件和功能要求確定系統的規模和冗余度的大小，確定系統的合理集成方式、系統網(wǎng)絡(luò )的構成與拓撲結構形式以力求系統的可靠性、穩定性、先進(jìn)性與經(jīng)濟性的有機結合；從系統的設計來(lái)看，除考慮系統的規模和設計方法外，也要考慮新技術(shù)的應用，使整個(gè)系統既先進(jìn)又實(shí)用；從系統的結構來(lái)看，當前我國普遍采用三級污水處理廠(chǎng)管理和分布式現場(chǎng)總線(xiàn)控制方式，事實(shí)上，主從式結構的現場(chǎng)總線(xiàn)如Profibus，由于系統的可靠性受主控制器的制約，并不適用于全分布式現場(chǎng)總線(xiàn)控制，采用對等的自愈網(wǎng)絡(luò )是今后的一個(gè)發(fā)展趨勢；從系統的控制來(lái)看，當前我國污水處理廠(chǎng)監控存在著(zhù)只監不控，或監強控弱的現象，各種控制信息沒(méi)有得到很好利用，對于污水處理廠(chǎng)控制，要針對不同現象，采用不同的控制方法。

今后我國的污水處理廠(chǎng)監控系統的發(fā)展是，在原有基礎上，按照監測與控制適當分離、最大限度的集中監測、靈活機動(dòng)的現場(chǎng)控制的總體思想，逐步改進(jìn)，使得污水處理廠(chǎng)自動(dòng)化系統的建設更趨合理。

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