污水處理廠自動化系統的分析與應用

一、引言

水是人類生活和國民經濟發展的不可或缺的重要部分，隨著科技水平的飛速發展和人類生活水平的巨大提升，對于潔凈的優質的水源的需求也不斷急劇釋放。為建設可靠、穩定、先進、經濟以及可擴展的合理的水處理自動化系統成為工程界和城市水行業營運管理部門共同關心的問題。微電子、通信、計算機技術的發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化系統的核心控制器，其與開放的網絡通信系統一起，共同推動著水處理自動化系統的智能化程度的發展。

水處理行業主要分為凈水處理和污水處理兩大部分。凈水廠控制系統通常分為水廠調度系統、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。各個控制站相對獨立工作，通過有線網絡進行通訊，將所有的數據信息送到水廠調度室進行處理，或將一部分數據通過調度系統以無線（或有線）通訊的方式送到城市的調度中心。對于污水處理來說，要根據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應用plc的要求也有所不同。一般講，整個污水處理廠都有總控室和多個現場控制站，站與站之間通過控制器層網絡或信息層網絡相連，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絡連接，這樣和現場控制站構成了集中管理，分散控制，高速數據交換的工廠級自動化網絡[1].plc自控系統是水處理廠的控制核心部分，對其合理的選型和設計，對污水廠能否高效、自動化的運行非常重要。然而，plc網絡又是其中的重中之重，網絡的好壞直接影響到污水廠的正常運行。

二、系統構成

污水處理廠自控系統一般包括污水廠部分和廠外泵站部分。監控系統通訊網絡和plc是污水處理自動化系統的核心組成部分，它們的性能對污水處理自動化系統會起到決定性的作用[2].根據污水處理自動化本身的特點和監控需求選擇合適的plc及通訊網絡是保證污水處理自動化系統性能的重要因素。

通信網絡：

在污水處理自動化系統的結構上，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的外場設備進行直接控制，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家不同設備之間的信息傳輸，工業以太網ethernet為目前較常用的一種信息網絡，世界各大plc生產廠商均支持工業以太網，并且他們在原有tcp/ip的基礎上，相繼開發出實時性更高的工業以太網，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化系統中以太網主要用于各個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，主要采用現場總線組成隧道區域控制器網絡，其特點是由于采用了標準總線組網，既能滿足實時通信的要求，又具有開放協議的標準接口，能在總線上方便的掛接各種外場設備，有利于監控系統的擴展。目前，現場總線有40多種，在污水處理廠自動化系統中應用的現場總線主要有controllerlink、lonworks、inetrtbus、profibus、can和modbus.他們的共同特點是高速、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，控制層的網絡結構多采用環網的方式組成，包括線纜型和光纖作為傳輸介質，具體組網將在后面作出實例說明。

第三層為設備層，這一層用于plc與現場設備、遠程i/o端子及現場儀表之間的通訊，它們有devicenet、modbus以及profibus/dp等，其中devicenet已經成為工業界的標準總線而得到了廣泛的應用，而profibus/dp雖然沒有成為標準，但是它的應該也相當廣泛。

值得指出的是，近來年以太網的廣泛應用使得人們把目光投向了現場總線上來，工業以太網是否最終將取代現場總線仍然是一個爭論的話題。然而，不論是ethernet/ip還是modbus-tcp/ip，以太網在一些重要的性能指標上仍然無法具有現場總線的特點和優勢。從本質上來講，以太網的載波幀聽沖突監測csma/cd的訪問方式，實時性并沒有現場總線采用的令牌總線和令牌環的訪問方式高，不論人們采用何種方式，如協議封裝、分時訪問控制等，都只能改善以太網的實時性，起不到本質的改變。在當前技術還未完全成熟之前，現場總線應用于控制層，是一個積極和穩妥的選擇。隨著以太網技術的不斷發展，今后其取代現場總線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）。分別用于水廠調度系統、加藥間（加氯間）、濾站、送水泵房等監控，完成污水廠內各種設備的狀態顯示、自動控制、半自動控制、打印報警、分析報表等工作。同時，監控分中心還將設置了多臺服務器，為其它計算機提供支援和與監控總中心進行通信。

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，他們的產品面向各自不同的領域，其中在污水處理自動化系統的應用方面，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，作為污水處理自動控制系統的核心控制器，其必須具備以下幾大功能特點：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，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，可按預定方案和程序采取相應的算法，對相關區域的控制對象，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（實現集中和獨立工作方式，尤其是在獨立控制時能與相鄰控制器實現數據交換）；通信功能、容錯功能、自動診斷功能和本地操作功能（即能帶觸摸屏）。

必須綜合考慮整個監控系統的性能要求和自然條件以及運營周期對設備的要求進行選擇，尤其在極端氣候和惡劣環境狀況條件下或較大規模的污水處理廠，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的雙系統是在一個底板上實現，而siemens等是兩個底板通過光纖連接，會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。

在一般的環境狀態的時候或較小規模的污水處理廠，多采用標準的機型作為現場控制器，如schneider的quantom140系列、rockwell的controllogix、omron的cs1系列、siemens的s7-400系列等；他們都支持工業以太網和多種現場總線，控制方式采用遠程帶cpu的智能分布式結構，系統開放性和兼容性強，豐富的i/o及高功能模塊，完全滿足污水處理自動控制系統對信號處理的要求。

三、應用案例

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控制系統的組成，控制系統拓撲圖如圖一所示：

信息層：咸陽路污水處理系統因其分布面積較大，廠區內共有5個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.該功能層實現污水處理廠各單元過程所有過程參數、設備運行狀態及電氣參數的數據采集，單元過程及設備的控制，并通過omron網絡模塊cs1w-etn21，和中央控制室通過赫斯曼太網交換機，組成100m光纖以太環網，向監控層傳送數據和接受監控層控制指令。在中控室中，作為工業以太網結點的系統數據服務器、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，其主要職能是進行系統中的信息交換與信息顯示及控制。該層通過上位監控軟件實現對主要工藝設備的控制和調度，對污水處理全過程中的工藝參數進行數據采集、監控、優化和調整，對主要工藝流程進行動態模擬和趨勢分析、實時數據處理和實時控制，在控制組態上實現各種常規與復雜的優化控制、專家控制、模糊控制等先進的智能控制。同時，功能強大與穩定的實時和歷史數據庫亦通過以太網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、便攜計算機及廠外泵站（咸陽路泵站、密云路泵站）等處進行遠程通訊，riambview具備遠程數據服務（最適合scada）功能，通過寬帶接收或發送相關數據，實現遠端對部分實時畫面、進程數據庫的訪問。

此外廠長辦公室計算機和數據庫服務器組成的局域網即構成了廠區管理層。通過關系數據庫和相關的管理軟件，為決策者提供了各項生產及運營的調度管理所必須的信息平臺。該層和過程監控層，與internet接軌但有著較高的網絡安全防護功能，僅授權的用戶等級可對進程數據庫進行訪問。

控制層：控制器網絡（controllerlink）是建立在一種令牌總線或者令牌環網絡通訊協議上的通訊機制，它通過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數據交換區。該網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包括進水泵房、沉砂池，同時通過控制器網絡總線串接到其下三個初沉池、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：鼓風機房、加氯間，同時通過controllerlink總線串接到其下五個二沉池、曝氣池、回流泵房分站（plc2-1、plc2-2、plc2-3、plc2-4、plc2-5）。所有控制器網絡子站所用cpu型號均為cs1h-cpu44h.

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

系統特點：

1、高可靠與高穩定性：環形冗余以太網方案的出現則保證了系統更高的可靠性，單一點的鏈路中斷不會造成網絡通訊的中斷；而控制器網絡作為omron專用的，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自動控制網絡，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，omron基于工業以太網的fins（factoryinterfacenetworkservice）通訊服務（fins通訊服務功能），即使在通訊負擔較大的環境下，仍可保持高穩定性的通訊效果。除網絡部分外，自控系統通過下列技術與工程措施，也確保了系統的長期穩定可靠運性：整個系統選用符合工業級標準的成熟定型產品；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；即使在上位機發生故障或通信中斷時，現地控制站亦可以在手動模式下獨立完成基本局部控制；

2、高擴展性：工業以太網具有向下兼容性。對于雙絞線或光纖介質，如果將傳輸速度從10mbps提升到100mbps，在大多數場合不需要改變現有的布線，只需更新網絡設備即可。同樣，如果將本系統主干網從100mbps以太網提升到千兆以太網，只需升級網絡傳輸設備，而無需重新鋪設光纜；

3、開放性：系統對用戶是開放的。設備的增減、控制方案的選取、系統的擴縮與維護等，用戶都可以在廣泛的設備環境下便利地自己完成。所有硬件接口，軟件協議全部按開放性的標準設計、編制。此外omron串行口的協議宏功能，使得開發方不需要編寫專門的通信程序與第三方設備進行通信，原則上omronplc能和任何帶rs-232c，rs-422或rs-485接口的設備進行通信。

4、操作的實用性：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行情況，故障報警點的分支細節，使操作員僅通過鼠標便可發布各種指令或換畫面；用戶還可通過上位機的網絡訪問網絡內任一節點的數據，梯形監控工具亦可以監控工業以太網甚至控制器網絡內各站plc梯形圖程序，而不需要現場操作，實現真正的無縫連接。

四、結束語

當時我國污水處理廠自動化系統的設計和實施正處于一個成長的時期，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，同時技術的發展也給污水處理自動化系統的改進創造了條件和基礎，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、經濟與可擴展，同時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、系統網絡的構成與拓撲結構形式以力求系統的可靠性、穩定性、先進性與經濟性的有機結合；從系統的設計來看，除考慮系統的規模和設計方法外，也要考慮新技術的應用，使整個系統既先進又實用；從系統的結構來看，當前我國普遍采用三級污水處理廠管理和分布式現場總線控制方式，事實上，主從式結構的現場總線如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總線控制，采用對等的自愈網絡是今后的一個發展趨勢；從系統的控制來看，當前我國污水處理廠監控存在著只監不控，或監強控弱的現象，各種控制信息沒有得到很好利用，對于污水處理廠控制，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監控系統的發展是，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、靈活機動的現場控制的總體思想，逐步改進，使得污水處理廠自動化系統的建設更趨合理。

參考文獻：

[1]喬叢等，關于國內污水處理及cass工藝自動控制技術的初步探討，儀器儀表標準化與計量，2007.3
[2]藍海濤，污水處理廠自動監控系統的設計，電腦與信息技術，2005.6
[3]王巖，天津咸陽路污水處理廠自控系統，變頻器世界，2005.4