汙水處理廠自動化系統的分析與應用論文
摘要：本文主要介紹了我國目前汙水處理自動化系統的構成，分析了作為其核心的PLC控制器和通訊網路的選型以及整體解決方案，同時以天津咸陽路汙水處理廠自動化系統為例，具體說明了汙水處理廠自動化系統的應用，最後分析了汙水處理廠自動化系統的改進和發展。
關鍵詞：可程式設計控制器現場匯流排汙水處理廠
一、引言
水是人類生活和國民經濟發展的不可或缺的重要部分，隨著科技水平的飛速發展和人類生活水平的巨大提升，對於潔淨的優質的水源的需求也不斷急劇釋放。為建設可靠、穩定、先進、經濟以及可擴充套件的合理的水處理自動化系統成為工程界和城市水行業營運管理部門共同關心的問題。微電子、通訊、計算機技術的發展大大提高了水處理控制系統的資訊化和智慧化程度，與3C技術相結合的PLC以其卓越的可靠性、抗干擾性以及靈活的控制方式成為水處理自動化系統的核心控制器，其與開放的網路通訊系統一起，共同推動著水處理自動化系統的智慧化程度的發展。
水處理行業主要分為淨水處理和汙水處理兩大部分。淨水廠控制系統通常分為水廠排程系統、加藥間（加氯間）PLC控制站、濾站PLC控制站、送水泵房PLC控制站等。各個控制站相對獨立工作，透過有線網路進行通訊，將所有的資料資訊送到水廠排程室進行處理，或將一部分資料透過排程系統以無線（或有線）通訊的方式送到城市的排程中心。對於汙水處理來說，要根據汙水水源地狀況來確定汙水處理的工藝流程，由於汙水處理工藝的不同而自控系統應用PLC的要求也有所不同。一般講，整個汙水處理廠都有總控室和多個現場控制站，站與站之間透過控制器層網路或資訊層網路相連，然後全部連線到總控室，總控室的多臺計算機、工作站和圖形站都用資訊層網路連線，這樣和現場控制站構成了集中管理，分散控制，高速資料交換的工廠級自動化網路[1].PLC自控系統是水處理廠的控制核心部分，對其合理的選型和設計，對汙水廠能否高效、自動化的執行非常重要。然而，PLC網路又是其中的重中之重，網路的好壞直接影響到汙水廠的正常執行。
二、系統構成
汙水處理廠自控系統一般包括汙水廠部分和廠外泵站部分。監控系統通訊網路和PLC是汙水處理自動化系統的核心組成部分，它們的效能對汙水處理自動化系統會起到決定性的作用[2].根據汙水處理自動化本身的特點和監控需求選擇合適的PLC及通訊網路是保證汙水處理自動化系統性能的重要因素。
通訊網路：
在汙水處理自動化系統的結構上，國內在管理體制上主要採用三級管理，即監控總中心、區域監控分中心和監控站。由於監控站不直接對汙水處理廠的外場裝置進行直接控制，因此工程界按照系統結構的劃分把監控系統劃分為資訊層、控制層和裝置層。
第一層為資訊層，主要負責大量資訊及不同廠家不同裝置之間的資訊傳輸，工業乙太網Ethernet為目前較常用的一種資訊網路，世界各大PLC生產廠商均支援工業乙太網，並且他們在原有TCP/IP的基礎上，相繼開發出實時性更高的工業乙太網，如歐姆龍和羅克維爾支援的Ethernet/IP，施奈德支援的Modbus-TCP/IP以及西門子支援的ProfiNet等。由於Ethernet的資訊量大，因此在汙水處理廠自動化系統中乙太網主要用於各個控制分站與監控中心的資料傳輸，包括各種感測器資料等大量歷史資料資訊。
第二層為控制層，主要採用現場匯流排組成隧道區域控制器網路，其特點是由於採用了標準匯流排組網，既能滿足實時通訊的要求，又具有開放協議的標準介面，能在總線上方便的掛接各種外場裝置，有利於監控系統的擴充套件。目前，現場匯流排有40多種，在汙水處理廠自動化系統中應用的現場匯流排主要有ControllerLink、LonWorks、Inetrtbus、Profibus、Can和Modbus.他們的共同特點是高速、高可靠，適合PLC與計算機、PLC與PLC及其它裝置之間的大量資料的高速通訊。為使系統的穩定可靠，控制層的網路結構多采用環網的方式組成，包括線纜型和光纖作為傳輸介質，具體組網將在後面作出例項說明。
第三層為裝置層，這一層用於PLC與現場裝置、遠端I/O端子及現場儀表之間的通訊，它們有DeviceNet、Modbus以及Profibus/DP等，其中DeviceNet已經成為工業界的標準匯流排而得到了廣泛的應用，而Profibus/DP雖然沒有成為標準，但是它的應該也相當廣泛。
值得指出的是，近來年乙太網的廣泛應用使得人們把目光投向了現場總線上來，工業乙太網是否最終將取代現場匯流排仍然是一個爭論的話題。然而，不論是Ethernet/IP還是Modbus-TCP/IP，乙太網在一些重要的效能指標上仍然無法具有現場匯流排的特點和優勢。從本質上來講，乙太網的載波幀聽衝突監測CSMA/CD的訪問方式，實時性並沒有現場匯流排採用的令牌匯流排和令牌環的訪問方式高，不論人們採用何種方式，如協議封裝、分時訪問控制等，都只能改善乙太網的實時性，起不到本質的改變。在當前技術還未完全成熟之前，現場匯流排應用於控制層，是一個積極和穩妥的選擇。隨著乙太網技術的不斷髮展，今後其取代現場匯流排而用於控制層也是很有可能的。
監控分中心及上位監控軟體：
監控分中心一般將設定多臺SCADA工作站（工控機）。分別用於水廠排程系統、加藥間（加氯間）、濾站、送水泵房等監控，完成汙水廠內各種裝置的狀態顯示、自動控制、半自動控制、列印報警、分析報表等工作。同時，監控分中心還將設定了多臺伺服器，為其它計算機提供支援和與監控總中心進行通訊。
PLC的選擇：
施奈德（Schneider）、西門子（Siemens）、歐姆龍（Omron）、羅克維爾（Rockwell）、通用電氣（GE）是全球五大PLC製造廠商和整體方案的提供者，他們的產品面向各自不同的領域，其中在汙水處理自動化系統的應用方面，又以羅克維爾、歐姆龍和施奈德的應用最為廣泛。
汙水處理自動控制系統對PLC的效能提出了更高的要求，作為汙水處理自動控制系統的核心控制器，其必須具備以下幾大功能特點：首先本身必須穩定可靠，並具有預先處理資料和集中傳輸資料的能力，具有較高的故障保護能力；其次，控制分站本地控制器可以獨立承擔控制分割槽的基本控制任務，即使監控站或者監控中心因故障停止執行，相鄰區域的控制器也能交換資料資訊；再次，當某控制站的控制量出現變化時，可按預定方案和程式採取相應的演算法，對相關區域的控制物件，比如泵或者加藥系統等做出相應的調整。因此，它必須至少有如下功能模組，資料採集儲存處理功能（實現集中和獨立工作方式，尤其是在獨立控制時能與相鄰控制器實現資料交換）；通訊功能、容錯功能、自動診斷功能和本地操作功能（即能帶觸控式螢幕）。
必須綜合考慮整個監控系統的效能要求和自然條件以及運營週期對裝置的要求進行選擇，尤其在極端氣候和惡劣環境狀況條件下或較大規模的汙水處理廠，需要選擇效能更好的雙機熱備冗餘的PLC，如Schneider的2Quantom系列、Rockwell的2ControlLogix、Omron的CS1D系列、Siemens的S7-417系列；區別在於Omron的`雙系統是在一個底板上實現，而Siemens等是兩個底板透過光纖連線，會在一定程度上佔用控制櫃的空間，但他們的配置都很靈活，可以任意實現雙CPU雙電源、雙CPU單電源、單CPU單電源多種冗餘結構。
在一般的環境狀態的時候或較小規模的汙水處理廠，多采用標準的機型作為現場控制器，如Schneider的Quantom140系列、Rockwell的ControlLogix、Omron的CS1系列、Siemens的S7-400系列等；他們都支援工業乙太網和多種現場匯流排，控制方式採用遠端帶CPU的智慧分散式結構，系統開放性和相容性強，豐富的I/O及高功能模組，完全滿足汙水處理自動控制系統對訊號處理的要求。
三、應用案例
下面以天津咸陽路汙水處理廠為例[3]，具體說明汙水處理廠自動控制系統的組成，控制系統拓撲圖如圖一所示：
資訊層：咸陽路汙水處理系統因其分佈面積較大，廠區內共有5個PLC分站：預處理系統分控主站PLC1、生物處理系統分控主站PLC2、汙泥處理系統分控主站PLC3、出水及雨水系統分控主站PLC4和汙泥消化系統PLC5，使用的CPU均為OMRON的CS1H-CPU66H.該功能層實現汙水處理廠各單元過程所有過程引數、裝置執行狀態及電氣引數的資料採集，單元過程及裝置的控制，並透過OMRON網路模組CS1W-ETN21，和中央控制室透過赫斯曼太網交換機，組成100M光纖以太環網，向監控層傳送資料和接受監控層控制指令。在中控室中，作為工業乙太網結點的系統資料伺服器、兩臺工程師/操作員站計算機、印表機、UPS電源及監視屏等裝置，其主要職能是進行系統中的資訊交換與資訊顯示及控制。該層透過上位監控軟體實現對主要工藝裝置的控制和排程，對汙水處理全過程中的工藝引數進行資料採集、監控、最佳化和調整，對主要工藝流程進行動態模擬和趨勢分析、實時資料處理和實時控制，在控制組態上實現各種常規與複雜的最佳化控制、專家控制、模糊控制等先進的智慧控制。同時，功能強大與穩定的實時和歷史資料庫亦透過乙太網成為上下層間的資訊通道。汙水廠中控室控制站還透過RIAMBView和資訊中心、便攜計算機及廠外泵站（咸陽路泵站、密雲路泵站）等處進行遠端通訊，RIAMBView具備遠端資料服務（最適合SCADA）功能，透過寬頻接收或傳送相關資料，實現遠端對部分實時畫面、程序資料庫的訪問。
此外廠長辦公室計算機和資料庫伺服器組成的區域網即構成了廠區管理層。透過關係資料庫和相關的管理軟體，為決策者提供了各項生產及運營的排程管理所必須的資訊平臺。該層和過程監控層，與Internet接軌但有著較高的網路安全防護功能，僅授權的使用者等級可對程序資料庫進行訪問。
控制層：控制器網路（ControllerLink）是建立在一種令牌匯流排或者令牌環網路通訊協議上的通訊機制，它透過PLC上的CLK模組與其它站PLC上的CLK模組或計算機上的板卡相配合，在板卡之內建立一個數據交換區。該網可以採用雙絞線通訊電纜或者多模光纜通訊，線纜其最大通訊速率為2M，最大距離達1km，光纜通訊速率為2M，最大通訊距離為30KM.本系統中，預處理系統分控主站PLC1包括進水泵房、沉砂池，同時透過控制器網路匯流排串接到其下三個初沉池、初沉汙泥泵房分站（PLC1-1、PLC1-2、PLC1-3）；生物處理系統分控主站PLC2包括：鼓風機房、加氯間，同時透過ControllerLink匯流排串接到其下五個二沉池、曝氣池、迴流泵房分站（PLC2-1、PLC2-2、PLC2-3、PLC2-4、PLC2-5）。所有控制器網路子站所用CPU型號均為CS1H-CPU44H.
汙水處理流程中的各檢測儀表均為線上式智慧儀表，變送器均帶有數字顯示裝置並透過可編程式控制器（PLC）的介面傳送標準的模擬、數字訊號。
系統特點：
1、高可靠與高穩定性：環形冗餘乙太網方案的出現則保證了系統更高的可靠性，單一點的鏈路中斷不會造成網路通訊的中斷；而控制器網路作為OMRON專用的，能在CS系列PLC或上位工控機之間建立靈活方便的傳送和接收大量資料的工廠自動控制網路，與自控系統在通訊方面有極高的穩定性。充分體現了集中管理分散控制的原則，也保證了高可靠與高穩定性。與此同時，omron基於工業乙太網的FINS（FactoryInterfaceNetworkService）通訊服務（FINS通訊服務功能），即使在通訊負擔較大的環境下，仍可保持高穩定性的通訊效果。除網路部分外，自控系統透過下列技術與工程措施，也確保了系統的長期穩定可靠運性：整個系統選用符合工業級標準的成熟定型產品；PLC模組具有自診斷（檢錯）與容錯功能；PLC控制櫃內具有完善的抗干擾及防雷等技術措施；中控室及現地控制站裝置均具備供電冗餘功能；即使在上位機發生故障或通訊中斷時，現地控制站亦可以在手動模式下獨立完成基本區域性控制；
2、高擴充套件性：工業乙太網具有向下相容性。對於雙絞線或光纖介質，如果將傳輸速度從10Mbps提升到100Mbps，在大多數場合不需要改變現有的佈線，只需更新網路裝置即可。同樣，如果將本系統主幹網從100Mbps乙太網提升到千兆乙太網，只需升級網路傳輸裝置，而無需重新鋪設光纜；
3、開放性：系統對使用者是開放的。裝置的增減、控制方案的選取、系統的擴縮與維護等，使用者都可以在廣泛的裝置環境下便利地自己完成。所有硬體介面，軟體協議全部按開放性的標準設計、編制。此外OMRON序列口的協議宏功能，使得開發方不需要編寫專門的通訊程式與第三方裝置進行通訊，原則上OMRONPLC能和任何帶RS-232C，RS-422或RS-485介面的裝置進行通訊。
4、操作的實用性：組太軟體和程式設計軟體都是全中文介面，豐富的圖畫功能，使使用者清晰的瞭解汙水處理廠各工段的執行情況，故障報警點的分支細節，使操作員僅透過滑鼠便可釋出各種指令或換畫面；使用者還可透過上位機的網路訪問網路內任一節點的資料，梯形監控工具亦可以監控工業乙太網甚至控制器網路內各站PLC梯形圖程式，而不需要現場操作，實現真正的無縫連線。
四、結束語
當時我國汙水處理廠自動化系統的設計和實施正處於一個成長的時期，系統的需求、設計、結構以及系統的控制仍然存在不完善的地方，同時技術的發展也給汙水處理自動化系統的改進創造了條件和基礎，也使建設合理的監控系統成為可能。
從系統的需求來看，一方面要兼顧系統的穩定、可靠與可控，也要反映系統的先進、經濟與可擴充套件，同時也要使操作便捷與維護方便；另一方面，針對不同的區域條件和功能要求確定系統的規模和冗餘度的大小，確定系統的合理整合方式、系統網路的構成與拓撲結構形式以力求系統的可靠性、穩定性、先進性與經濟性的有機結合；從系統的設計來看，除考慮系統的規模和設計方法外，也要考慮新技術的應用，使整個系統既先進又實用；從系統的結構來看，當前我國普遍採用三級汙水處理廠管理和分散式現場匯流排控制方式，事實上，主從式結構的現場匯流排如Profibus，由於系統的可靠性受主控制器的制約，並不適用於全分散式現場匯流排控制，採用對等的自愈網路是今後的一個發展趨勢；從系統的控制來看，當前我國汙水處理廠監控存在著只監不控，或監強控弱的現象，各種控制資訊沒有得到很好利用，對於汙水處理廠控制，要針對不同現象，採用不同的控制方法。
今後我國的汙水處理廠監控系統的發展是，在原有基礎上，按照監測與控制適當分離、最大限度的集中監測、靈活機動的現場控制的總體思想，逐步改進，使得汙水處理廠自動化系統的建設更趨合理。
參考文獻：
[1]喬叢等，關於國內汙水處理及CASS工藝自動控制技術的初步探討，儀器儀表標準化與計量，2007.3
[2]藍海濤，汙水處理廠自動監控系統的設計，電腦與資訊科技，2005.6
[3]王巖，天津咸陽路汙水處理廠自控系統，變頻器世界，2005.4