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案例頻道 摘要：本文介紹了貝加萊緊湊智能型Power Panel和分布式X20 I/O在污水處理廠自動化系統中的應用。基于Ethernet POWERLINK現場總線（一種工業實時以太網）和工控組態軟件Power Vision的分布式控制系統，實現了對污水處理廠的自動控制和監控。整個系統采用上位機集中管理和現場控制站分散控制的方式，其上位機與現場站之間組網簡單、運行速度快、通信穩定性強，操作可視化程度高，這些特點有利于提高污水處理設備的運行效率和管理水平。運行實踐表明該系統具有較高的推廣應用價值。
關鍵詞：緊湊智能型Power Panel；X20 I/O；Ethernet POWERLINK；PowerVision；污水處理
1 引言
水是人類生活和國民經濟發展的不可或缺的重要資源。隨著經濟的發展，工業現代化的加快，人口的高度集中，城市用水量和污水的排放量不斷增加，加劇了用水緊張和水質污染。
建設可靠、穩定、先進、經濟和可擴展的水處理自動化系統已經成為自動化和城市水行業營運管理部門共同關心的問題。微電子、通信、自動化和計算機技術的發展大大提高了水處理控制系統的信息化和智能化程度，也同時促進了水處理自動化系統向智能化方向發展。
在污水處理控制系統中，存在著分布區域廣、設備分散、控制點多、控制信息量較大、輸入/輸出點以開關量居多而模擬量相對較少等特點，比較適合采用PLC（或PCC）來進行控制。因此，以PLC為控制核心就成為污水處理廠自動控制系統架構的主要模式。
2 污水處理的工藝流程
目前污水處理的工藝主要包括SBR、A/O 、氧化法、CASS、HCR高效生物、膜生物法等方式。污水處理廠工藝的選擇要根據占地面積、運行成本、總投資和自動化程度等因素和實際情況來選用適合的污水處理工藝。無論什么工藝，一般污水處理都包括一級處理和二級處理兩部分，不同工藝的關鍵在于生化反應階段工藝的不同。一級處理部包括粗格柵、進水泵房、細格柵、旋流沉沙池；二級處理部分包括生化池、儲泥池、脫水機房、消毒池。
污水處理的工藝流程如圖1所示。
圖1 污水處理的工藝流程
3 基于貝加萊控制方案的污水處理廠自動化系統
3.1 系統構成
根據城市污水處理廠工藝流程、廠區布置、生產和管理體制等方面的具體要求，污水處理廠自動化系統主要由現場控制層、集中監控層、廠部生產管理層和公司級生產調度層組成 。
現場控制層是污水處理自動化系統的基礎，構成它的裝置主要有PLC(或PCC)、過程檢測儀表和機電控制設備等。根據廠區平面布置及工藝流程的特點，該層一般由以下工段的PLC工作站組成：污水預處理系統/進水泵房；生化處理系統/配電中心；鼓風機房（如有鼓風機曝氣）；污水消毒系統/出水泵房；污泥處理系統/脫水車間。hhhh3.2 貝加萊控制方案
3.2.1 系統構架
根據污水處理廠的特點和控制要求，提出了基于貝加萊工控產品的自動化系統方案，其系統架構如圖2所示。
3.2.2 特點
在每個現場控制站上，操作員可從現場的觸摸屏（PP420）上看到整個工藝段的數據，方便讀取、監控及操作，便于現場設備維護。
圖2 基于貝加萊工控產品的污水處理自動化系統架構
緊湊智能型Power Panel系列，集成了控制器，顯示和靈活的接口，與第三方控制系統兼容，產品緊湊的設計和性價比使之廣泛地應用在工控行業。X20 I/O，不僅僅是一個遠程I/O系統，而是一個完整的控制方案。根據客戶的要求以及單個項目的要求，X20系列產品能連接所有的必要組件。
3.2.3 優勢
（ 1 ） 其集成軟件平臺Au t oma t i o n St u d i o ， 支持6 種IEC-61131（LD、IL、ST、SFC、CFC、 FBD） 編程語言和2種高級語言（ANSI C、B&R Automation Basic）。
（2）高速實時的Ethernet POWERLINK總線系統
POWERLINK遠程I/O擴展方式，介質為以太網交叉線。
通訊速率為100Mb，通訊距離為100米。
可采用總線型、樹型、環型，星型。避免了其它現場總線因單一結構（總線型）帶來的不便。如每遠程I/O站可獨立工作，斷開任何一個I/O站也不會造成關鍵影響。
圖3示出了有關各類總線的技術性能比較。
圖3 各類現場總線的技術性能比較
（3）站間數據通訊（如圖4所示）各控制站可獨立運行。各獨立站之間可有數據交換。貝加萊有專門用于CPU之間通訊的協議IMA，通訊介質可為以太網、 CAN、串線等，組態方便。支持路由。
圖4 站間數據通訊
（4）方便快捷的診斷工具通過IE就可診斷CPU、IO狀態，無須編程軟件。VNC Client客戶端可顯示現場屏畫面和完成操作，如圖5所示。
（5）方便快捷的維護工具（如圖6所示）一鍵自動安裝程序；使用生成的 CD-ROM 啟動盤(帶有autoplay)；使用生成的CF卡。
（6）一鍵自動升級程序應用程序或操作系統升級可通過 CD-ROM、CF卡或在線接口實現。
圖5 VNC Client可顯示現場畫面并完成操作
圖6 應用程序或操作系統升級
3.2.4 上位監控系統
（1）上位監控軟件
Power Vision組態軟件可方便快速地從控制站上上載變量，加快組態的進程，并支持數組、結構體變量的上載。Power Vision是一款完全基于windows平臺的流程監控軟件，使用起來方便簡捷，運行起來穩定可靠。
污水處理自動化系統的上位監控部分主要配置了粗/細格柵、進水泵房、生化池、污泥回流泵房和消毒池等流程畫面。操作員通過流程畫面在中控室就可以掌握整個工廠的運行情況，完成設備的啟停操作。
（2）PowerVision的用戶安全管理系統
PowerVision軟件為用戶提供了一個強有力的安全管理系統。在“PowerVision”的開發系統里可以對所創建的工程進行加密，必須輸入正確的密碼才能進入該工程的開發系統。對畫面上的圖形對象也可設置訪問權限，同時給各類操作者分配不同的訪問優先級權限和安全區，當操作者擬進行操作時，如其優先級低于對象所要求的訪問優先級或不在對象的訪問安全區內時，則不可訪問該對象。即欲訪問一個有權限設置的對象，要求操作者必須具有相應的訪問優先級，且操作者的操作安全區須在對象的安全區內方能訪問。PowerVision以此方式來保障系統的安全運行。
（3）PviUser界面可完成各類變量的創建和上載設備配置PviUser界面可以完成CPU變量的上載，上載包括全局變量和各個任務下面的局部變量，在上載的同時可以設置監控軟件從CPU中實時采集數據的頻率，還可以手動創建全局變量、任務及任務里的局部變量，這樣以便在沒有CPU站的時候，也可以按照原設計IO變量完成上位監控畫面的組態。
圖7 PviUser界面
3.2.5 網絡通訊
利用各PP420自帶以太網接口實現現場控制站之間的通訊，以及與監控中心數據通訊。光纖連接現場站和監控中心。分布式I/O擴展采用100M速率的Ethernet PowerLink總線。RS485接口模塊與現場站儀器儀表通訊。
Ethernet POWERLINK（EPL）標準是一種可滿足最苛刻要求（4級）、并已投入實際應用的實時工業以太網。EPL的主要技術指標有：用標準以太網IEEE802.3u(Fast Ether-net)作為傳輸媒介；傳輸速率100Mb/s；使用標準Hub和標準接線；實時數據傳輸周期最小達200μs；抖動小于1μs；可同時傳輸實時和非實時數據以及 IP協議；使用以太網標準硬件設備，并且支持冗余技術。它不僅具有工業以太網標準的可靠性及環境適應性，還很好地解決了標準以太網TCP/IP協議的實時性問題。
貝加萊控制系統支持分時多任務操作系統，每個觸摸屏現場控制站均采用一個開發軟件AS來開發，是面向對象的編程方式。AS軟件提供完善的PID算法，對完成生產過程壓力、溫度、流量等工藝參數進行PID回路調節。高性能的控制器和支持帶電插拔X20 I/O 系統，單個模塊或部件的損壞不會影響其它設備的正常運行，提高了污水控制系統的可靠性，有利于系統的維護。I/O就地接入，再通過總線接入PP420，通訊介質為屏蔽雙絞線，減少布線成本，提高電氣系統可靠性，實現就近接線，遠程監控。PP420接口豐富，可以提供RS232、RS485、Profibus-DP等與第三方設備的通訊接口，方便用戶擴展和使用。
4 結束語
貝加萊污水處理自動化系統是基于PCC、計算機、數據通訊網絡及軟件系統的污水處理廠實時控制和管理系統，使污水處理廠的自動化控制水平得到全面提升，可以安全、可靠地實現各種復雜污水處理工藝流程，減少人為因素帶來的事故隱患，保證污水處理質量，同時能提高工作效率和經濟效益，使傳統污水處理廠的生產運行及管理產生了質的飛躍。
貝加萊（B&R）的自控系統滿足了污水處理廠運行管理和安全處理的要求，即生產過程自動控制和報警、自動保護、自動操作、自動調節、提高了運行效率，降低了運行成本，減輕了勞動強度，對污水處理廠內各系統工藝流程中的重要參數、設備工況等進行集中實時監測，對重要設備進行集散控制。目前使用該系統的污水處理廠從正式投運至今，控制設備運行正常，污水處理廠的出廠水質達到了設計排放標準。
參考文獻：
[1] 趙奎霞. 水處理工程（第二版）[M].中國環境科學出版社, 2008.
[2] B&R. PCC初級培訓教程.
左蘇平（1980-）女，現為貝加萊工業自動化（上海）有限公司工程師，從事工業自動化技術工作8年。
摘自《自動化博覽》2012年第四期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號