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污水处理厂自控系统的形式、结构和功能
领域：运动控制
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& &摘要：本文介绍了国内污水处理厂目前采用的几种自控系统的形式和特点，并就应用较为广泛的IPC+PLC型自控系统在污水处理厂应用中的网络结构和功能做了简要介绍。
& &关键词：污水处理；自动控制；IPC+PLC；功能
& &我国污水处理自动化控制起步较晚，进入20世纪90年代以后，污水处理厂才开始引进自动控制系统，但多是直接引进国外成套自控设备，国产自动控制系统在污水处理厂应用很少。早在70年代，我国的水行业就开始应用自动化技术，到90年代，自动化、信息化在水行业受到了普遍重视。近20年来，我国水行业在自动化技术和信息化技术应用方面得到了长足的发展，创造了良好的经济效益和社会效益。
& &2 污水处理厂自控系统的形式和特点
& &目前国内污水处理厂采用的自动控制系统数量不少，就其形式可划分为SCADA系统、DCS系统、IPC＋PLC系统、总线式工业计算机构成的系统。
& &2.1 SCADA系统
& &SCADA(Supervisoiy Control And Date Acquisition)系统
& &是由一个主控站 (MTU)和若干个远程终端站 (RTU)组成，MTU与RTU之间用物理链路层或数据链路层联系。该系统原先设计目的是用于通讯系统。由于目前RTU功能的延伸，联网通信功能较强，可与无线、同轴电缆、光缆、双绞线相联，监测的点数大大增多，控制功能也大为增强，可实现连续及顺序控制，故较多应用于控制系统。但该系统侧重于监测和少量的控制，一般适用于被测点地域分布较广的场合，如无线管网调度系统。
& &该系统的特点是：
& &组网范围大，通讯方式灵活。该系统可以实现一个城市或地区较大地理分布的监测和控制。通讯方式可采用无线、有线或微波进行联系。系统分为主控机(MTU)和远程终端机(RTU)两部分，RTU的控制较固定，处理能力较小。MTU或RTU通过通讯接口进行协议变换后可与其它网络连接，可以组成较大、较复杂的通讯网络。系统实时性较低，对大规模和复杂的控制实现较困难。
& &2.2 DCS系统
& &DCS (Distributed Control System)称为集散型控制系统。是由多台计算机和现场端连接组成。通过网络将现场控制站、检测站和操作管理站、控制管理站及工程师站联接起来，共同完成分散控制和集中操作、管理的综合控制系统。DCS 系统侧重于连续性生产过程控制。
& &该系统的特点是：
& &采用分级分布式控制。系统按不同功能组成分级分布子系统，各子系统执行自己的控制程序，处理现场输入输出信息，减少了对系统的信息传输量，使系统应用程序较为简单。
& &在物理上实现了真正的分散控制，使整个系统的危险性分散，系统的可靠性较高。
& &有较好的扩展能力。借助网络技术，可完成纵向和横向通讯以及向高层的管理机通讯，系统的扩展方便。
& &系统的软、硬件资源丰富，可适应各种特殊的要求。
& &响应时间较快，实时性较好。
& &应用软件的编程工作量较大，对开发和维护人员要求较高，开发周期较长。
& &2.3 IPC＋PLC系统
& &该系统是由工业计算机（IPC）和可编程序控制器（PLC）组成的分布控制系统。可实现DCS的功能，其性能已达到DCS的要求，而价格比DCS低很多，开发方便，在国内污水处理自动化中得到了广泛的应用。
& &该系统的特点是：
& &可实现分级分布控制。
& &可实现&集中管理、分散控制&的功能。将危险分散，大大提高了系统的可靠性。
& &可靠性高、组网方便。硬件系统配置简洁，很容易在网络中增减PLC 控制器，来实现扩展网络的目的。
& &编程方便、开发周期短、维护方便。由于应用程序采用梯形图或顺序功能图编程，编程和维护方便。
& & 系统内的配置和调整非常灵活。
& &与工业现场信号直接相连，易于实现机电一体化。
& &系统的分布范围不大。
& & 2.4 总线式工业控制计算机构成的系统
& & 该系统是由总线结构的工业控制计算机及系列产品组成的系统。
& & 工控机一般与若干块模板插在某一总线（如STD）上构成。
& & 该系统的特点是：
& & 具有较高的可靠性。
& & 软硬件资源丰富。由于工控机与通用个人计算机兼容，可借助PC机丰富的软硬资源。
& & 响应时间较快，实时性较强。由于采用汇编语言或C语言编程，代码效力较高，在实时操作系统下，有较快的响应时间。
& & 可与不同厂家的产品互连，组成较复杂的系统。
& & 编程工作量大，对开发和维护人员水平要求高，开发周期长。
& & 3 污水处理厂自控系统网络结构
& &3.1 自控网络构成
& & 由于国内污水处理厂自控系统采用最多是IPC＋PLC型的系统，下面仅就该系统在污水处理厂中的网络结构和相应的配置情况加以说明。国内大多数污水处理厂自控系统现场控制站的配置根据检测和控制功能的要求，从工艺、净水构筑物的地域分布及测控点的位置、数量考虑，兼顾使用和维护的方便。
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& & & & & & & & & & & & & & & &图1 污水处理厂自控系统网络结构图 &
& & 四川某污水处理厂自控系统网络结构如图1所示。自控系统包括工业光纤环型计算机网络、中央监控系统、现场控制站和设备控制单元等几部分。
& & 现场控制站包括：预处理控制站；泥处理控制站；生化处理控制站；滤池控制站（其中包括反冲洗公共站、12格滤格采用了12个分布式远程站)；厂外泵站控制站。
& & 设备控制单元包括：设备厂家配套鼓风机控制单元；变配电系统数显表通过RS-485网络与自动化系统连接。
& & 3.2 网络结构说明
& & 控制系统主干网络采用主流100Mbps的环型光纤工业以太网，每个控制子站配置具有环网管理功能的2光口6电口的100Mbps工业光纤交换机。厂外提升泵站PLC通过GPRS无线方式，通过以太网直接与中控室无缝联网，实现对厂外提升泵站的监控。
& & 鼓风机厂家配套提供的控制单元通过以太网直接插入生化处理站的工业光纤交换机，实现中控室对鼓风机系统的监控。污水处理厂可能还有其他厂家配套提供的控制单元，为了统一网络，便于实现数据交换，要求控制单元统一具有以太网通讯功能。
& & &对于PLC远离现场设备，传输的无源开关量信号较多时，为了节省电缆和安装以及维护费用，可采用&TRNET&实现。 一对&TRNET&可传输16个无源开关量信号，如图2所示。而&TRNET&费用较远程I/O费用低得多。
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& & & & & & & & & & & 图2 采用&TRNET& 传输的无源开关量信号&
& & 对于滤池的控制有三种选择。
& &①用一台PLC控制反冲洗和每格滤池的过滤，这种配置费用最低，但每格滤池不能现场操作，且PLC出现故障时，整个滤池不能自动工作，如图3所示。如要现场对每格滤池进行操作，可在每格滤池配置一个操作台，这样可给现场操作带来方便，如图4所示。
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& & & & & & & & & & & & & & & & 图3 用一台PLC控制反冲洗和每格滤池的过滤 &
& & ②用一台PLC控制公共反冲洗，而每格滤池用一台较小的PLC控制过滤，用一操作屏对每格池进行操作。这种配置不但现场操作方便，而且当某台PLC出现故障时不影响其它过滤工作，但这种配置价格最贵，如图5所示。
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& & & & & & & & & & & & & 图4 每格滤池配置一个操作台示意图 &
& &③用一台PLC控制反冲洗和每格滤池的过滤，另每一格滤池配置一操作屏对其操作，这种配置现场操作方便，价格位于以上两者之间，但当PLC出现故障时，整个滤池不能工作，如图6所示。
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& & & & & & & & & & & & && & &图5 用一台PLC控制公共反冲洗 &
& & &配电间变配电系统数显表通过RS-485网络与生化处理控制站PLC连接，实现对电量采集。由于污水处理厂的耗电量较大，占生产成本的比例高，并且电网的波动对设备的运行危害也相当大，因此对高压供电系统进行监视和计量显得特别重要。
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& & & & & & &图6 用一台PLC控制反冲洗和每格滤池的过滤，另每一格滤池配置一操作屏对其操作
& & 为防止自控系统故障影响正常的生产，系统网络通信线应考虑冗余备份。
& & 系统应实现现场手动控制、车间PLC控制、中控室联网控制的三级控制，确保系统安全、可靠的运行。
& & 4 污水处理厂自控系统的功能概述
& & 4.1 中央控制系统的功能
& & 中央控制系统可监视现场控制站的全部运行信息，控制现场设备的启动和停止，对各站采集来的数据进行汇总、分析。为污水厂的全面控制提供必要的数据基础。中央控制系统采用世界主流的Intouch组态软件实现，Intouch是一种基于WindowsNT 32的HMI／SCADA软件，是生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术性系统。画面上有相关实时生产过程的动态参数显示，当动态值改变时，设备图形的相应部位也随之改变。而过程检测或运动设备出现故障时，流程图上的相应图案红光闪动并报警。所有的报警记录可用于显示或归档结果，操作者可以得到故障消息块、消息级别、消息类型以及报表等的详尽内容，并对报警进行确认。中央控制系统除了有各种常规曲线来反映水质、水量和能耗等的过程，还可在动作画面中随时增加趋势曲线和历史曲线方便操作者观察比较。中控室电脑还专门开发了万能报表系统，该报表系统通过OPC与控制系统实时交换数据，并根据要求保存历史数据，通过分析、统计形成生产管理所需要的生产报表。
& & 为了使上位计算机系统集成到MES和ERP中，采用Web浏览和OPC的方法，将中央控制系统的中央数据服务器扩展成Web服务器和OPC服务器，不仅便于融合，而且还减少了重叠的服务器设置。用Web发布监控系统界面，要浏览生产状况的计算机作为Web客户端，组成一个Client／Server模式的局域网，并在控制系统中创建授权管理者，使得在授权范围内的有限管理者可以在局域网内直接通过IE远程浏览SCADA画面。这样，管理者就可以在办公室浏览现场的处理运行状况，使控制系统信息在企业内任何网络级别访问。另外，上层信息系统的MES和ERP作为一个OPC的客户端，访问集成在中央控制系统的OPC数据访问服务器，采集控制系统中的实时数据。局域网再接入Intenet就可以实现局域网、本地网、远程网跨区域的远程现场设备监控功能，管理者可随时、随地以各种上网方式通过互联网来获取污水厂内的信息。这就超越了自动控制的过程，将范围扩展到工厂监控级，实现管理网络与控制网络的一体化。
& & 4.2 现场控制站的功能
& & 现场控制站在主要完成对所管辖范围内的工艺参数检测，设备运行的信号采集、检测和控制，并可通过该站的人机界面对设备进行操作，同时向上位计算机系统进行实时传送，而且各现场控制站可通过工业以太环网进行互相之间的通讯，采集其他单元控制站信号，实现不同控制站之间的数据交换。上位计算机系统设定的控制参数通过光纤以太网传送给现场控制站，现场控制站操控设备控制站，从而调整对设备的控制。现场控制站也对自身模板进行监控，其诊断系统连续监测系统和过程的功能性，记录__错误和特定系统事件。如果出现诊断报文，那么模板将会触发一个诊断中断，此后单元控制站中断用户程序的执行，执行相应的诊断中断模块。
& & 4.3 厂外提升泵站
& & 厂外提升泵站是污水厂进厂水的水源，为了做到污水厂运行的调度，实现对厂外泵站运行状况和水量水质情况的控制。由于厂外泵站距离厂区都超过5公里，故采用无线GPRS方式实现与中控室的数据通讯。
& & 5 结论
& & （1）采用IPC+PLC系统来实现污水处理自动化，是较为先进和实用的，而且国内有许多成功的例子可供参考。
& & &（2）具体选用何种网络结构形式，应根据工艺流程、各构筑物分布，资金投入大小等因素综合考虑。
& & &（3）软件编制一定要满足运行安全，操作方便的要求。对于上位机监控软件，由于人机界面是面向普通操作人员，首先应满足功能齐全，操作方便，各功能键尽可能用中文说明其用途。其次要从安全角度考虑，限制输入参数的范围。再次，各分控站的主控画面要尽可能包括多的有用信息，以减少操作人员切换画面的次数。
& & 参考文献：
& & [1]高大文,彭永臻,等.污水处理智能控制的研究、应用与发展[J].中国给水排水,):35－39.
& & [2]崔福义,彭永臻.给水排水工程仪表与控制[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.
& & [3]崔福义 彭永臻.给水排水工程计算机应用[M].北京:中国建筑工业出版社出版,2009.
& & 朱报开（1972-）
&& & 男，广东梅州人，高级工程师，毕业于大连理工大学，现就职于东莞市科创智能科技有限公司，主要从事水处理自动化项目建设方面的研究。 &
& &&摘自《自动化博览》2012年第二期
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