摘要：本文介紹了貝加萊緊湊智能型Power Panel和分布式X20 I/O在污水處理廠(chǎng)自動(dòng)化系統中的應用?；贓thernet POWERLINK現場(chǎng)總線(xiàn)（一種工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)）和工控組態(tài)軟件Power Vision的分布式控制系統，實(shí)現了對污水處理廠(chǎng)的自動(dòng)控制和監控。整個(gè)系統采用上位機集中管理和現場(chǎng)控制站分散控制的方式，其上位機與現場(chǎng)站之間組網(wǎng)簡(jiǎn)單、運行速度快、通信穩定性強，操作可視化程度高，這些特點(diǎn)有利于提高污水處理設備的運行效率和管理水平。運行實(shí)踐表明該系統具有較高的推廣應用價(jià)值。

    關(guān)鍵詞：緊湊智能型Power Panel；X20 I/O；Ethernet POWERLINK；PowerVision；污水處理

    1 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資源。隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)現代化的加快，人口的高度集中，城市用水量和污水的排放量不斷增加，加劇了用水緊張和水質(zhì)污染。

    建設可靠、穩定、先進(jìn)、經(jīng)濟和可擴展的水處理自動(dòng)化系統已經(jīng)成為自動(dòng)化和城市水行業(yè)營(yíng)運管理部門(mén)共同關(guān)心的問(wèn)題。微電子、通信、自動(dòng)化和計算機技術(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，也同時(shí)促進(jìn)了水處理自動(dòng)化系統向智能化方向發(fā)展。

    在污水處理控制系統中，存在著(zhù)分布區域廣、設備分散、控制點(diǎn)多、控制信息量較大、輸入/輸出點(diǎn)以開(kāi)關(guān)量居多而模擬量相對較少等特點(diǎn)，比較適合采用PLC（或PCC）來(lái)進(jìn)行控制。因此，以PLC為控制核心就成為污水處理廠(chǎng)自動(dòng)控制系統架構的主要模式。

    2 污水處理的工藝流程

   目前污水處理的工藝主要包括SBR、A/O 、氧化法、CASS、HCR高效生物、膜生物法等方式。污水處理廠(chǎng)工藝的選擇要根據占地面積、運行成本、總投資和自動(dòng)化程度等因素和實(shí)際情況來(lái)選用適合的污水處理工藝。無(wú)論什么工藝，一般污水處理都包括一級處理和二級處理兩部分，不同工藝的關(guān)鍵在于生化反應階段工藝的不同。一級處理部包括粗格柵、進(jìn)水泵房、細格柵、旋流沉沙池；二級處理部分包括生化池、儲泥池、脫水機房、消毒池。

    污水處理的工藝流程如圖1所示。
  
                   
                                        圖1 污水處理的工藝流程

    3 基于貝加萊控制方案的污水處理廠(chǎng)自動(dòng)化系統

    3.1 系統構成

   根據城市污水處理廠(chǎng)工藝流程、廠(chǎng)區布置、生產(chǎn)和管理體制等方面的具體要求，污水處理廠(chǎng)自動(dòng)化系統主要由現場(chǎng)控制層、集中監控層、廠(chǎng)部生產(chǎn)管理層和公司級生產(chǎn)調度層組成 。

    現場(chǎng)控制層是污水處理自動(dòng)化系統的基礎，構成它的裝置主要有PLC(或PCC)、過(guò)程檢測儀表和機電控制設備等。根據廠(chǎng)區平面布置及工藝流程的特點(diǎn)，該層一般由以下工段的PLC工作站組成：污水預處理系統/進(jìn)水泵房；生化處理系統/配電中心；鼓風(fēng)機房（如有鼓風(fēng)機曝氣）；污水消毒系統/出水泵房；污泥處理系統/脫水車(chē)間。hhhh3.2 貝加萊控制方案

    3.2.1 系統構架

   根據污水處理廠(chǎng)的特點(diǎn)和控制要求，提出了基于貝加萊工控產(chǎn)品的自動(dòng)化系統方案，其系統架構如圖2所示。

    3.2.2 特點(diǎn)

    在每個(gè)現場(chǎng)控制站上，操作員可從現場(chǎng)的觸摸屏（PP420）上看到整個(gè)工藝段的數據，方便讀取、監控及操作，便于現場(chǎng)設備維護。
  
                          
                                圖2 基于貝加萊工控產(chǎn)品的污水處理自動(dòng)化系統架構

    緊湊智能型Power Panel系列，集成了控制器，顯示和靈活的接口，與第三方控制系統兼容，產(chǎn)品緊湊的設計和性?xún)r(jià)比使之廣泛地應用在工控行業(yè)。X20 I/O，不僅僅是一個(gè)遠程I/O系統，而是一個(gè)完整的控制方案。根據客戶(hù)的要求以及單個(gè)項目的要求，X20系列產(chǎn)品能連接所有的必要組件。

   3.2.3 優(yōu)勢

    （ 1 ） 其集成軟件平臺Au t oma t i o n St u d i o ， 支持6 種IEC-61131（LD、IL、ST、SFC、CFC、 FBD） 編程語(yǔ)言和2種高級語(yǔ)言（ANSI C、B&R Automation Basic）。

   （2）高速實(shí)時(shí)的Ethernet POWERLINK總線(xiàn)系統

   POWERLINK遠程I/O擴展方式，介質(zhì)為以太網(wǎng)交叉線(xiàn)。

   通訊速率為100Mb，通訊距離為100米。

   可采用總線(xiàn)型、樹(shù)型、環(huán)型，星型。避免了其它現場(chǎng)總線(xiàn)因單一結構（總線(xiàn)型）帶來(lái)的不便。如每遠程I/O站可獨立工作，斷開(kāi)任何一個(gè)I/O站也不會(huì )造成關(guān)鍵影響。
 
   圖3示出了有關(guān)各類(lèi)總線(xiàn)的技術(shù)性能比較。
 
                      
                                    圖3 各類(lèi)現場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)性能比較

   （3）站間數據通訊（如圖4所示）各控制站可獨立運行。各獨立站之間可有數據交換。貝加萊有專(zhuān)門(mén)用于CPU之間通訊的協(xié)議IMA，通訊介質(zhì)可為以太網(wǎng)、 CAN、串線(xiàn)等，組態(tài)方便。支持路由。
  
                                       
                                          圖4 站間數據通訊

   （4）方便快捷的診斷工具通過(guò)IE就可診斷CPU、IO狀態(tài)，無(wú)須編程軟件。VNC Client客戶(hù)端可顯示現場(chǎng)屏畫(huà)面和完成操作，如圖5所示。

   （5）方便快捷的維護工具（如圖6所示）一鍵自動(dòng)安裝程序；使用生成的 CD-ROM 啟動(dòng)盤(pán)(帶有autoplay)；使用生成的CF卡。

   （6）一鍵自動(dòng)升級程序應用程序或操作系統升級可通過(guò) CD-ROM、CF卡或在線(xiàn)接口實(shí)現。
  
                      
                                        圖5 VNC Client可顯示現場(chǎng)畫(huà)面并完成操作
  

                                
                                    圖6 應用程序或操作系統升級

   3.2.4 上位監控系統

   （1）上位監控軟件

    Power Vision組態(tài)軟件可方便快速地從控制站上上載變量，加快組態(tài)的進(jìn)程，并支持數組、結構體變量的上載。Power Vision是一款完全基于windows平臺的流程監控軟件，使用起來(lái)方便簡(jiǎn)捷，運行起來(lái)穩定可靠。

    污水處理自動(dòng)化系統的上位監控部分主要配置了粗/細格柵、進(jìn)水泵房、生化池、污泥回流泵房和消毒池等流程畫(huà)面。操作員通過(guò)流程畫(huà)面在中控室就可以掌握整個(gè)工廠(chǎng)的運行情況，完成設備的啟停操作。

    （2）PowerVision的用戶(hù)安全管理系統

    PowerVision軟件為用戶(hù)提供了一個(gè)強有力的安全管理系統。在“PowerVision”的開(kāi)發(fā)系統里可以對所創(chuàng )建的工程進(jìn)行加密，必須輸入正確的密碼才能進(jìn)入該工程的開(kāi)發(fā)系統。對畫(huà)面上的圖形對象也可設置訪(fǎng)問(wèn)權限，同時(shí)給各類(lèi)操作者分配不同的訪(fǎng)問(wèn)優(yōu)先級權限和安全區，當操作者擬進(jìn)行操作時(shí)，如其優(yōu)先級低于對象所要求的訪(fǎng)問(wèn)優(yōu)先級或不在對象的訪(fǎng)問(wèn)安全區內時(shí)，則不可訪(fǎng)問(wèn)該對象。即欲訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)有權限設置的對象，要求操作者必須具有相應的訪(fǎng)問(wèn)優(yōu)先級，且操作者的操作安全區須在對象的安全區內方能訪(fǎng)問(wèn)。PowerVision以此方式來(lái)保障系統的安全運行。

    （3）PviUser界面可完成各類(lèi)變量的創(chuàng )建和上載設備配置PviUser界面可以完成CPU變量的上載，上載包括全局變量和各個(gè)任務(wù)下面的局部變量，在上載的同時(shí)可以設置監控軟件從CPU中實(shí)時(shí)采集數據的頻率，還可以手動(dòng)創(chuàng )建全局變量、任務(wù)及任務(wù)里的局部變量，這樣以便在沒(méi)有CPU站的時(shí)候，也可以按照原設計IO變量完成上位監控畫(huà)面的組態(tài)。
  
                      
                                圖7 PviUser界面

    3.2.5 網(wǎng)絡(luò )通訊

    利用各PP420自帶以太網(wǎng)接口實(shí)現現場(chǎng)控制站之間的通訊，以及與監控中心數據通訊。光纖連接現場(chǎng)站和監控中心。分布式I/O擴展采用100M速率的Ethernet PowerLink總線(xiàn)。RS485接口模塊與現場(chǎng)站儀器儀表通訊。

    Ethernet POWERLINK（EPL）標準是一種可滿(mǎn)足最苛刻要求（4級）、并已投入實(shí)際應用的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)。EPL的主要技術(shù)指標有：用標準以太網(wǎng)IEEE802.3u(Fast Ether-net)作為傳輸媒介；傳輸速率100Mb/s；使用標準Hub和標準接線(xiàn)；實(shí)時(shí)數據傳輸周期最小達200μs；抖動(dòng)小于1μs；可同時(shí)傳輸實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數據以及 IP協(xié)議；使用以太網(wǎng)標準硬件設備，并且支持冗余技術(shù)。它不僅具有工業(yè)以太網(wǎng)標準的可靠性及環(huán)境適應性，還很好地解決了標準以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。

    貝加萊控制系統支持分時(shí)多任務(wù)操作系統，每個(gè)觸摸屏現場(chǎng)控制站均采用一個(gè)開(kāi)發(fā)軟件AS來(lái)開(kāi)發(fā)，是面向對象的編程方式。AS軟件提供完善的PID算法，對完成生產(chǎn)過(guò)程壓力、溫度、流量等工藝參數進(jìn)行PID回路調節。高性能的控制器和支持帶電插拔X20 I/O 系統，單個(gè)模塊或部件的損壞不會(huì )影響其它設備的正常運行，提高了污水控制系統的可靠性，有利于系統的維護。I/O就地接入，再通過(guò)總線(xiàn)接入PP420，通訊介質(zhì)為屏蔽雙絞線(xiàn)，減少布線(xiàn)成本，提高電氣系統可靠性，實(shí)現就近接線(xiàn)，遠程監控。PP420接口豐富，可以提供RS232、RS485、Profibus-DP等與第三方設備的通訊接口，方便用戶(hù)擴展和使用。

    4 結束語(yǔ)

   貝加萊污水處理自動(dòng)化系統是基于PCC、計算機、數據通訊網(wǎng)絡(luò )及軟件系統的污水處理廠(chǎng)實(shí)時(shí)控制和管理系統，使污水處理廠(chǎng)的自動(dòng)化控制水平得到全面提升，可以安全、可靠地實(shí)現各種復雜污水處理工藝流程，減少人為因素帶來(lái)的事故隱患，保證污水處理質(zhì)量，同時(shí)能提高工作效率和經(jīng)濟效益，使傳統污水處理廠(chǎng)的生產(chǎn)運行及管理產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。

   貝加萊（B&R）的自控系統滿(mǎn)足了污水處理廠(chǎng)運行管理和安全處理的要求，即生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制和報警、自動(dòng)保護、自動(dòng)操作、自動(dòng)調節、提高了運行效率，降低了運行成本，減輕了勞動(dòng)強度，對污水處理廠(chǎng)內各系統工藝流程中的重要參數、設備工況等進(jìn)行集中實(shí)時(shí)監測，對重要設備進(jìn)行集散控制。目前使用該系統的污水處理廠(chǎng)從正式投運至今，控制設備運行正常，污水處理廠(chǎng)的出廠(chǎng)水質(zhì)達到了設計排放標準。

   參考文獻：

   [1] 趙奎霞. 水處理工程（第二版）[M].中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2008.

   [2] B&R. PCC初級培訓教程.

   左蘇平（1980-）女，現為貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司工程師，從事工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)工作8年。   

    摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第四期