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　　摘  要：為提高污水處理廠的信息化程度，提高設(shè)備管理和運營管理，開發(fā)了一套基于IT信息系統(tǒng)集成控制技術(shù)的系統(tǒng)，并運行在實際工程中。本文重點闡述了這套系統(tǒng)開發(fā)的背景、系統(tǒng)組成、主要功能等，并在提高自動化程度、柔性化程度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高自控設(shè)備利用率，避免自動化“孤島”方面得到了驗證。

關(guān)鍵字： 信息系統(tǒng)集成  工廠信息化  Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)  Web瀏覽技術(shù)  設(shè)備管理  故障診斷  污水處理控制系統(tǒng) WebAccess  MELSECNET

　　一、前言

隨著國際大環(huán)境的改變，國家對節(jié)能和環(huán)保越來越重視。最近幾年我國建設(shè)了大量的城市污水處理廠。但是以下幾個問題一直困擾著我們：

■廠區(qū)面積大，設(shè)備分散，有的污水廠還有污水提升泵站，可能相距上千米；

■設(shè)備種類繁多，數(shù)量大，維護不便；

■成套設(shè)備較多，污泥脫水系統(tǒng)、消毒系統(tǒng)和電力監(jiān)測系統(tǒng)通訊協(xié)議多種多樣，互操作性差；

■工藝參數(shù)不確定，系統(tǒng)調(diào)試和運營過程中需要經(jīng)常調(diào)整控制程序，給工藝人員和自控廠家都帶來的極大的麻煩。

因此，為了更好的解決以上問題我們開發(fā)了一套完全網(wǎng)絡(luò)化的、開放性的基于IT系統(tǒng)集成控制技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)，結(jié)合污水處理的工藝特點制作大量的工藝參數(shù)設(shè)定界面，配備專業(yè)的管理軟件，真正的實現(xiàn)了系統(tǒng)的集中監(jiān)視、分散控制、柔性調(diào)整和設(shè)備的自動管理。充分發(fā)揮了系統(tǒng)軟硬件的功能，大大提高了系統(tǒng)的自動化程度，可以實現(xiàn)近乎無人值守的運行條件。

二.系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

整個污水處理廠的控制系統(tǒng)由三套三菱Q系列PLC、一套西門子S7-300 PLC、兩套WebAccess6.0軟件、一套設(shè)備管理軟件、一套故障診斷軟件，一臺工程節(jié)點計算機、兩臺監(jiān)控節(jié)點計算機、一臺輔助計算機、一臺視頻服務(wù)器、手機短信系統(tǒng)、UPS電源、打印機等組成。

從結(jié)構(gòu)上，把這些設(shè)備和軟件劃分為三層網(wǎng)絡(luò)層面：監(jiān)控管理層、車間控制層、現(xiàn)場總線層。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（一）監(jiān)控管理層

采用當(dāng)前使用最普遍的以太網(wǎng)作為基礎(chǔ)。以太網(wǎng)以其數(shù)據(jù)信賴性、通訊速度快、維護方便和價格低廉的特點，在這個系統(tǒng)的上位監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)和融合管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了滿意的結(jié)果。

我們將原來劃分較為明顯的管理層和監(jiān)控層融合在一起，形成了融合的監(jiān)控管理層，強化了管理與監(jiān)控的聯(lián)系，共享數(shù)據(jù)信息，提高工廠的管理水平。

其中管理子層由輔助軟件計算機和數(shù)據(jù)服務(wù)器組成，采用現(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通訊技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合，將系統(tǒng)中的各種信息資源有機整理，以人性化的方式將各種資源呈現(xiàn)給操作者和管理者。管理子層主要由兩個共享數(shù)據(jù)庫的設(shè)備管理軟件包和故障診斷軟件包組成。

1．上位監(jiān)控系統(tǒng)

采用網(wǎng)絡(luò)版組態(tài)軟件WebAccess6.0，完全基于B/S架構(gòu)的自動化軟件。

全部工程項目、數(shù)據(jù)庫設(shè)置、圖面制作和軟件管理都可以通過Internet或Intranet在異地使用標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器完成。

圖1 污水處理廠控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　采用支持分散式構(gòu)架的監(jiān)控節(jié)點，并把監(jiān)控節(jié)點組成冗余結(jié)構(gòu)，中央數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及多層式網(wǎng)絡(luò)安全結(jié)構(gòu)。

1）監(jiān)控節(jié)點

監(jiān)控節(jié)點連接自動化硬件設(shè)備，并可以通過網(wǎng)絡(luò)向客戶端、其他監(jiān)控節(jié)點及工程節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。

2）工程節(jié)點

工程節(jié)點是一個配置數(shù)據(jù)的中央數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，客戶端可以通過工程節(jié)點動態(tài)瀏覽監(jiān)控節(jié)點的運行狀況。

3）客戶端

客戶端可以運行在安裝了Windows XP或Windows2000的工業(yè)計算機和普通計算機上，客戶端通過IE瀏覽器，顯示實時數(shù)據(jù)的動態(tài)圖面，完成各種遠程控制。

4）冗余系統(tǒng)

本上位監(jiān)控系統(tǒng)由一臺監(jiān)控節(jié)點、一臺冗余監(jiān)控節(jié)點和一臺工程節(jié)點構(gòu)成冗余監(jiān)控系統(tǒng)，兩臺監(jiān)控節(jié)點互為冗余，系統(tǒng)正常運行時主監(jiān)控節(jié)點完成數(shù)據(jù)通訊和數(shù)據(jù)傳輸，兩臺監(jiān)控節(jié)點實時保持?jǐn)?shù)據(jù)同步，客戶端可以通過網(wǎng)絡(luò)，實時監(jiān)控系統(tǒng)運行情況。部分畫面如圖2、3。

圖2 前處理圖                          圖3參數(shù)設(shè)定

　　當(dāng)主監(jiān)控節(jié)點出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)馬上切換到冗余監(jiān)控節(jié)點，由于兩個監(jiān)控節(jié)點實時保持?jǐn)?shù)據(jù)同步，因此可以實現(xiàn)無擾切換，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

當(dāng)工程節(jié)點故障時，監(jiān)控節(jié)點會在本機上生成保存數(shù)據(jù)的臨時文件，當(dāng)工程節(jié)點恢復(fù)正常后，監(jiān)控節(jié)點在不影響正常數(shù)據(jù)上傳的前提下逐漸將臨時文件中的數(shù)據(jù)上傳到工程節(jié)點上，保證數(shù)據(jù)的實時性和完整性。

2．設(shè)備管理軟件

設(shè)備管理軟件主要解決污水處理廠設(shè)備種類多，信息量大而復(fù)雜，涉及崗位、人員眾多，處理流程煩瑣等問題。

該軟件將設(shè)備管理中涉及到的人、物、廠商、保養(yǎng)、維修、運行狀態(tài)等聯(lián)系在一起，將監(jiān)控、維修、保養(yǎng)、備品備件、廠商等各種管理要素有機結(jié)合在一起，協(xié)同工作并將管理過程納入一套標(biāo)準(zhǔn)的流程控制中，實現(xiàn)設(shè)備資源全生命周期管理，最大化利用設(shè)備資源，幫助客戶提高設(shè)備的可用性和資產(chǎn)管理質(zhì)量。部分軟件畫面如圖4、5。

圖4系統(tǒng)監(jiān)視畫面                             圖5參數(shù)設(shè)定畫面

　　設(shè)備管理軟件的主要功能有：

1）網(wǎng)絡(luò)功能

系統(tǒng)為B/S建構(gòu)可與監(jiān)控系統(tǒng)無縫結(jié)合，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。

2）設(shè)備廠商管理

設(shè)置詳細廠商信息，將廠商的功能范圍具體化，使設(shè)備在維護、采購、評定等方面的管理更加便捷。

3）設(shè)備類型參數(shù)管理

設(shè)備類型參數(shù)設(shè)定是本系統(tǒng)比較有特點的設(shè)計。用戶可以自由的設(shè)定設(shè)備的類型參數(shù)，使每個設(shè)備的特有參數(shù)都得到體現(xiàn)。

4）設(shè)備組管理

本系統(tǒng)可以適用于各類型工廠和樓宇等各種場所，用戶可以自由的添加設(shè)備組來實現(xiàn)設(shè)備的分類管理。

5）設(shè)備狀態(tài)管理

系統(tǒng)能夠智能地采集設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，來計算設(shè)備的剩余壽命以及維護保養(yǎng)的周期等。采集數(shù)據(jù)分為在線和非在線兩種模式。分別對應(yīng)實際采集現(xiàn)場的設(shè)備數(shù)據(jù)和手動輸入的數(shù)據(jù)。

6）設(shè)備維護

①設(shè)備保養(yǎng)：設(shè)備保養(yǎng)可分為定時保養(yǎng)（按設(shè)備運行時間進行保養(yǎng)）和定期保養(yǎng)（按照固定的時間間隔進行保養(yǎng)）。主要包括：保養(yǎng)信息登陸，保養(yǎng)履歷查看，設(shè)備類型保養(yǎng)項目添加，保養(yǎng)消耗備品備件設(shè)定，保養(yǎng)提示，保養(yǎng)報表生成等功能。

②維修更新：主要包括設(shè)備維修信息登陸，維修履歷查看，設(shè)備類型故障現(xiàn)象、原因、對策添加，維修更新消耗備品備件設(shè)定，設(shè)備維修狀態(tài)監(jiān)視等功能。

③庫存管理：主要完成預(yù)備品消耗品的添加，出入庫登記，件消耗履歷，采購提示等功能。

④履歷：對在線狀態(tài)的設(shè)備運行狀況進行圖表表示。以折線圖的形式表示設(shè)備的開關(guān)運行狀態(tài)。
 
⑤　　工作計劃提示：系統(tǒng)能夠完成節(jié)假日設(shè)定，在進行設(shè)備維護設(shè)定時進行提示，避免在節(jié)假日進行維護，并可以根據(jù)維護設(shè)定，生成每個用戶的工作日程，方便領(lǐng)導(dǎo)和維護人員自己進行工作安排。

⑥系統(tǒng)監(jiān)視：系統(tǒng)監(jiān)視是本系統(tǒng)的主頁面，對整個系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)進行集計統(tǒng)計。狀態(tài)分為運行、維修更新、定期保養(yǎng)。頁面一分鐘更新一次，進行實時的監(jiān)控。

⑦自定義報表功能：系統(tǒng)支持自定義報表工具制作的各種報表。

3．故障診斷系統(tǒng)

故障診斷系統(tǒng)對現(xiàn)場控制系統(tǒng)軟硬件的運行狀態(tài)進行監(jiān)視和故障診斷，對故障的發(fā)生狀況、恢復(fù)狀況進行監(jiān)控和管理，對該故障發(fā)生的可能的原因，以列表的形式提供給用戶進行選擇確認。

同時，可以根據(jù)現(xiàn)場狀態(tài)判斷故障發(fā)生的原因、概率和優(yōu)先度，并能顯示解決方案和設(shè)備的場所以及設(shè)備的技術(shù)資料等。以及對發(fā)生故障時的狀態(tài)數(shù)據(jù)可以進行記錄和圖表顯示。其功能框圖如圖6所示。

圖6系統(tǒng)故障診斷功能框圖

　　故障診斷系統(tǒng)的主要功能有：

①網(wǎng)絡(luò)功能：系統(tǒng)為B/S建構(gòu)可與監(jiān)控系統(tǒng)無縫結(jié)合，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。

②數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集功能是故障診斷系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)交換的橋梁，它把現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)取出，傳送給故障診斷邏輯處理部分，故障診斷的指令通過它發(fā)給現(xiàn)場設(shè)備。

③故障診斷邏輯處理：故障是否發(fā)生是通過故障診斷邏輯處理部分實現(xiàn)，現(xiàn)場傳送來的數(shù)據(jù)，通過故障診斷邏輯處理判斷是否發(fā)生故障,如果發(fā)生故障，會把故障信息保存到數(shù)據(jù)庫里，故障診斷客戶端對發(fā)生的故障進行診斷處理。

④歷史故障管理：歷史故障是對經(jīng)過診斷后的故障進行管理，包括故障的查詢、打印、以及故障診斷的詳細信息。

⑤實時故障管理：實時故障是對發(fā)生故障進行診斷處理。故障發(fā)生時警報燈會閃爍提示用戶。診斷時系統(tǒng)根據(jù)從設(shè)備傳上來的信號信息，列出故障原因和條件以及各自的概率，用戶根據(jù)故障原因和條件找出相應(yīng)的對策。

（二）車間控制層

目前國內(nèi)污水處理廠控制層的硬件設(shè)備以三菱、西門子、AB等國外著名廠商的產(chǎn)品為主，其硬件配置已達到了國際先進水平，其本體的功能性、穩(wěn)定性和可靠性已無需再多加考慮。而其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的合理性、可靠性是我們主要考慮的問題。

本系統(tǒng)采用三菱公司的MELSECNET-H環(huán)形光纖網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)的骨干，該網(wǎng)絡(luò)通訊速度快，抗干擾能力強，擁有強大的自診斷功能。由于采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)中任意一處光纖斷開時，仍能維持系統(tǒng)的正常通訊，提高通訊系統(tǒng)的可靠性。同時MELSECNET-H環(huán)形光纖網(wǎng)絡(luò)具有很強的擴展能力，可以充分滿足本水廠以后的擴建和升級。

（三）現(xiàn)場設(shè)備層

采用西門子公司的PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線，它具有通訊速度快，傳輸距離長，擴展方便等特點。

通過PROFIBUS-DP總線的使用我們實現(xiàn)了對紫外消毒系統(tǒng)（S7-300），變頻器（西門子430\440）等智能設(shè)備的最大化數(shù)據(jù)交換，能夠及時了解運行情況、故障情況和各種參數(shù)，充分的發(fā)揮了每個智能設(shè)備的功能，大大提高了自動化管理水平。

三、系統(tǒng)的性能特點

本系統(tǒng)結(jié)合水廠的生產(chǎn)工藝，充分發(fā)揮系統(tǒng)軟硬件的功能，構(gòu)筑了一套具有高穩(wěn)定性、高靈活性、高擴展性和高開放性的系統(tǒng)。

基于上述的結(jié)構(gòu)，這個系統(tǒng)呈現(xiàn)出獨特的性能和特點。

1．管理控制功能

1）分級控制

每個現(xiàn)場設(shè)備都可按優(yōu)先級分為就地控制、遠程手動和遠程自動三種模式。

2）用戶管理功能

用戶類型可分為系統(tǒng)管理員、工程管理員、在線管理員、在線操作員和離線管理員。并可以通過區(qū)域和等級限制修改數(shù)據(jù)的能力，用戶和點都必須分配有區(qū)域和等級，且用戶和點有相同的區(qū)域，用戶的等級大于等于點的等級時用戶才能對這個點的值進行修改。

3）遠程訪問功能

由于上位監(jiān)控軟件和輔助管理軟件都是基于B/S架構(gòu)，因此本系統(tǒng)的上位監(jiān)控系統(tǒng)和輔助管理系統(tǒng)都支持遠程訪問功能，并且畫面流暢，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，能夠得到和監(jiān)控中心同樣的效果。

目前在該污水廠的變電所及廠外都已實現(xiàn)了遠程訪問，該水廠的控制和管理都以遠程為主。

4）設(shè)備管理功能

系統(tǒng)具有定期保養(yǎng)、定時保養(yǎng)、維修更新、備品備件管理，區(qū)域設(shè)定、用戶管理、屬性柔性設(shè)定、設(shè)備屬性拷貝、履歷查詢等功能，保證備品備件的庫存數(shù)量，提高設(shè)備維護維修的及時性和準(zhǔn)確性，提高系統(tǒng)設(shè)備的可用性，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2．故障處理功能

1）故障診斷功能

可根據(jù)故障發(fā)生時各個相關(guān)變量的數(shù)值，給出各種原因的概率，幫助維護人員進行判斷。并可提供各種原因的處理方法，提高故障的處理速度。積累故障處理的經(jīng)驗。

2）網(wǎng)絡(luò)診斷功能

實時診斷控制系統(tǒng)中設(shè)備的工作狀態(tài)，除系統(tǒng)內(nèi)的MELSECNET網(wǎng)絡(luò)的兩個從站、一個主站的設(shè)備之外。連接在Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)上的6臺變頻器、紫外消毒系統(tǒng)，工作是否正常也完全可以診斷出來。

3）故障短信功能

當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，馬上將故障信息發(fā)送給相關(guān)人員，能夠提高反應(yīng)速度，縮短問題處理時間。并且不必需要監(jiān)控人員24小時守在監(jiān)控電腦旁，降低勞動強度，減少人員編制。

3．?dāng)?shù)據(jù)處理功能

1）柔性設(shè)定功能

上位監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)留多個系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定畫面，提高控制系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性。

①格柵運行模式設(shè)定：液位、時間、混合模式設(shè)定

②提升泵組合模式設(shè)定、液位設(shè)定

③曝氣沉砂系統(tǒng)各種時間設(shè)定

④螺旋壓榨系統(tǒng)時間設(shè)定。

⑤反應(yīng)區(qū)10種工序、20步進程任意組合，時間任意設(shè)定，使工藝操作人員可以在不修改程序的情況下任意調(diào)整反應(yīng)流程，反應(yīng)時間，實現(xiàn)整個污水處理流程任意調(diào)整和最優(yōu)化調(diào)整。

⑥設(shè)備屬性自定義：用戶可以根據(jù)各種設(shè)備的不同，調(diào)整設(shè)備參數(shù)的數(shù)量和屬性，完整具體的體現(xiàn)每個設(shè)備的特有屬性。

⑦報表自定義功能：用戶可以根據(jù)自己的需要，將本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和已知數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過簡單設(shè)定，做成報表。

⑧日歷自定義功能：用戶可以自定義節(jié)假日，在進行設(shè)備維護安排時避免發(fā)生沖突。

2）數(shù)據(jù)記錄功能

系統(tǒng)具有報警記錄，操作記錄，運行數(shù)據(jù)記錄，歷史趨勢記錄，設(shè)備維護記錄，設(shè)備維修記錄，備品備件的入出庫記錄等。

用戶可以根據(jù)自己需要，通過自定義報表工具，簡單靈活的實現(xiàn)上述各種數(shù)據(jù)的報表。

　四.結(jié)束語
　
本系統(tǒng)于去年調(diào)試完畢，經(jīng)過一年的現(xiàn)場運行，目前系統(tǒng)穩(wěn)定，設(shè)備運行狀況良好。大大提高了生產(chǎn)效率，降低了維護運行人員的數(shù)量，保證了設(shè)備的良好運行，降低了緊急情況的處理時間，提高了整個污水廠的自動化水平和管理水平，實現(xiàn)了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

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