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摘要：在環(huán)境保護(hù)和環(huán)境治理的大環(huán)境下，我國各水域?qū)λ|(zhì)達(dá)標(biāo)都有嚴(yán)格的規(guī)定，而國家環(huán)保機(jī)構(gòu)為了進(jìn)一步提高治理質(zhì)量和管理效率，開始利用高科技方法實(shí)施污水處理工程。現(xiàn)場總線、可編程控制器、集散控制系統(tǒng)、組態(tài)軟件在水處理工程中充分的發(fā)揮了自動化優(yōu)勢，使復(fù)雜的監(jiān)控環(huán)境，發(fā)展為無人監(jiān)控及網(wǎng)絡(luò)控制模式。本文以上海白龍港污水處理廠為例介紹了組態(tài)王監(jiān)控軟件在污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用，并詳細(xì)介紹了PLC、工業(yè)以太網(wǎng)、上位機(jī)監(jiān)控等技術(shù)在污水遠(yuǎn)程集散監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的功能以及實(shí)現(xiàn)方法。

一 、引言

    上海白龍港污水處理廠位于浦東新區(qū)合慶鄉(xiāng)東側(cè)長江岸邊，該處已建白龍港預(yù)處理廠，新廠擴(kuò)建位于預(yù)處理廠北側(cè)長江邊，總用地面積120 Km2。主要包括市中心區(qū)、閔行區(qū)及浦東新區(qū)，這些地區(qū)部分為合流制，部分為分流制。上海污水二期系統(tǒng)已建成輸送管道，預(yù)處理廠以及污水排放管，其規(guī)模為172萬m3/d，服務(wù)面積271.7 km2，人口355.76萬，考慮近期污水系統(tǒng)完善尚待時日，故白龍港污水廠近期處理水量為120萬m3/d。按照2001年全年污水規(guī)劃，本廠遠(yuǎn)期處理水量為210萬m3/d。鑒于該污水規(guī)模較大，生產(chǎn)控制系統(tǒng)采用了先進(jìn)的自動化控制方案，實(shí)現(xiàn)對污水處理個流程的控制功能。該控制系統(tǒng)對擴(kuò)展性、開放性及可持續(xù)性，都具有相當(dāng)高的要求。

二、系統(tǒng)概述

    本系統(tǒng)采用目前國內(nèi)外污水處理廠廣泛應(yīng)用并取得良好效果的基于可編程邏輯控制器(PLC)的集散型控制系統(tǒng)，以及監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)。集散型控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是將管理層和控制層分開。管理層主要是對全廠的生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視、數(shù)據(jù)存儲和分析; 控制層主要是通過現(xiàn)場PLC或計算機(jī)完成各自轄域內(nèi)工藝過程和工藝設(shè)備的自動控制，同時在傳統(tǒng)控制的基礎(chǔ)上，提供了智能控制的可能性。SCADA系統(tǒng)通過現(xiàn)場檢測儀表和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備完成對主要工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)采集并對生產(chǎn)流程進(jìn)行監(jiān)控。通信網(wǎng)絡(luò)采用100Mbps工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。系統(tǒng)除具備對生產(chǎn)過程的監(jiān)視和控制功能外，數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)通信功能也很強(qiáng)大，對運(yùn)行階段的生產(chǎn)管理、調(diào)度以及科學(xué)分析都具有十分重要的意義。本系統(tǒng)考慮到遠(yuǎn)期污水廠擴(kuò)大規(guī)模或進(jìn)行改造，自控設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)及上位機(jī)管理系統(tǒng)都有可擴(kuò)展的特點(diǎn)，為了保證正常生產(chǎn)，系統(tǒng)要具備極高的穩(wěn)定性和可靠性。

三、工藝與功能要求

    污水處理的主要對象是泥和水，泥主要通過沉淀排出，污水則要經(jīng)過充分反應(yīng)處理后達(dá)標(biāo)后才能被排出。在污水經(jīng)過各工序的過程中，每個工序相應(yīng)的工藝控制設(shè)備都需要進(jìn)行監(jiān)控。該污水處理廠采用的工藝流程如圖1所示，主要控制部分為加藥間、高效沉淀池、污泥脫水、中水回用等環(huán)節(jié)。
 

    該系統(tǒng)控制系統(tǒng)包括加藥間控制系統(tǒng)、3套高效沉淀池控制系統(tǒng)、中水可用控制系統(tǒng)、脫水機(jī)房控制系統(tǒng)以及6KV配電間電力監(jiān)控系統(tǒng)，均采用先進(jìn)的PLC控制，并且由光線環(huán)網(wǎng)連接，環(huán)網(wǎng)中由組態(tài)王作為IO采集站對各控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而上層工作站通過以太網(wǎng)從IO采集站獲得現(xiàn)場數(shù)據(jù)，分別將數(shù)據(jù)顯示在不同的監(jiān)控系統(tǒng)中， 實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

五、系統(tǒng)配置及功能

    (1)系統(tǒng)硬件配置：

    選用高性能和高可靠性的SIEMENS400系列PLC以及帶PROFIBUS/DP現(xiàn)場總線接口ET200M的網(wǎng)絡(luò)控制I/O作為基本控制單元，由3個沉淀池控制PLC（PLC01、PLC02、PLC03）與1個加藥間控制PLC（PLC04）共4個完全獨(dú)立的分控制PLC站所組成，4個完全獨(dú)立的分控制PLC站通過ETHERNET接口模板及光纖網(wǎng)絡(luò)與以組態(tài)王為監(jiān)控系統(tǒng)的上位計算機(jī)相連，3個沉淀池分控制PLC站分別監(jiān)控1#～3#沉淀池，加藥間分控制PLC則監(jiān)控整個加藥分區(qū)域。另外此環(huán)網(wǎng)中同時具有中水可用控制系統(tǒng)、脫水機(jī)房控制系統(tǒng)以及電力監(jiān)控系統(tǒng)，也同樣采用PLC分站控制系統(tǒng)，通過光線網(wǎng)絡(luò)同組態(tài)王為監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，分別獨(dú)立于各個系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場控制。

    (2)系統(tǒng)軟件環(huán)境：

    與PLC站相連接的監(jiān)控系統(tǒng)采用組態(tài)王軟件，作為人機(jī)監(jiān)控軟件，并且配置為IO數(shù)據(jù)采集站，以便為各上層控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對各流程的工藝控制、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)備份等功能。而上層網(wǎng)絡(luò)中控制系統(tǒng)又包括工藝監(jiān)控工作站、電力監(jiān)控工作站、管理工作站、工程師站及備份工作站，均采用組態(tài)王軟件作為監(jiān)控系統(tǒng)軟件，通過以太網(wǎng)從IO采集服務(wù)器中獲得現(xiàn)場數(shù)據(jù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)功能管理等。

    (3)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

    4個分控制PLC站是污水處理中監(jiān)控系統(tǒng)的基本控制單元，與每個分控制PLC站有關(guān)的設(shè)備與儀表的監(jiān)視與控制功能均由各自的分控制PLC完成。根據(jù)自控的要求，在整個PLC監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制中，無論是分控制PLC在自動控制方式時，還是在組態(tài)王監(jiān)控界面上的聯(lián)動或單動的手動控制方式時，分控制PLC均不能被旁路。各分控制PLC經(jīng)由ETHERNET接口模板及光纖網(wǎng)絡(luò)接收來自CCR的對整個系統(tǒng)的控制與調(diào)度命令，同時把該分控制PLC的運(yùn)行參數(shù)與設(shè)備狀態(tài)實(shí)時送至CCR。CCR是整個污水處理的調(diào)度與控制中心。CCR計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)同時通過DDN與RADIO 通訊與數(shù)據(jù)監(jiān)控中心相連。

    廠內(nèi)設(shè)有中控室，中控室配置工藝監(jiān)控工作站、電力監(jiān)控工作站、管理工作站、工程師站及備份工作站五臺上位機(jī)用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理等功能，配置網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)用于數(shù)據(jù)、報表等打印輸出。

    系統(tǒng)用組態(tài)王軟件設(shè)計了精美的組態(tài)畫面，真實(shí)地反映了現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)，能夠方便的通過對組態(tài)畫面上的可控設(shè)備進(jìn)行操作，部分系統(tǒng)界面圖如下所示：

    1、 系統(tǒng)總貌圖：（如圖4所示）
 

    該系統(tǒng)上位機(jī)控制系統(tǒng)具有以下功能：

    1、 對整個系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備及運(yùn)行結(jié)果（泥位、液位、流量）具有控制、監(jiān)視、參數(shù)設(shè)定、故障報警、故障診斷功能。

    2、 根據(jù)污水處理的工藝邏輯要求，嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)備開啟、停止、故障或緊急停機(jī)的邏輯控制。

    3、 系統(tǒng)動態(tài)顯示，畫面將各個工藝流程直觀的顯示在屏幕上，可以實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的工作狀態(tài)和參數(shù)。

    4、 選擇合理的自動運(yùn)行模式，使整個系統(tǒng)的運(yùn)行處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)，并能達(dá)到污水處理的工藝要求。

    5、 當(dāng)設(shè)備或控制參數(shù)接近非正常狀態(tài)時，界面有報警提示，并伴有聲音報警。

    6、 進(jìn)行報警歷史記錄，將故障分類整理歸檔，且報警記錄不可刪除，用于事故分析和追憶。

    7、 歷史數(shù)據(jù)通過歷史庫進(jìn)行存儲，操作人員可以方便的生成重要設(shè)備和監(jiān)測指標(biāo)的運(yùn)行報表和曲線，并具有隨時進(jìn)行調(diào)用、打印功能。

    8、 系統(tǒng)具有用戶權(quán)限管理功能，對工程各關(guān)鍵操作都設(shè)有不同級別的權(quán)限，以保證系統(tǒng)的安全性。

六、總結(jié)

    本系統(tǒng)目前已投入運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。由于監(jiān)控系統(tǒng)對整個生產(chǎn)過程都進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)控，操作人員只需要通過監(jiān)視器就能了解生產(chǎn)運(yùn)行情況，同時能夠?qū)崟r掌握工藝過程中各工藝參數(shù)的變化情況，并通過聲光報警、語音報警，對所發(fā)生的事故能夠及時處理，具有故障自動診斷功能，一旦數(shù)據(jù)超出正常允許范圍會發(fā)出自動停機(jī)命令，便于安排運(yùn)行，檢修計劃，大大提高了工作效率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗、提高水質(zhì)的目標(biāo)，為合理調(diào)度提供了決策依據(jù)。該系統(tǒng)與廠內(nèi)其他控制系統(tǒng)均具有數(shù)據(jù)通訊接口，具有良好的擴(kuò)展性，能夠?yàn)樯a(chǎn)管理提供可靠的數(shù)據(jù)。