活動(dòng)鏈接：2013年控制網(wǎng)技術(shù)專(zhuān)題---引領(lǐng)水工業(yè)智能化新時(shí)代 

   摘要：本文介紹了國內污水處理廠(chǎng)目前采用的幾種自控系統的形式和特點(diǎn)，并就應用較為廣泛的IPC+PLC型自控系統在污水處理廠(chǎng)應用中的網(wǎng)絡(luò )結構和功能做了簡(jiǎn)要介紹。

   關(guān)鍵詞：污水處理；自動(dòng)控制；IPC+PLC；功能

   1 引言

   我國污水處理自動(dòng)化控制起步較晚，進(jìn)入20世紀90年代以后，污水處理廠(chǎng)才開(kāi)始引進(jìn)自動(dòng)控制系統，但多是直接引進(jìn)國外成套自控設備，國產(chǎn)自動(dòng)控制系統在污水處理廠(chǎng)應用很少。早在70年代，我國的水行業(yè)就開(kāi)始應用自動(dòng)化技術(shù)，到90年代，自動(dòng)化、信息化在水行業(yè)受到了普遍重視。近20年來(lái)，我國水行業(yè)在自動(dòng)化技術(shù)和信息化技術(shù)應用方面得到了長(cháng)足的發(fā)展，創(chuàng )造了良好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

   2 污水處理廠(chǎng)自控系統的形式和特點(diǎn)

   目前國內污水處理廠(chǎng)采用的自動(dòng)控制系統數量不少，就其形式可劃分為SCADA系統、DCS系統、IPC＋PLC系統、總線(xiàn)式工業(yè)計算機構成的系統。

   2.1 SCADA系統

   SCADA(Supervisoiy Control And Date Acquisition)系統

   是由一個(gè)主控站 (MTU)和若干個(gè)遠程終端站 (RTU)組成，MTU與RTU之間用物理鏈路層或數據鏈路層聯(lián)系。該系統原先設計目的是用于通訊系統。由于目前RTU功能的延伸，聯(lián)網(wǎng)通信功能較強，可與無(wú)線(xiàn)、同軸電纜、光纜、雙絞線(xiàn)相聯(lián)，監測的點(diǎn)數大大增多，控制功能也大為增強，可實(shí)現連續及順序控制，故較多應用于控制系統。但該系統側重于監測和少量的控制，一般適用于被測點(diǎn)地域分布較廣的場(chǎng)合，如無(wú)線(xiàn)管網(wǎng)調度系統。

   該系統的特點(diǎn)是：

   組網(wǎng)范圍大，通訊方式靈活。該系統可以實(shí)現一個(gè)城市或地區較大地理分布的監測和控制。通訊方式可采用無(wú)線(xiàn)、有線(xiàn)或微波進(jìn)行聯(lián)系。系統分為主控機(MTU)和遠程終端機(RTU)兩部分，RTU的控制較固定，處理能力較小。MTU或RTU通過(guò)通訊接口進(jìn)行協(xié)議變換后可與其它網(wǎng)絡(luò )連接，可以組成較大、較復雜的通訊網(wǎng)絡(luò )。系統實(shí)時(shí)性較低，對大規模和復雜的控制實(shí)現較困難。

   2.2 DCS系統

   DCS (Distributed Control System)稱(chēng)為集散型控制系統。是由多臺計算機和現場(chǎng)端連接組成。通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將現場(chǎng)控制站、檢測站和操作管理站、控制管理站及工程師站聯(lián)接起來(lái)，共同完成分散控制和集中操作、管理的綜合控制系統。DCS 系統側重于連續性生產(chǎn)過(guò)程控制。

   該系統的特點(diǎn)是：

   采用分級分布式控制。系統按不同功能組成分級分布子系統，各子系統執行自己的控制程序，處理現場(chǎng)輸入輸出信息，減少了對系統的信息傳輸量，使系統應用程序較為簡(jiǎn)單。

   在物理上實(shí)現了真正的分散控制，使整個(gè)系統的危險性分散，系統的可靠性較高。

   有較好的擴展能力。借助網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，可完成縱向和橫向通訊以及向高層的管理機通訊，系統的擴展方便。

   系統的軟、硬件資源豐富，可適應各種特殊的要求。

   響應時(shí)間較快，實(shí)時(shí)性較好。

   應用軟件的編程工作量較大，對開(kāi)發(fā)和維護人員要求較高，開(kāi)發(fā)周期較長(cháng)。

   2.3 IPC＋PLC系統

   該系統是由工業(yè)計算機（IPC）和可編程序控制器（PLC）組成的分布控制系統?？蓪?shí)現DCS的功能，其性能已達到DCS的要求，而價(jià)格比DCS低很多，開(kāi)發(fā)方便，在國內污水處理自動(dòng)化中得到了廣泛的應用。

   該系統的特點(diǎn)是：

   可實(shí)現分級分布控制。

   可實(shí)現“集中管理、分散控制”的功能。將危險分散，大大提高了系統的可靠性。

   可靠性高、組網(wǎng)方便。硬件系統配置簡(jiǎn)潔，很容易在網(wǎng)絡(luò )中增減PLC 控制器，來(lái)實(shí)現擴展網(wǎng)絡(luò )的目的。

   編程方便、開(kāi)發(fā)周期短、維護方便。由于應用程序采用梯形圖或順序功能圖編程，編程和維護方便。

    系統內的配置和調整非常靈活。

   與工業(yè)現場(chǎng)信號直接相連，易于實(shí)現機電一體化。

   系統的分布范圍不大。

    2.4 總線(xiàn)式工業(yè)控制計算機構成的系統

    該系統是由總線(xiàn)結構的工業(yè)控制計算機及系列產(chǎn)品組成的系統。

    工控機一般與若干塊模板插在某一總線(xiàn)（如STD）上構成。

    該系統的特點(diǎn)是：

    具有較高的可靠性。

    軟硬件資源豐富。由于工控機與通用個(gè)人計算機兼容，可借助PC機豐富的軟硬資源。

    響應時(shí)間較快，實(shí)時(shí)性較強。由于采用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言編程，代碼效力較高，在實(shí)時(shí)操作系統下，有較快的響應時(shí)間。

    可與不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品互連，組成較復雜的系統。

    編程工作量大，對開(kāi)發(fā)和維護人員水平要求高，開(kāi)發(fā)周期長(cháng)。

    3 污水處理廠(chǎng)自控系統網(wǎng)絡(luò )結構

   3.1 自控網(wǎng)絡(luò )構成

    由于國內污水處理廠(chǎng)自控系統采用最多是IPC＋PLC型的系統，下面僅就該系統在污水處理廠(chǎng)中的網(wǎng)絡(luò )結構和相應的配置情況加以說(shuō)明。國內大多數污水處理廠(chǎng)自控系統現場(chǎng)控制站的配置根據檢測和控制功能的要求，從工藝、凈水構筑物的地域分布及測控點(diǎn)的位置、數量考慮，兼顧使用和維護的方便。
      
                     

                               圖1 污水處理廠(chǎng)自控系統網(wǎng)絡(luò )結構圖  

    四川某污水處理廠(chǎng)自控系統網(wǎng)絡(luò )結構如圖1所示。自控系統包括工業(yè)光纖環(huán)型計算機網(wǎng)絡(luò )、中央監控系統、現場(chǎng)控制站和設備控制單元等幾部分。

    現場(chǎng)控制站包括：預處理控制站；泥處理控制站；生化處理控制站；濾池控制站（其中包括反沖洗公共站、12格濾格采用了12個(gè)分布式遠程站)；廠(chǎng)外泵站控制站。

    設備控制單元包括：設備廠(chǎng)家配套鼓風(fēng)機控制單元；變配電系統數顯表通過(guò)RS-485網(wǎng)絡(luò )與自動(dòng)化系統連接。

    3.2 網(wǎng)絡(luò )結構說(shuō)明

    控制系統主干網(wǎng)絡(luò )采用主流100Mbps的環(huán)型光纖工業(yè)以太網(wǎng)，每個(gè)控制子站配置具有環(huán)網(wǎng)管理功能的2光口6電口的100Mbps工業(yè)光纖交換機。廠(chǎng)外提升泵站PLC通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)方式，通過(guò)以太網(wǎng)直接與中控室無(wú)縫聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現對廠(chǎng)外提升泵站的監控。

    鼓風(fēng)機廠(chǎng)家配套提供的控制單元通過(guò)以太網(wǎng)直接插入生化處理站的工業(yè)光纖交換機，實(shí)現中控室對鼓風(fēng)機系統的監控。污水處理廠(chǎng)可能還有其他廠(chǎng)家配套提供的控制單元，為了統一網(wǎng)絡(luò )，便于實(shí)現數據交換，要求控制單元統一具有以太網(wǎng)通訊功能。

     對于PLC遠離現場(chǎng)設備，傳輸的無(wú)源開(kāi)關(guān)量信號較多時(shí)，為了節省電纜和安裝以及維護費用，可采用“TRNET”實(shí)現。 一對“TRNET”可傳輸16個(gè)無(wú)源開(kāi)關(guān)量信號，如圖2所示。而“TRNET”費用較遠程I/O費用低得多。
    
                     

                      圖2 采用“TRNET” 傳輸的無(wú)源開(kāi)關(guān)量信號 

    對于濾池的控制有三種選擇。

   ①用一臺PLC控制反沖洗和每格濾池的過(guò)濾，這種配置費用最低，但每格濾池不能現場(chǎng)操作，且PLC出現故障時(shí)，整個(gè)濾池不能自動(dòng)工作，如圖3所示。如要現場(chǎng)對每格濾池進(jìn)行操作，可在每格濾池配置一個(gè)操作臺，這樣可給現場(chǎng)操作帶來(lái)方便，如圖4所示。
       
                     

                                圖3 用一臺PLC控制反沖洗和每格濾池的過(guò)濾  

    ②用一臺PLC控制公共反沖洗，而每格濾池用一臺較小的PLC控制過(guò)濾，用一操作屏對每格池進(jìn)行操作。這種配置不但現場(chǎng)操作方便，而且當某臺PLC出現故障時(shí)不影響其它過(guò)濾工作，但這種配置價(jià)格最貴，如圖5所示。
                
                    

                          圖4 每格濾池配置一個(gè)操作臺示意圖  

   ③用一臺PLC控制反沖洗和每格濾池的過(guò)濾，另每一格濾池配置一操作屏對其操作，這種配置現場(chǎng)操作方便，價(jià)格位于以上兩者之間，但當PLC出現故障時(shí)，整個(gè)濾池不能工作，如圖6所示。
    
                     

                              圖5 用一臺PLC控制公共反沖洗  

     配電間變配電系統數顯表通過(guò)RS-485網(wǎng)絡(luò )與生化處理控制站PLC連接，實(shí)現對電量采集。由于污水處理廠(chǎng)的耗電量較大，占生產(chǎn)成本的比例高，并且電網(wǎng)的波動(dòng)對設備的運行危害也相當大，因此對高壓供電系統進(jìn)行監視和計量顯得特別重要。
 
                    

             圖6 用一臺PLC控制反沖洗和每格濾池的過(guò)濾，另每一格濾池配置一操作屏對其操作
   
    為防止自控系統故障影響正常的生產(chǎn)，系統網(wǎng)絡(luò )通信線(xiàn)應考慮冗余備份。

    系統應實(shí)現現場(chǎng)手動(dòng)控制、車(chē)間PLC控制、中控室聯(lián)網(wǎng)控制的三級控制，確保系統安全、可靠的運行。

    4 污水處理廠(chǎng)自控系統的功能概述

    4.1 中央控制系統的功能

    中央控制系統可監視現場(chǎng)控制站的全部運行信息，控制現場(chǎng)設備的啟動(dòng)和停止，對各站采集來(lái)的數據進(jìn)行匯總、分析。為污水廠(chǎng)的全面控制提供必要的數據基礎。中央控制系統采用世界主流的Intouch組態(tài)軟件實(shí)現，Intouch是一種基于WindowsNT 32的HMI／SCADA軟件，是生產(chǎn)和過(guò)程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)性系統。畫(huà)面上有相關(guān)實(shí)時(shí)生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)參數顯示，當動(dòng)態(tài)值改變時(shí)，設備圖形的相應部位也隨之改變。而過(guò)程檢測或運動(dòng)設備出現故障時(shí)，流程圖上的相應圖案紅光閃動(dòng)并報警。所有的報警記錄可用于顯示或歸檔結果，操作者可以得到故障消息塊、消息級別、消息類(lèi)型以及報表等的詳盡內容，并對報警進(jìn)行確認。中央控制系統除了有各種常規曲線(xiàn)來(lái)反映水質(zhì)、水量和能耗等的過(guò)程，還可在動(dòng)作畫(huà)面中隨時(shí)增加趨勢曲線(xiàn)和歷史曲線(xiàn)方便操作者觀(guān)察比較。中控室電腦還專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了萬(wàn)能報表系統，該報表系統通過(guò)OPC與控制系統實(shí)時(shí)交換數據，并根據要求保存歷史數據，通過(guò)分析、統計形成生產(chǎn)管理所需要的生產(chǎn)報表。

    為了使上位計算機系統集成到MES和ERP中，采用Web瀏覽和OPC的方法，將中央控制系統的中央數據服務(wù)器擴展成Web服務(wù)器和OPC服務(wù)器，不僅便于融合，而且還減少了重疊的服務(wù)器設置。用Web發(fā)布監控系統界面，要瀏覽生產(chǎn)狀況的計算機作為Web客戶(hù)端，組成一個(gè)Client／Server模式的局域網(wǎng)，并在控制系統中創(chuàng )建授權管理者，使得在授權范圍內的有限管理者可以在局域網(wǎng)內直接通過(guò)IE遠程瀏覽SCADA畫(huà)面。這樣，管理者就可以在辦公室瀏覽現場(chǎng)的處理運行狀況，使控制系統信息在企業(yè)內任何網(wǎng)絡(luò )級別訪(fǎng)問(wèn)。另外，上層信息系統的MES和ERP作為一個(gè)OPC的客戶(hù)端，訪(fǎng)問(wèn)集成在中央控制系統的OPC數據訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器，采集控制系統中的實(shí)時(shí)數據。局域網(wǎng)再接入Intenet就可以實(shí)現局域網(wǎng)、本地網(wǎng)、遠程網(wǎng)跨區域的遠程現場(chǎng)設備監控功能，管理者可隨時(shí)、隨地以各種上網(wǎng)方式通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)獲取污水廠(chǎng)內的信息。這就超越了自動(dòng)控制的過(guò)程，將范圍擴展到工廠(chǎng)監控級，實(shí)現管理網(wǎng)絡(luò )與控制網(wǎng)絡(luò )的一體化。

    4.2 現場(chǎng)控制站的功能

    現場(chǎng)控制站在主要完成對所管轄范圍內的工藝參數檢測，設備運行的信號采集、檢測和控制，并可通過(guò)該站的人機界面對設備進(jìn)行操作，同時(shí)向上位計算機系統進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，而且各現場(chǎng)控制站可通過(guò)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)進(jìn)行互相之間的通訊，采集其他單元控制站信號，實(shí)現不同控制站之間的數據交換。上位計算機系統設定的控制參數通過(guò)光纖以太網(wǎng)傳送給現場(chǎng)控制站，現場(chǎng)控制站操控設備控制站，從而調整對設備的控制?，F場(chǎng)控制站也對自身模板進(jìn)行監控，其診斷系統連續監測系統和過(guò)程的功能性，記錄__錯誤和特定系統事件。如果出現診斷報文，那么模板將會(huì )觸發(fā)一個(gè)診斷中斷，此后單元控制站中斷用戶(hù)程序的執行，執行相應的診斷中斷模塊。

    4.3 廠(chǎng)外提升泵站

    廠(chǎng)外提升泵站是污水廠(chǎng)進(jìn)廠(chǎng)水的水源，為了做到污水廠(chǎng)運行的調度，實(shí)現對廠(chǎng)外泵站運行狀況和水量水質(zhì)情況的控制。由于廠(chǎng)外泵站距離廠(chǎng)區都超過(guò)5公里，故采用無(wú)線(xiàn)GPRS方式實(shí)現與中控室的數據通訊。

    5 結論

    （1）采用IPC+PLC系統來(lái)實(shí)現污水處理自動(dòng)化，是較為先進(jìn)和實(shí)用的，而且國內有許多成功的例子可供參考。

     （2）具體選用何種網(wǎng)絡(luò )結構形式，應根據工藝流程、各構筑物分布，資金投入大小等因素綜合考慮。

     （3）軟件編制一定要滿(mǎn)足運行安全，操作方便的要求。對于上位機監控軟件，由于人機界面是面向普通操作人員，首先應滿(mǎn)足功能齊全，操作方便，各功能鍵盡可能用中文說(shuō)明其用途。其次要從安全角度考慮，限制輸入參數的范圍。再次，各分控站的主控畫(huà)面要盡可能包括多的有用信息，以減少操作人員切換畫(huà)面的次數。

    參考文獻：

    [1]高大文,彭永臻,等.污水處理智能控制的研究、應用與發(fā)展[J].中國給水排水,2002,18(6):35－39.

    [2]崔福義,彭永臻.給水排水工程儀表與控制[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999.

    [3]崔福義 彭永臻.給水排水工程計算機應用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社出版,2009.

    朱報開(kāi)（1972-）

     男，廣東梅州人，高級工程師，畢業(yè)于大連理工大學(xué)，現就職于東莞市科創(chuàng )智能科技有限公司，主要從事水處理自動(dòng)化項目建設方面的研究。  

    摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第二期