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   活動鏈接：2013年控制網技術專題---引領水工業智能化新時代 

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

   關鍵詞：污水處理；自動控制；IPC+PLC；功能

   1 引言

   我國污水處理自動化控制起步較晚，進入20世紀90年代以后，污水處理廠才開始引進自動控制系統，但多是直接引進國外成套自控設備，國產自動控制系統在污水處理廠應用很少。早在70年代，我國的水行業就開始應用自動化技術，到90年代，自動化、信息化在水行業受到了普遍重視。近20年來，我國水行業在自動化技術和信息化技術應用方面得到了長足的發展，創造了良好的經濟效益和社會效益。

   2 污水處理廠自控系統的形式和特點

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

   2.1 SCADA系統

   SCADA(Supervisoiy Control And Date Acquisition)系統

   是由一個主控站 (MTU)和若干個遠程終端站 (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，聯網通信功能較強，可與無線、同軸電纜、光纜、雙絞線相聯，監測的點數大大增多，控制功能也大為增強，可實現連續及順序控制，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，一般適用于被測點地域分布較廣的場合，如無線管網調度系統。

   該系統的特點是：

   組網范圍大，通訊方式靈活。該系統可以實現一個城市或地區較大地理分布的監測和控制。通訊方式可采用無線、有線或微波進行聯系。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通過通訊接口進行協議變換后可與其它網絡連接，可以組成較大、較復雜的通訊網絡。系統實時性較低，對大規模和復雜的控制實現較困難。

   2.2 DCS系統

   DCS (Distributed Control System)稱為集散型控制系統。是由多臺計算機和現場端連接組成。通過網絡將現場控制站、檢測站和操作管理站、控制管理站及工程師站聯接起來，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過程控制。

   該系統的特點是：

   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單。

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

   有較好的擴展能力。借助網絡技術，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。

   響應時間較快，實時性較好。

   應用軟件的編程工作量較大，對開發和維護人員要求較高，開發周期較長。

   2.3 IPC＋PLC系統

   該系統是由工業計算機（IPC）和可編程序控制器（PLC）組成的分布控制系統。可實現DCS的功能，其性能已達到DCS的要求，而價格比DCS低很多，開發方便，在國內污水處理自動化中得到了廣泛的應用。

   該系統的特點是：

   可實現分級分布控制。

   可實現“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、組網方便。硬件系統配置簡潔，很容易在網絡中增減PLC 控制器，來實現擴展網絡的目的。

   編程方便、開發周期短、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。

   與工業現場信號直接相連，易于實現機電一體化。

   系統的分布范圍不大。

    2.4 總線式工業控制計算機構成的系統

    該系統是由總線結構的工業控制計算機及系列產品組成的系統。

    工控機一般與若干塊模板插在某一總線（如STD）上構成。

    該系統的特點是：

    具有較高的可靠性。

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

    響應時間較快，實時性較強。由于采用匯編語言或C語言編程，代碼效力較高，在實時操作系統下，有較快的響應時間。

    可與不同廠家的產品互連，組成較復雜的系統。

    編程工作量大，對開發和維護人員水平要求高，開發周期長。

    3 污水處理廠自控系統網絡結構

   3.1 自控網絡構成

    由于國內污水處理廠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中的網絡結構和相應的配置情況加以說明。國內大多數污水處理廠自控系統現場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的位置、數量考慮，兼顧使用和維護的方便。
      
                     

                               圖1 污水處理廠自控系統網絡結構圖  

    四川某污水處理廠自控系統網絡結構如圖1所示。自控系統包括工業光纖環型計算機網絡、中央監控系統、現場控制站和設備控制單元等幾部分。

    現場控制站包括：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個分布式遠程站)；廠外泵站控制站。

    設備控制單元包括：設備廠家配套鼓風機控制單元；變配電系統數顯表通過RS-485網絡與自動化系統連接。

    3.2 網絡結構說明

    控制系統主干網絡采用主流100Mbps的環型光纖工業以太網，每個控制子站配置具有環網管理功能的2光口6電口的100Mbps工業光纖交換機。廠外提升泵站PLC通過GPRS無線方式，通過以太網直接與中控室無縫聯網，實現對廠外提升泵站的監控。

    鼓風機廠家配套提供的控制單元通過以太網直接插入生化處理站的工業光纖交換機，實現中控室對鼓風機系統的監控。污水處理廠可能還有其他廠家配套提供的控制單元，為了統一網絡，便于實現數據交換，要求控制單元統一具有以太網通訊功能。

     對于PLC遠離現場設備，傳輸的無源開關量信號較多時，為了節省電纜和安裝以及維護費用，可采用“TRNET”實現。 一對“TRNET”可傳輸16個無源開關量信號，如圖2所示。而“TRNET”費用較遠程I/O費用低得多。
    
                     

                      圖2 采用“TRNET” 傳輸的無源開關量信號 

    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濾，這種配置費用最低，但每格濾池不能現場操作，且PLC出現故障時，整個濾池不能自動工作，如圖3所示。如要現場對每格濾池進行操作，可在每格濾池配置一個操作臺，這樣可給現場操作帶來方便，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控制過濾，用一操作屏對每格池進行操作。這種配置不但現場操作方便，而且當某臺PLC出現故障時不影響其它過濾工作，但這種配置價格最貴，如圖5所示。
                
                    

                          圖4 每格濾池配置一個操作臺示意圖  

   ③用一臺PLC控制反沖洗和每格濾池的過濾，另每一格濾池配置一操作屏對其操作，這種配置現場操作方便，價格位于以上兩者之間，但當PLC出現故障時，整個濾池不能工作，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RS-485網絡與生化處理控制站PLC連接，實現對電量采集。由于污水處理廠的耗電量較大，占生產成本的比例高，并且電網的波動對設備的運行危害也相當大，因此對高壓供電系統進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，系統網絡通信線應考慮冗余備份。

    系統應實現現場手動控制、車間PLC控制、中控室聯網控制的三級控制，確保系統安全、可靠的運行。

    4 污水處理廠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控制站的全部運行信息，控制現場設備的啟動和停止，對各站采集來的數據進行匯總、分析。為污水廠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組態軟件實現，Intouch是一種基于WindowsNT 32的HMI／SCADA軟件，是生產和過程自動化中解決可視化和控制任務的工業技術性系統。畫面上有相關實時生產過程的動態參數顯示，當動態值改變時，設備圖形的相應部位也隨之改變。而過程檢測或運動設備出現故障時，流程圖上的相應圖案紅光閃動并報警。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、消息類型以及報表等的詳盡內容，并對報警進行確認。中央控制系統除了有各種常規曲線來反映水質、水量和能耗等的過程，還可在動作畫面中隨時增加趨勢曲線和歷史曲線方便操作者觀察比較。中控室電腦還專門開發了萬能報表系統，該報表系統通過OPC與控制系統實時交換數據，并根據要求保存歷史數據，通過分析、統計形成生產管理所需要的生產報表。

    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器擴展成Web服務器和OPC服務器，不僅便于融合，而且還減少了重疊的服務器設置。用Web發布監控系統界面，要瀏覽生產狀況的計算機作為Web客戶端，組成一個Client／Server模式的局域網，并在控制系統中創建授權管理者，使得在授權范圍內的有限管理者可以在局域網內直接通過IE遠程瀏覽SCADA畫面。這樣，管理者就可以在辦公室瀏覽現場的處理運行狀況，使控制系統信息在企業內任何網絡級別訪問。另外，上層信息系統的MES和ERP作為一個OPC的客戶端，訪問集成在中央控制系統的OPC數據訪問服務器，采集控制系統中的實時數據。局域網再接入Intenet就可以實現局域網、本地網、遠程網跨區域的遠程現場設備監控功能，管理者可隨時、隨地以各種上網方式通過互聯網來獲取污水廠內的信息。這就超越了自動控制的過程，將范圍擴展到工廠監控級，實現管理網絡與控制網絡的一體化。

    4.2 現場控制站的功能

    現場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，并可通過該站的人機界面對設備進行操作，同時向上位計算機系統進行實時傳送，而且各現場控制站可通過工業以太環網進行互相之間的通訊，采集其他單元控制站信號，實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光纖以太網傳送給現場控制站，現場控制站操控設備控制站，從而調整對設備的控制。現場控制站也對自身模板進行監控，其診斷系統連續監測系統和過程的功能性，記錄__錯誤和特定系統事件。如果出現診斷報文，那么模板將會觸發一個診斷中斷，此后單元控制站中斷用戶程序的執行，執行相應的診斷中斷模塊。

    4.3 廠外提升泵站

    廠外提升泵站是污水廠進廠水的水源，為了做到污水廠運行的調度，實現對廠外泵站運行狀況和水量水質情況的控制。由于廠外泵站距離廠區都超過5公里，故采用無線GPRS方式實現與中控室的數據通訊。

    5 結論

    （1）采用IPC+PLC系統來實現污水處理自動化，是較為先進和實用的，而且國內有許多成功的例子可供參考。

     （2）具體選用何種網絡結構形式，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，首先應滿足功能齊全，操作方便，各功能鍵盡可能用中文說明其用途。其次要從安全角度考慮，限制輸入參數的范圍。再次，各分控站的主控畫面要盡可能包括多的有用信息，以減少操作人員切換畫面的次數。

    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:中國建筑工業出版社出版,2009.

    朱報開（1972-）

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

    摘自《自動化博覽》2012年第二期