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案例頻道 活動(dòng)鏈接：2013年控制網(wǎng)技術(shù)專題---引領(lǐng)水工業(yè)智能化新時(shí)代
摘要：本文介紹了國(guó)內(nèi)污水處理廠目前采用的幾種自控系統(tǒng)的形式和特點(diǎn)，并就應(yīng)用較為廣泛的IPC+PLC型自控系統(tǒng)在污水處理廠應(yīng)用中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能做了簡(jiǎn)要介紹。
關(guān)鍵詞：污水處理；自動(dòng)控制；IPC+PLC；功能
1 引言
我國(guó)污水處理自動(dòng)化控制起步較晚，進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，污水處理廠才開(kāi)始引進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)，但多是直接引進(jìn)國(guó)外成套自控設(shè)備，國(guó)產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)在污水處理廠應(yīng)用很少。早在70年代，我國(guó)的水行業(yè)就開(kāi)始應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)，到90年代，自動(dòng)化、信息化在水行業(yè)受到了普遍重視。近20年來(lái)，我國(guó)水行業(yè)在自動(dòng)化技術(shù)和信息化技術(shù)應(yīng)用方面得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
2 污水處理廠自控系統(tǒng)的形式和特點(diǎn)
目前國(guó)內(nèi)污水處理廠采用的自動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)量不少，就其形式可劃分為SCADA系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)、IPC＋PLC系統(tǒng)、總線式工業(yè)計(jì)算機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)。
2.1 SCADA系統(tǒng)
SCADA(Supervisoiy Control And Date Acquisition)系統(tǒng)
是由一個(gè)主控站 (MTU)和若干個(gè)遠(yuǎn)程終端站 (RTU)組成，MTU與RTU之間用物理鏈路層或數(shù)據(jù)鏈路層聯(lián)系。該系統(tǒng)原先設(shè)計(jì)目的是用于通訊系統(tǒng)。由于目前RTU功能的延伸，聯(lián)網(wǎng)通信功能較強(qiáng)，可與無(wú)線、同軸電纜、光纜、雙絞線相聯(lián)，監(jiān)測(cè)的點(diǎn)數(shù)大大增多，控制功能也大為增強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)及順序控制，故較多應(yīng)用于控制系統(tǒng)。但該系統(tǒng)側(cè)重于監(jiān)測(cè)和少量的控制，一般適用于被測(cè)點(diǎn)地域分布較廣的場(chǎng)合，如無(wú)線管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)。
該系統(tǒng)的特點(diǎn)是：
組網(wǎng)范圍大，通訊方式靈活。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)城市或地區(qū)較大地理分布的監(jiān)測(cè)和控制。通訊方式可采用無(wú)線、有線或微波進(jìn)行聯(lián)系。系統(tǒng)分為主控機(jī)(MTU)和遠(yuǎn)程終端機(jī)(RTU)兩部分，RTU的控制較固定，處理能力較小。MTU或RTU通過(guò)通訊接口進(jìn)行協(xié)議變換后可與其它網(wǎng)絡(luò)連接，可以組成較大、較復(fù)雜的通訊網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較低，對(duì)大規(guī)模和復(fù)雜的控制實(shí)現(xiàn)較困難。
2.2 DCS系統(tǒng)
DCS (Distributed Control System)稱為集散型控制系統(tǒng)。是由多臺(tái)計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)端連接組成。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)控制站、檢測(cè)站和操作管理站、控制管理站及工程師站聯(lián)接起來(lái)，共同完成分散控制和集中操作、管理的綜合控制系統(tǒng)。DCS 系統(tǒng)側(cè)重于連續(xù)性生產(chǎn)過(guò)程控制。
該系統(tǒng)的特點(diǎn)是：
采用分級(jí)分布式控制。系統(tǒng)按不同功能組成分級(jí)分布子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)執(zhí)行自己的控制程序，處理現(xiàn)場(chǎng)輸入輸出信息，減少了對(duì)系統(tǒng)的信息傳輸量，使系統(tǒng)應(yīng)用程序較為簡(jiǎn)單。
在物理上實(shí)現(xiàn)了真正的分散控制，使整個(gè)系統(tǒng)的危險(xiǎn)性分散，系統(tǒng)的可靠性較高。
有較好的擴(kuò)展能力。借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可完成縱向和橫向通訊以及向高層的管理機(jī)通訊，系統(tǒng)的擴(kuò)展方便。
系統(tǒng)的軟、硬件資源豐富，可適應(yīng)各種特殊的要求。
響應(yīng)時(shí)間較快，實(shí)時(shí)性較好。
應(yīng)用軟件的編程工作量較大，對(duì)開(kāi)發(fā)和維護(hù)人員要求較高，開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)。
2.3 IPC＋PLC系統(tǒng)
該系統(tǒng)是由工業(yè)計(jì)算機(jī)（IPC）和可編程序控制器（PLC）組成的分布控制系統(tǒng)。可實(shí)現(xiàn)DCS的功能，其性能已達(dá)到DCS的要求，而價(jià)格比DCS低很多，開(kāi)發(fā)方便，在國(guó)內(nèi)污水處理自動(dòng)化中得到了廣泛的應(yīng)用。
該系統(tǒng)的特點(diǎn)是：
可實(shí)現(xiàn)分級(jí)分布控制。
可實(shí)現(xiàn)“集中管理、分散控制”的功能。將危險(xiǎn)分散，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
可靠性高、組網(wǎng)方便。硬件系統(tǒng)配置簡(jiǎn)潔，很容易在網(wǎng)絡(luò)中增減PLC 控制器，來(lái)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的目的。
編程方便、開(kāi)發(fā)周期短、維護(hù)方便。由于應(yīng)用程序采用梯形圖或順序功能圖編程，編程和維護(hù)方便。
系統(tǒng)內(nèi)的配置和調(diào)整非常靈活。
與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)直接相連，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。
系統(tǒng)的分布范圍不大。
2.4 總線式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)
該系統(tǒng)是由總線結(jié)構(gòu)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及系列產(chǎn)品組成的系統(tǒng)。
工控機(jī)一般與若干塊模板插在某一總線（如STD）上構(gòu)成。
該系統(tǒng)的特點(diǎn)是：
具有較高的可靠性。
軟硬件資源豐富。由于工控機(jī)與通用個(gè)人計(jì)算機(jī)兼容，可借助PC機(jī)豐富的軟硬資源。
響應(yīng)時(shí)間較快，實(shí)時(shí)性較強(qiáng)。由于采用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言編程，代碼效力較高，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下，有較快的響應(yīng)時(shí)間。
可與不同廠家的產(chǎn)品互連，組成較復(fù)雜的系統(tǒng)。
編程工作量大，對(duì)開(kāi)發(fā)和維護(hù)人員水平要求高，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)。
3 污水處理廠自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
3.1 自控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成
由于國(guó)內(nèi)污水處理廠自控系統(tǒng)采用最多是IPC＋PLC型的系統(tǒng)，下面僅就該系統(tǒng)在污水處理廠中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的配置情況加以說(shuō)明。國(guó)內(nèi)大多數(shù)污水處理廠自控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制站的配置根據(jù)檢測(cè)和控制功能的要求，從工藝、凈水構(gòu)筑物的地域分布及測(cè)控點(diǎn)的位置、數(shù)量考慮，兼顧使用和維護(hù)的方便。
圖1 污水處理廠自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
四川某污水處理廠自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。自控系統(tǒng)包括工業(yè)光纖環(huán)型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、中央監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)控制站和設(shè)備控制單元等幾部分。
現(xiàn)場(chǎng)控制站包括：預(yù)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(gè)分布式遠(yuǎn)程站)；廠外泵站控制站。
設(shè)備控制單元包括：設(shè)備廠家配套鼓風(fēng)機(jī)控制單元；變配電系統(tǒng)數(shù)顯表通過(guò)RS-485網(wǎng)絡(luò)與自動(dòng)化系統(tǒng)連接。
3.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)說(shuō)明
控制系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)采用主流100Mbps的環(huán)型光纖工業(yè)以太網(wǎng)，每個(gè)控制子站配置具有環(huán)網(wǎng)管理功能的2光口6電口的100Mbps工業(yè)光纖交換機(jī)。廠外提升泵站PLC通過(guò)GPRS無(wú)線方式，通過(guò)以太網(wǎng)直接與中控室無(wú)縫聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)廠外提升泵站的監(jiān)控。
鼓風(fēng)機(jī)廠家配套提供的控制單元通過(guò)以太網(wǎng)直接插入生化處理站的工業(yè)光纖交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)中控室對(duì)鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)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(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)，便于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，要求控制單元統(tǒng)一具有以太網(wǎng)通訊功能。
對(duì)于PLC遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，傳輸?shù)臒o(wú)源開(kāi)關(guān)量信號(hào)較多時(shí)，為了節(jié)省電纜和安裝以及維護(hù)費(fèi)用，可采用“TRNET”實(shí)現(xiàn)。 一對(duì)“TRNET”可傳輸16個(gè)無(wú)源開(kāi)關(guān)量信號(hào)，如圖2所示。而“TRNET”費(fèi)用較遠(yuǎn)程I/O費(fèi)用低得多。
圖2 采用“TRNET” 傳輸?shù)臒o(wú)源開(kāi)關(guān)量信號(hào)
對(duì)于濾池的控制有三種選擇。
①用一臺(tái)PLC控制反沖洗和每格濾池的過(guò)濾，這種配置費(fèi)用最低，但每格濾池不能現(xiàn)場(chǎng)操作，且PLC出現(xiàn)故障時(shí)，整個(gè)濾池不能自動(dòng)工作，如圖3所示。如要現(xiàn)場(chǎng)對(duì)每格濾池進(jìn)行操作，可在每格濾池配置一個(gè)操作臺(tái)，這樣可給現(xiàn)場(chǎng)操作帶來(lái)方便，如圖4所示。
圖3 用一臺(tái)PLC控制反沖洗和每格濾池的過(guò)濾
②用一臺(tái)PLC控制公共反沖洗，而每格濾池用一臺(tái)較小的PLC控制過(guò)濾，用一操作屏對(duì)每格池進(jìn)行操作。這種配置不但現(xiàn)場(chǎng)操作方便，而且當(dāng)某臺(tái)PLC出現(xiàn)故障時(shí)不影響其它過(guò)濾工作，但這種配置價(jià)格最貴，如圖5所示。
圖4 每格濾池配置一個(gè)操作臺(tái)示意圖
③用一臺(tái)PLC控制反沖洗和每格濾池的過(guò)濾，另每一格濾池配置一操作屏對(duì)其操作，這種配置現(xiàn)場(chǎng)操作方便，價(jià)格位于以上兩者之間，但當(dāng)PLC出現(xiàn)故障時(shí)，整個(gè)濾池不能工作，如圖6所示。
圖5 用一臺(tái)PLC控制公共反沖洗
配電間變配電系統(tǒng)數(shù)顯表通過(guò)RS-485網(wǎng)絡(luò)與生化處理控制站PLC連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)電量采集。由于污水處理廠的耗電量較大，占生產(chǎn)成本的比例高，并且電網(wǎng)的波動(dòng)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行危害也相當(dāng)大，因此對(duì)高壓供電系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和計(jì)量顯得特別重要。
圖6 用一臺(tái)PLC控制反沖洗和每格濾池的過(guò)濾，另每一格濾池配置一操作屏對(duì)其操作
為防止自控系統(tǒng)故障影響正常的生產(chǎn)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信線應(yīng)考慮冗余備份。
系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制、車間PLC控制、中控室聯(lián)網(wǎng)控制的三級(jí)控制，確保系統(tǒng)安全、可靠的運(yùn)行。
4 污水處理廠自控系統(tǒng)的功能概述
4.1 中央控制系統(tǒng)的功能
中央控制系統(tǒng)可監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)控制站的全部運(yùn)行信息，控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的啟動(dòng)和停止，對(duì)各站采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析。為污水廠的全面控制提供必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。中央控制系統(tǒng)采用世界主流的Intouch組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)，Intouch是一種基于WindowsNT 32的HMI／SCADA軟件，是生產(chǎn)和過(guò)程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)性系統(tǒng)。畫面上有相關(guān)實(shí)時(shí)生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)參數(shù)顯示，當(dāng)動(dòng)態(tài)值改變時(shí)，設(shè)備圖形的相應(yīng)部位也隨之改變。而過(guò)程檢測(cè)或運(yùn)動(dòng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，流程圖上的相應(yīng)圖案紅光閃動(dòng)并報(bào)警。所有的報(bào)警記錄可用于顯示或歸檔結(jié)果，操作者可以得到故障消息塊、消息級(jí)別、消息類型以及報(bào)表等的詳盡內(nèi)容，并對(duì)報(bào)警進(jìn)行確認(rèn)。中央控制系統(tǒng)除了有各種常規(guī)曲線來(lái)反映水質(zhì)、水量和能耗等的過(guò)程，還可在動(dòng)作畫面中隨時(shí)增加趨勢(shì)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(kāi)發(fā)了萬(wàn)能報(bào)表系統(tǒng)，該報(bào)表系統(tǒng)通過(guò)OPC與控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)，并根據(jù)要求保存歷史數(shù)據(jù)，通過(guò)分析、統(tǒng)計(jì)形成生產(chǎn)管理所需要的生產(chǎn)報(bào)表。
為了使上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到MES和ERP中，采用Web瀏覽和OPC的方法，將中央控制系統(tǒng)的中央數(shù)據(jù)服務(wù)器擴(kuò)展成Web服務(wù)器和OPC服務(wù)器，不僅便于融合，而且還減少了重疊的服務(wù)器設(shè)置。用Web發(fā)布監(jiān)控系統(tǒng)界面，要瀏覽生產(chǎn)狀況的計(jì)算機(jī)作為Web客戶端，組成一個(gè)Client／Server模式的局域網(wǎng)，并在控制系統(tǒng)中創(chuàng)建授權(quán)管理者，使得在授權(quán)范圍內(nèi)的有限管理者可以在局域網(wǎng)內(nèi)直接通過(guò)IE遠(yuǎn)程瀏覽SCADA畫面。這樣，管理者就可以在辦公室瀏覽現(xiàn)場(chǎng)的處理運(yùn)行狀況，使控制系統(tǒng)信息在企業(yè)內(nèi)任何網(wǎng)絡(luò)級(jí)別訪問(wèn)。另外，上層信息系統(tǒng)的MES和ERP作為一個(gè)OPC的客戶端，訪問(wèn)集成在中央控制系統(tǒng)的OPC數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)器，采集控制系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。局域網(wǎng)再接入Intenet就可以實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)、本地網(wǎng)、遠(yuǎn)程網(wǎng)跨區(qū)域的遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)控功能，管理者可隨時(shí)、隨地以各種上網(wǎng)方式通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)獲取污水廠內(nèi)的信息。這就超越了自動(dòng)控制的過(guò)程，將范圍擴(kuò)展到工廠監(jiān)控級(jí)，實(shí)現(xiàn)管理網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)的一體化。
4.2 現(xiàn)場(chǎng)控制站的功能
現(xiàn)場(chǎng)控制站在主要完成對(duì)所管轄范圍內(nèi)的工藝參數(shù)檢測(cè)，設(shè)備運(yùn)行的信號(hào)采集、檢測(cè)和控制，并可通過(guò)該站的人機(jī)界面對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，同時(shí)向上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，而且各現(xiàn)場(chǎng)控制站可通過(guò)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)進(jìn)行互相之間的通訊，采集其他單元控制站信號(hào)，實(shí)現(xiàn)不同控制站之間的數(shù)據(jù)交換。上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)定的控制參數(shù)通過(guò)光纖以太網(wǎng)傳送給現(xiàn)場(chǎng)控制站，現(xiàn)場(chǎng)控制站操控設(shè)備控制站，從而調(diào)整對(duì)設(shè)備的控制。現(xiàn)場(chǎng)控制站也對(duì)自身模板進(jìn)行監(jiān)控，其診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和過(guò)程的功能性，記錄__錯(cuò)誤和特定系統(tǒng)事件。如果出現(xiàn)診斷報(bào)文，那么模板將會(huì)觸發(fā)一個(gè)診斷中斷，此后單元控制站中斷用戶程序的執(zhí)行，執(zhí)行相應(yīng)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(jìn)廠水的水源，為了做到污水廠運(yùn)行的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)廠外泵站運(yùn)行狀況和水量水質(zhì)情況的控制。由于廠外泵站距離廠區(qū)都超過(guò)5公里，故采用無(wú)線GPRS方式實(shí)現(xiàn)與中控室的數(shù)據(jù)通訊。
5 結(jié)論
（1）采用IPC+PLC系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)污水處理自動(dòng)化，是較為先進(jìn)和實(shí)用的，而且國(guó)內(nèi)有許多成功的例子可供參考。
（2）具體選用何種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)根據(jù)工藝流程、各構(gòu)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(yùn)行安全，操作方便的要求。對(duì)于上位機(jī)監(jiān)控軟件，由于人機(jī)界面是面向普通操作人員，首先應(yīng)滿足功能齊全，操作方便，各功能鍵盡可能用中文說(shuō)明其用途。其次要從安全角度考慮，限制輸入?yún)?shù)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(shù)。
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朱報(bào)開(kāi)（1972-）
男，廣東梅州人，高級(jí)工程師，畢業(yè)于大連理工大學(xué)，現(xiàn)就職于東莞市科創(chuàng)智能科技有限公司，主要從事水處理自動(dòng)化項(xiàng)目建設(shè)方面的研究。
摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第二期
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)