污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)的分析與應(yīng)用

一、引言

水是人類生活和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不可或缺的重要部分，隨著科技水平的飛速發(fā)展和人類生活水平的巨大提升，對(duì)于潔凈的優(yōu)質(zhì)的水源的需求也不斷急劇釋放。為建設(shè)可靠、穩(wěn)定、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)以及可擴(kuò)展的合理的水處理自動(dòng)化系統(tǒng)成為工程界和城市水行業(yè)營運(yùn)管理部門共同關(guān)心的問題。微電子、通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展大大提高了水處理控制系統(tǒng)的信息化和智能化程度，與3C技術(shù)相結(jié)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(tǒng)的核心控制器，其與開放的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)一起，共同推動(dòng)著水處理自動(dòng)化系統(tǒng)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。凈水廠控制系統(tǒng)通常分為水廠調(diào)度系統(tǒng)、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(duì)獨(dú)立工作，通過有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，將所有的數(shù)據(jù)信息送到水廠調(diào)度室進(jìn)行處理，或?qū)⒁徊糠謹(jǐn)?shù)據(jù)通過調(diào)度系統(tǒng)以無線（或有線）通訊的方式送到城市的調(diào)度中心。對(duì)于污水處理來說，要根據(jù)污水水源地狀況來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(tǒng)應(yīng)用PLC的要求也有所不同。一般講，整個(gè)污水處理廠都有總控室和多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站，站與站之間通過控制器層網(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(tái)計(jì)算機(jī)、工作站和圖形站都用信息層網(wǎng)絡(luò)連接，這樣和現(xiàn)場(chǎng)控制站構(gòu)成了集中管理，分散控制，高速數(shù)據(jù)交換的工廠級(jí)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)[1].PLC自控系統(tǒng)是水處理廠的控制核心部分，對(duì)其合理的選型和設(shè)計(jì)，對(duì)污水廠能否高效、自動(dòng)化的運(yùn)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的正常運(yùn)行。

二、系統(tǒng)構(gòu)成

污水處理廠自控系統(tǒng)一般包括污水廠部分和廠外泵站部分。監(jiān)控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)和PLC是污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)的核心組成部分，它們的性能對(duì)污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)會(huì)起到?jīng)Q定性的作用[2].根據(jù)污水處理自動(dòng)化本身的特點(diǎn)和監(jiān)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(tǒng)性能的重要因素。

通信網(wǎng)絡(luò)：

在污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上，國內(nèi)在管理體制上主要采用三級(jí)管理，即監(jiān)控總中心、區(qū)域監(jiān)控分中心和監(jiān)控站。由于監(jiān)控站不直接對(duì)污水處理廠的外場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行直接控制，因此工程界按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的劃分把監(jiān)控系統(tǒng)劃分為信息層、控制層和設(shè)備層。

第一層為信息層，主要負(fù)責(zé)大量信息及不同廠家不同設(shè)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)廠商均支持工業(yè)以太網(wǎng)，并且他們?cè)谠�有TCP/IP的基礎(chǔ)上，相繼開發(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以及西門子支持的ProfiNet等。由于Ethernet的信息量大，因此在污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)中以太網(wǎng)主要用于各個(gè)控制分站與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸，包括各種傳感器數(shù)據(jù)等大量歷史數(shù)據(jù)信息。

第二層為控制層，主要采用現(xiàn)場(chǎng)總線組成隧道區(qū)域控制器網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是由于采用了標(biāo)準(zhǔn)總線組網(wǎng)，既能滿足實(shí)時(shí)通信的要求，又具有開放協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)接口，能在總線上方便的掛接各種外場(chǎng)設(shè)備，有利于監(jiān)控系統(tǒng)的擴(kuò)展。目前，現(xiàn)場(chǎng)總線有40多種，在污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線主要有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(jì)算機(jī)、PLC與PLC及其它設(shè)備之間的大量數(shù)據(jù)的高速通訊。為使系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，控制層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多采用環(huán)網(wǎng)的方式組成，包括線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)例說明。

第三層為設(shè)備層，這一層用于PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、遠(yuǎn)程I/O端子及現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)總線而得到了廣泛的應(yīng)用，而Profibus/DP雖然沒有成為標(biāo)準(zhǔn)，但是它的應(yīng)該也相當(dāng)廣泛。

值得指出的是，近來年以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用使得人們把目光投向了現(xiàn)場(chǎng)總線上來，工業(yè)以太網(wǎng)是否最終將取代現(xiàn)場(chǎng)總線仍然是一個(gè)爭(zhēng)論的話題。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(biāo)上仍然無法具有現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。從本質(zhì)上來講，以太網(wǎng)的載波幀聽沖突監(jiān)測(cè)CSMA/CD的訪問方式，實(shí)時(shí)性并沒有現(xiàn)場(chǎng)總線采用的令牌總線和令牌環(huán)的訪問方式高，不論人們采用何種方式，如協(xié)議封裝、分時(shí)訪問控制等，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(dāng)前技術(shù)還未完全成熟之前，現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用于控制層，是一個(gè)積極和穩(wěn)妥的選擇。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，今后其取代現(xiàn)場(chǎng)總線而用于控制層也是很有可能的。

監(jiān)控分中心及上位監(jiān)控軟件：

監(jiān)控分中心一般將設(shè)置多臺(tái)SCADA工作站（工控機(jī)）。分別用于水廠調(diào)度系統(tǒng)、加藥間（加氯間）、濾站、送水泵房等監(jiān)控，完成污水廠內(nèi)各種設(shè)備的狀態(tài)顯示、自動(dòng)控制、半自動(dòng)控制、打印報(bào)警、分析報(bào)表等工作。同時(shí)，監(jiān)控分中心還將設(shè)置了多臺(tái)服務(wù)器，為其它計(jì)算機(jī)提供支援和與監(jiān)控總中心進(jìn)行通信。

PLC的選擇：

施奈德（Schneider）、西門子（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(tǒng)的應(yīng)用方面，又以羅克維爾、歐姆龍和施奈德的應(yīng)用最為廣泛。

污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)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(tǒng)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(wěn)定可靠，并具有預(yù)先處理數(shù)據(jù)和集中傳輸數(shù)據(jù)的能力，具有較高的故障保護(hù)能力；其次，控制分站本地控制器可以獨(dú)立承擔(dān)控制分區(qū)的基本控制任務(wù)，即使監(jiān)控站或者監(jiān)控中心因故障停止運(yùn)行，相鄰區(qū)域的控制器也能交換數(shù)據(jù)信息；再次，當(dāng)某控制站的控制量出現(xiàn)變化時(shí)，可按預(yù)定方案和程序采取相應(yīng)的算法，對(duì)相關(guān)區(qū)域的控制對(duì)象，比如泵或者加藥系統(tǒng)等做出相應(yīng)的調(diào)整。因此，它必須至少有如下功能模塊，數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)處理功能（實(shí)現(xiàn)集中和獨(dú)立工作方式，尤其是在獨(dú)立控制時(shí)能與相鄰控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換）；通信功能、容錯(cuò)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(jiān)控系統(tǒng)的性能要求和自然條件以及運(yùn)營周期對(duì)設(shè)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(guī)模的污水處理廠，需要選擇性能更好的雙機(jī)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(qū)別在于Omron的雙系統(tǒng)是在一個(gè)底板上實(shí)現(xiàn)，而Siemens等是兩個(gè)底板通過光纖連接，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(xiàn)雙CPU雙電源、雙CPU單電源、單CPU單電源多種冗余結(jié)構(gòu)。

在一般的環(huán)境狀態(tài)的時(shí)候或較小規(guī)模的污水處理廠，多采用標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)型作為現(xiàn)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(xiàn)場(chǎng)總線，控制方式采用遠(yuǎn)程帶CPU的智能分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)開放性和兼容性強(qiáng)，豐富的I/O及高功能模塊，完全滿足污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)信號(hào)處理的要求。

三、應(yīng)用案例

下面以天津咸陽路污水處理廠為例[3]，具體說明污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成，控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖一所示：

信息層：咸陽路污水處理系統(tǒng)因其分布面積較大，廠區(qū)內(nèi)共有5個(gè)PLC分站：預(yù)處理系統(tǒng)分控主站PLC1、生物處理系統(tǒng)分控主站PLC2、污泥處理系統(tǒng)分控主站PLC3、出水及雨水系統(tǒng)分控主站PLC4和污泥消化系統(tǒng)PLC5，使用的CPU均為OMRON的CS1H-CPU66H.該功能層實(shí)現(xiàn)污水處理廠各單元過程所有過程參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及電氣參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，單元過程及設(shè)備的控制，并通過OMRON網(wǎng)絡(luò)模塊CS1W-ETN21，和中央控制室通過赫斯曼太網(wǎng)交換機(jī)，組成100M光纖以太環(huán)網(wǎng)，向監(jiān)控層傳送數(shù)據(jù)和接受監(jiān)控層控制指令。在中控室中，作為工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器、兩臺(tái)工程師/操作員站計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、UPS電源及監(jiān)視屏等設(shè)備，其主要職能是進(jìn)行系統(tǒng)中的信息交換與信息顯示及控制。該層通過上位監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)主要工藝設(shè)備的控制和調(diào)度，對(duì)污水處理全過程中的工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、優(yōu)化和調(diào)整，對(duì)主要工藝流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬和趨勢(shì)分析、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)控制，在控制組態(tài)上實(shí)現(xiàn)各種常規(guī)與復(fù)雜的優(yōu)化控制、專家控制、模糊控制等先進(jìn)的智能控制。同時(shí)，功能強(qiáng)大與穩(wěn)定的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)庫亦通過以太網(wǎng)成為上下層間的信息通道。污水廠中控室控制站還通過RIAMBView和信息中心、便攜計(jì)算機(jī)及廠外泵站（咸陽路泵站、密云路泵站）等處進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊，RIAMBView具備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)（最適合SCADA）功能，通過寬帶接收或發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端對(duì)部分實(shí)時(shí)畫面、進(jìn)程數(shù)據(jù)庫的訪問。

此外廠長(zhǎng)辦公室計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成的局域網(wǎng)即構(gòu)成了廠區(qū)管理層。通過關(guān)系數(shù)據(jù)庫和相關(guān)的管理軟件，為決策者提供了各項(xiàng)生產(chǎn)及運(yùn)營的調(diào)度管理所必須的信息平臺(tái)。該層和過程監(jiān)控層，與Internet接軌但有著較高的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)功能，僅授權(quán)的用戶等級(jí)可對(duì)進(jìn)程數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問。

控制層：控制器網(wǎng)絡(luò)（ControllerLink）是建立在一種令牌總線或者令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議上的通訊機(jī)制，它通過PLC上的CLK模塊與其它站PLC上的CLK模塊或計(jì)算機(jī)上的板卡相配合，在板卡之內(nèi)建立一個(gè)數(shù)據(jù)交換區(qū)。該網(wǎng)可以采用雙絞線通訊電纜或者多模光纜通訊，線纜其最大通訊速率為2M，最大距離達(dá)1km，光纜通訊速率為2M，最大通訊距離為30KM.本系統(tǒng)中，預(yù)處理系統(tǒng)分控主站PLC1包括進(jìn)水泵房、沉砂池，同時(shí)通過控制器網(wǎng)絡(luò)總線串接到其下三個(gè)初沉池、初沉污泥泵房分站（PLC1-1、PLC1-2、PLC1-3）；生物處理系統(tǒng)分控主站PLC2包括：鼓風(fēng)機(jī)房、加氯間，同時(shí)通過ControllerLink總線串接到其下五個(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(hào)均為CS1H-CPU44H.

污水處理流程中的各檢測(cè)儀表均為在線式智能儀表，變送器均帶有數(shù)字顯示裝置并通過可編程序控制器（PLC）的接口傳送標(biāo)準(zhǔn)的模擬、數(shù)字信號(hào)。

系統(tǒng)特點(diǎn)：

1、高可靠與高穩(wěn)定性：環(huán)形冗余以太網(wǎng)方案的出現(xiàn)則保證了系統(tǒng)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專用的，能在CS系列PLC或上位工控機(jī)之間建立靈活方便的傳送和接收大量數(shù)據(jù)的工廠自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)，與自控系統(tǒng)在通訊方面有極高的穩(wěn)定性。充分體現(xiàn)了集中管理分散控制的原則，也保證了高可靠與高穩(wěn)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(fù)擔(dān)較大的環(huán)境下，仍可保持高穩(wěn)定性的通訊效果。除網(wǎng)絡(luò)部分外，自控系統(tǒng)通過下列技術(shù)與工程措施，也確保了系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)性：整個(gè)系統(tǒng)選用符合工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的成熟定型產(chǎn)品；PLC模塊具有自診斷（檢錯(cuò)）與容錯(cuò)功能；PLC控制柜內(nèi)具有完善的抗干擾及防雷等技術(shù)措施；中控室及現(xiàn)地控制站設(shè)備均具備供電冗余功能；即使在上位機(jī)發(fā)生故障或通信中斷時(shí)，現(xiàn)地控制站亦可以在手動(dòng)模式下獨(dú)立完成基本局部控制；

2、高擴(kuò)展性：工業(yè)以太網(wǎng)具有向下兼容性。對(duì)于雙絞線或光纖介質(zhì)，如果將傳輸速度從10Mbps提升到100Mbps，在大多數(shù)場(chǎng)合不需要改變現(xiàn)有的布線，只需更新網(wǎng)絡(luò)設(shè)備即可。同樣，如果將本系統(tǒng)主干網(wǎng)從100Mbps以太網(wǎng)提升到千兆以太網(wǎng)，只需升級(jí)網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，而無需重新鋪設(shè)光纜；

3、開放性：系統(tǒng)對(duì)用戶是開放的。設(shè)備的增減、控制方案的選取、系統(tǒng)的擴(kuò)縮與維護(hù)等，用戶都可以在廣泛的設(shè)備環(huán)境下便利地自己完成。所有硬件接口，軟件協(xié)議全部按開放性的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、編制。此外OMRON串行口的協(xié)議宏功能，使得開發(fā)方不需要編寫專門的通信程序與第三方設(shè)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(shè)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，豐富的圖畫功能，使用戶清晰的了解污水處理廠各工段的運(yùn)行情況，故障報(bào)警點(diǎn)的分支細(xì)節(jié)，使操作員僅通過鼠標(biāo)便可發(fā)布各種指令或換畫面；用戶還可通過上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)訪問網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任一節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，梯形監(jiān)控工具亦可以監(jiān)控工業(yè)以太網(wǎng)甚至控制器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各站PLC梯形圖程序，而不需要現(xiàn)場(chǎng)操作，實(shí)現(xiàn)真正的無縫連接。

四、結(jié)束語

當(dāng)時(shí)我國污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施正處于一個(gè)成長(zhǎng)的時(shí)期，系統(tǒng)的需求、設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)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(tǒng)的改進(jìn)創(chuàng)造了條件和基礎(chǔ)，也使建設(shè)合理的監(jiān)控系統(tǒng)成為可能。

從系統(tǒng)的需求來看，一方面要兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠與可控，也要反映系統(tǒng)的先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)與可擴(kuò)展，同時(shí)也要使操作便捷與維護(hù)方便；另一方面，針對(duì)不同的區(qū)域條件和功能要求確定系統(tǒng)的規(guī)模和冗余度的大小，確定系統(tǒng)的合理集成方式、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式以力求系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)性的有機(jī)結(jié)合；從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來看，除考慮系統(tǒng)的規(guī)模和設(shè)計(jì)方法外，也要考慮新技術(shù)的應(yīng)用，使整個(gè)系統(tǒng)既先進(jìn)又實(shí)用；從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來看，當(dāng)前我國普遍采用三級(jí)污水處理廠管理和分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制方式，事實(shí)上，主從式結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)總線如Profibus，由于系統(tǒng)的可靠性受主控制器的制約，并不適用于全分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制，采用對(duì)等的自愈網(wǎng)絡(luò)是今后的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)；從系統(tǒng)的控制來看，當(dāng)前我國污水處理廠監(jiān)控存在著只監(jiān)不控，或監(jiān)強(qiáng)控弱的現(xiàn)象，各種控制信息沒有得到很好利用，對(duì)于污水處理廠控制，要針對(duì)不同現(xiàn)象，采用不同的控制方法。

今后我國的污水處理廠監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展是，在原有基礎(chǔ)上，按照監(jiān)測(cè)與控制適當(dāng)分離、最大限度的集中監(jiān)測(cè)、靈活機(jī)動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)控制的總體思想，逐步改進(jìn)，使得污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)更趨合理。

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