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：本文針對城鎮污水處理的特點(diǎn)和控制要求，設計了一個(gè)基于貝加萊PCC和以太網(wǎng)的污水處理監控系統，論述了系統的組成和工作原理。各控制站對數據進(jìn)行處理，并且使用工控機對系統進(jìn)行監控。實(shí)際運行結果證明，該方案控制結果良好，達到了污水處理標準，為城市污水處理監控高效化提供了良好的基礎。

    關(guān)詞鍵：可編程計算機控制器；以太網(wǎng)；污水處理；監控系統

    引言

    隨著(zhù)計算機和通信技術(shù)的發(fā)展和自動(dòng)化水平的不斷提高，越來(lái)越多的工廠(chǎng)采用分布式控制，集中信息管理的控制模式。對污水處理廠(chǎng)運用集散控制系統模型可以最大限度提高污水處理廠(chǎng)運行可靠性，提高出水水質(zhì)，降低能耗和工人勞動(dòng)強度，達到提高經(jīng)濟效益的目的?？删幊逃嬎銠C控制器（Programmable Computer Controller，簡(jiǎn)稱(chēng)PCC）以其高可靠性、編程方便、耐惡劣環(huán)境、功能強大等特性已成為工業(yè)控制領(lǐng)域中增長(cháng)速度最迅猛的工業(yè)控制設備，它能很好地解決工業(yè)控制領(lǐng)域普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟等問(wèn)題[5]。本文以蘭州某縣的污水處理為例，介紹了基于貝加萊PCC和以太網(wǎng)的污水處理自動(dòng)控制系統的實(shí)現。PCC通過(guò)以太網(wǎng)與現場(chǎng)被控制設備建立通信，從而實(shí)現數據采集和對現場(chǎng)設備的自動(dòng)控制。

    1 污水處理流程

    該污水處理廠(chǎng)日處理污水量為5.0萬(wàn)m3/d，出水標準要求實(shí)現國家《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》一級B標準，對污水進(jìn)行三個(gè)階段的處理。一級處理，主要去除污水中呈懸浮狀態(tài)的固體污染物質(zhì)，經(jīng)過(guò)一級處理的污水，BOD一般可去除30%左右，達不到排放標準。一級處理屬于二級處理的預處理。二級處理，主要去除污水中呈膠體和溶解狀態(tài)的有機污染物質(zhì)（BOD，COD物質(zhì)），去除率可達90%以上，使有機污染物達到排放標準[1]。三級處理，進(jìn)一步處理難降解的有機物、氮和磷等能夠導致水體富營(yíng)養化的可溶性無(wú)機物等。處理工藝采用CASS池工藝生化處理，尾水達標后排入黃河。污泥處理采用機械濃縮脫水處置工藝泥餅外運衛生填埋，污水處理流程如圖1所示。

                    
                                    圖1 污水處理流程圖

   2 系統控制方案

   2.1 系統工藝分析

   在沉淀池單元，利用超聲波液位變送器、提升泵和PCC構成了一個(gè)控制回路。液位變送器將液位變化轉化成信號傳送給PCC，然后PCC根據信號做出相應的反饋給變頻器，通過(guò)PID控制電磁閥來(lái)調整泵電機的頻率和啟停臺數，以此控制沉淀池單元的水量。

   CASS池單元是整個(gè)處理工藝的核心單元。本系統在傳統CASS池的前端增加了一個(gè)生物選擇區（缺氧運行），采用雙池進(jìn)水，循環(huán)周期采用6小時(shí)，CASS池每日按4個(gè)周期運行，時(shí)段分配為：進(jìn)水/曝氣/回流4.0小時(shí)；靜止沉淀1.0小時(shí)；潷水閑置(排泥) 1.0小時(shí)。

   PCC通過(guò)CASS池中的PH值、氧化還原電位、溶解氧、混合液懸浮固體濃度以及電導率值等參數的變化，做出相應的反饋信號傳送給泵、變頻器和電動(dòng)閥，變頻器通過(guò)PID方式控制鼓風(fēng)機組，保持管內壓力恒定。通過(guò)泵、鼓風(fēng)機的啟停和調整電動(dòng)閥的開(kāi)度來(lái)實(shí)現CASS池污水處理工藝的自動(dòng)控制，使其達到最佳處理狀態(tài)。

    2.2 污水處理控制方案

   根據污水廠(chǎng)的分布情況，共設有三個(gè)PCC現場(chǎng)控制站，分別設置在三個(gè)位置。

   （1）粗格柵及污水提升泵房控制室，實(shí)現對所有現場(chǎng)在線(xiàn)儀表的數據采集，負責粗格柵及污水提升泵房、細格柵及沉砂池、配水井、進(jìn)廠(chǎng)水水質(zhì)的設備控制及數據采集。

    （2）變配電室控制室，負責鼓風(fēng)機房、CASS反應池、接觸池、加氯間、出廠(chǎng)水水質(zhì)的設備控制及數據采集。；

    （3）污泥脫水機房控制室，負責貯泥池、污泥脫水機房、沖洗水池的設備控制及數據采集。

    其中變配電室現場(chǎng)控制站還包括四個(gè)遠程站，分別設置在CASS反應池潷水器附近。在工藝流程各個(gè)環(huán)節中設置了完整的全過(guò)程檢測儀表，如流量、液位、壓力、PH、溶氧儀等檢測儀表，確保對工藝全過(guò)程運行狀態(tài)、水量、水質(zhì)的監控，滿(mǎn)足各環(huán)節的自動(dòng)控制需要^[2]。

   自動(dòng)控制系統采用開(kāi)放的分布式控制系統，整個(gè)污水廠(chǎng)自控系統由中央控制室操作員站、現場(chǎng)PCC控制站和現場(chǎng)儀表組成。中央控制室操作員站和現場(chǎng)PCC控制站之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)接，數據和參數可以在PCC與中央控制室管理站之間相互傳送^[3]；PCC控制站和現場(chǎng)儀表之間通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)和4～20mA進(jìn)行數據傳輸；電機控制中心MCC控制站通過(guò)PCC控制站的輸入輸出模塊和PCC進(jìn)行數據傳輸，系統控制結構圖如圖2所示。

                 
                                 圖2 系統網(wǎng)絡(luò )圖

    在PCC現場(chǎng)控制站上，配置了帶TCP/IP接口的通訊模塊，以便和中央控制站通訊。另外還提供可編程的串口，以便與第三方智能串口設備進(jìn)行通訊。PCC現場(chǎng)控制站將監視和控制污水處理的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，并通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò )與監控計算機及其它現場(chǎng)控制設備進(jìn)行通訊。中控室能夠觀(guān)察到一些重要的運行狀態(tài)和工藝參數，對現場(chǎng)設備進(jìn)行操作及控制參數的設置和修改?？紤]到方便、安全調試和運行以及緊急情況，整個(gè)系統主要機械設備的控制采用就地手動(dòng)控制、自動(dòng)控制、中央控制站遙控的三層控制模式；其它設備采用現場(chǎng)控制、中央控制的兩層控制模式。

   2.3 硬件設計

    上位機硬件系統配置監控計算機為兩臺研華工控機P4，其性能穩定，可靠，性?xún)r(jià)比高。因為該廠(chǎng)以前使用西門(mén)子產(chǎn)品，擁有SIMATIC WINCC 6.0軟件，因此為了減少不必要的成本，采取OPC技術(shù)來(lái)負責PCC和WINCC軟件的數據通訊，主要實(shí)現對污水處理各工藝參數的檢測與控制。

   下位機系統采用三臺貝加萊X20高性能X20CP1485控制器，自帶以太網(wǎng)，和RS232或CAN通訊接口，其處理頻率達到Celeron 400MHz，達到400US任務(wù)執行時(shí)間。通過(guò)編制控制程序，對現場(chǎng)控制站I/O模塊進(jìn)行數據采集和分析、運算并相應輸出結果。自帶以太網(wǎng)接口實(shí)現與監控中心數據通訊，采用容易擴展X20 I/O單元，采集遠程設備數據信號。結構緊湊，功能齊全，性?xún)r(jià)比高，安裝方便^[4]。

   根據上述控制內容和工藝要求，控制系統要完成對系統參數的檢測、控制、報警和自動(dòng)生成報表等功能。因為本監控系統采集和控制點(diǎn)數非常多，為了實(shí)現系統正常、穩定、安全、高效的運行，系統以工業(yè)以太網(wǎng)鏈接為主干網(wǎng)；局部采用RS 485主從式鏈路的局域網(wǎng)形式。上位機通過(guò)100M Ethernet，采用TCP/IP協(xié)議與上位機進(jìn)行信息傳輸。 通過(guò)上位機與主控單元實(shí)現對工業(yè)現場(chǎng)的實(shí)時(shí)監視和控制，實(shí)踐表明，系統由很好的運行結果。

    2.4 軟件設計

   貝加萊的PCC控制器采用分時(shí)多任務(wù)操作系統，可將控制要求分成多個(gè)任務(wù)并且在一個(gè)掃描周期內同時(shí)執行。系統軟件使用Automaton Studio，它支持標準的C、Basic、梯形圖、指令表、順序結構圖等6種標準的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，提供了強大的數據運算和處理能力。同時(shí)編程環(huán)境中包含豐富的函數庫及功能塊,大大減輕了開(kāi)發(fā)人員的工作量。本系統使用高級語(yǔ)言C進(jìn)行編程，其運算時(shí)間快，而且容易實(shí)現模塊化編程。加上PCC的分時(shí)多任務(wù)系統，可以使控制更加快速和精確，以達到更好的控制目標。

   Automation Studio對所有自動(dòng)化系統完成集成和配置任務(wù)并且能準確地識別硬件組件，提供直觀(guān)精確的診斷功能，遠程診斷功能、開(kāi)放式接口。它的硬件和軟件都是模塊化的，可以根據控制需要組合成污水處理的專(zhuān)用控制系統，并具有靈活自由的聯(lián)網(wǎng)和擴展能力。所有的模塊（包括液位控制模塊、溫度控制模塊等智能模塊）通過(guò)一個(gè)系統總線(xiàn)進(jìn)行連接通訊，中間沒(méi)有接口，并且還具有分時(shí)多任務(wù)操作系統，可以設定程序循環(huán)周期。例如該系統就針對不同的控制要求采用了三種不同的循環(huán)時(shí)間，這樣系統控制就可以分時(shí)實(shí)現各自的控制目標，使CPU的利用率達到最高。

   Automation Studio是確保透明性的研發(fā)過(guò)程和機器高效運行的安全性保障。系統的程序流程如圖3所示。
  
                  
                                       圖3 系統程序流程圖

   3 控制系統上位機設計 

    為了減少成本，上位機軟件采用使用已有的西門(mén)子公司的WinCC V6.0版本。WinCC專(zhuān)門(mén)為過(guò)程控制和現場(chǎng)監控開(kāi)發(fā)的監控系統軟件。在組態(tài)時(shí)充分利用其強大的上下位全集成功能，節約了開(kāi)發(fā)時(shí)間并增強了系統的透明訪(fǎng)問(wèn)度。

   WinCC V6.0可以通過(guò)OPC技術(shù)與貝加萊PCC進(jìn)行通訊。首先要設置好貝加萊OPC服務(wù)器相應的配置，接著(zhù)在WinCC的變量管理器中添加OPC驅動(dòng)程序，選擇好變量類(lèi)型，然后就可以將已經(jīng)存在的OPC變量添加到WinCC中[6]。這樣WinCC同時(shí)可以直接集成三個(gè)PCC站上的所有I/O點(diǎn)和程序中的變量，省去了程序上大量的數據交換，減輕了調度PCC的負荷。

   操作員站的兩臺工控機作為冗余服務(wù)器，支持TCP／IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。在組態(tài)服務(wù)器時(shí)，系統會(huì )要求將兩臺服務(wù)器中的一臺定為缺省主機，另一臺為冗余伙伴服務(wù)。在缺省主機上創(chuàng )建工程項目，并對該項目進(jìn)行組態(tài)，建立與各PCC連接的驅動(dòng)程序，在各個(gè)驅動(dòng)程序下建立驅動(dòng)連接以及過(guò)程變量，歸檔變量記錄和報警記錄，創(chuàng )建過(guò)程畫(huà)面等^[7]。

   在監控畫(huà)面中,可以實(shí)現自動(dòng)控制調節中的手動(dòng)/自動(dòng)切換、給定值輸入、參數輸入等功能，使操作人員操作管理很方便。利用此軟件可以完成監視器顯示所需的現場(chǎng)設備監控畫(huà)面。如系統狀態(tài)圖、硬件報警、工藝報警、模擬量趨勢、對比趨勢、操作日志、報表輸出等?？芍庇^(guān)、動(dòng)態(tài)地顯示出現場(chǎng)各部位重要參數的變化。以系統監控總畫(huà)面和進(jìn)水泵畫(huà)面為例，如圖4和5所示。
  
                   
                                圖4 監控系統人機界面

                 
                   
                               圖5 監控系統進(jìn)水泵界面

   4 結束語(yǔ) 

   本污水監控系統集PCC技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、數據庫管理于一體，采用分散控制、集中管理、綜合監控的模式，準確掌握了污水處理各項工藝指標，快速監控設備運行狀態(tài)，降低了現場(chǎng)操作人員及生產(chǎn)管理者的勞動(dòng)強度，大大提高了污水在線(xiàn)監測的自動(dòng)化程度。在采用技術(shù)和軟硬件選型上，通過(guò)合理的方案配置使污水處理監測系統達到最佳的性能價(jià)格比。

   參考文獻

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[2] 鄭興燦. 城市污水處理技術(shù)決策與典型案例[M].中國建筑工業(yè)出版社，2007.
[3] 商建鋒，馬承先.PCC在水電站計算機監控系統中的應用[J].電氣應用, 2008，27(24):71-73.
[4] 曹麗婷,田景文,黃桂林.PLC和組態(tài)軟件在污水處理遠程監控系統中的應用[J].機床與液壓，2008，7(3):202—205.
[5] 齊蓉，肖維榮.可編程計算機控制器技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2005，11.
[6] 趙紅忠, 秦小州. SBR污水處理工藝及自動(dòng)化控制[J].電氣自動(dòng)化，2003，25(2):31-34
[7] 王加倫. PCC控制技術(shù)在煉油廠(chǎng)污水處理裝置上的應用[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報，2005，3(1):66-69.

  第一作者簡(jiǎn)介：鄭卓,女, 1968 年12 月出生, 工學(xué)碩士，2009年畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院，現任甘肅聯(lián)合大學(xué)理工學(xué)院講師，主要研究方向為現場(chǎng)總線(xiàn)。