前言

　　近數(shù)十年來，自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣泛，應(yīng)用程度也更加深入。自動(dòng)化技術(shù)的普遍應(yīng)用，極大地把人類從繁雜的體力勞動(dòng)和不安全的工作環(huán)境中解放出來，顯著地改善了人類的工作環(huán)境和提高了人類的生活質(zhì)量。不僅如此，自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，還明顯地增強(qiáng)了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力，使企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和在各個(gè)領(lǐng)域的滲透，使基于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展到了一個(gè)新的水平，并展示出了強(qiáng)勁的生命力和應(yīng)用前景。特別是信息時(shí)代的到來、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和迅速普及，給自動(dòng)化技術(shù)提出了新的要求和展示了新的應(yīng)用前景?？梢韵嘈?，基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自動(dòng)控制技術(shù)將是今天和明天的應(yīng)用主流。

　　在總體技術(shù)上與其他的西方國家相比，中國的自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域是一個(gè)起步較晚、水平相對(duì)落后但發(fā)展較快的一個(gè)國家。自動(dòng)化技術(shù)在我國的應(yīng)用，已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。為了進(jìn)一步增強(qiáng)國家的實(shí)力和與發(fā)達(dá)國家競(jìng)爭(zhēng)，我們還必須進(jìn)一步加強(qiáng)自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)研究和深化應(yīng)用程度。

　　1 污水處理廠的項(xiàng)目建設(shè)總體原則

　　污水處理廠頂上建設(shè)總體原則有如下幾條：

　　·實(shí)用性。以解決現(xiàn)實(shí)問題為主，堅(jiān)持為領(lǐng)導(dǎo)決策服務(wù)，又為經(jīng)營(yíng)管理服務(wù)，為生產(chǎn)建設(shè)服務(wù)。

　　·先進(jìn)性。采用成熟的技術(shù)，兼顧未來的發(fā)展趨勢(shì)，及量力而行，又適當(dāng)超前，留有發(fā)展余地。

　　·可擴(kuò)展性。系統(tǒng)便于擴(kuò)展，以保護(hù)前期投資的有效性和后續(xù)投資的連續(xù)性。

　　·經(jīng)濟(jì)性。以節(jié)約成本為基本出發(fā)點(diǎn)，建立一個(gè)運(yùn)行可靠、滿足公司實(shí)際需求的監(jiān)控系統(tǒng)。

　　·易用性。系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、直觀，以利于各個(gè)層次的人員使用。

　　·可靠性。確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行，在關(guān)鍵部分應(yīng)有安全和容錯(cuò)措施。

　　·可管理性。系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、器件、設(shè)備等的選型都必須考慮到系統(tǒng)的可管理性和可維護(hù)性。

　　·開放性。采用符合國際標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，保證系統(tǒng)具有開放性特點(diǎn)。

　　2 兩個(gè)城市污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

　　2.1 結(jié)構(gòu)形式一

　　中央控制室和廠區(qū)三個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站之間以一個(gè)冗余的100Mbps光纖工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)組成一個(gè)有線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)控制站在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工藝檢測(cè)參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行工況信號(hào)的采集、檢測(cè)和控制，并通過該站的人機(jī)界面對(duì)設(shè)備運(yùn)行操作，同時(shí)向中央控制室進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送。中央控制室可監(jiān)視各現(xiàn)場(chǎng)站的全部運(yùn)行信息，在中央控制室可通過上位計(jì)算機(jī)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的啟動(dòng)和停止。

　　現(xiàn)場(chǎng)控制站在與設(shè)備自帶的PLC通訊時(shí)，采用Profibus_FMS的方式，其通訊介質(zhì)為屏蔽雙絞線，其通訊速率最大可達(dá)1.5Mbit/s。

　　現(xiàn)場(chǎng)控制站采用西門子S7 400 PLC，CPU采用4163DP高檔CPU，具有運(yùn)算速度快，資源豐富等優(yōu)點(diǎn)。-計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件采用西門子WINCC，它具有畫面顯示、趨勢(shì)曲線、報(bào)警處理、報(bào)表處理、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)上瀏覽等功能。-整個(gè)自控系統(tǒng)體現(xiàn)了西門子全廠一體化的先進(jìn)自控理念，并且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完全符合現(xiàn)場(chǎng)總線的國際標(biāo)準(zhǔn)。

　　該模式布置如下所示：

　　　2.2 結(jié)構(gòu)模式二

　　下面一個(gè)系統(tǒng)采用了當(dāng)前國際先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了污水處理廠的測(cè)、控、管、信息一體化。

　　該模式布置如下所示：

　　3 城市污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)各個(gè)部分的分析

　　3.1 污水預(yù)處理系統(tǒng)/進(jìn)水泵房

　　該P(yáng)LC工作站設(shè)在廠區(qū)進(jìn)水提升泵房控制室，負(fù)責(zé)監(jiān)控污水處理廠的預(yù)處理工段。其主要控制對(duì)象為粗格柵間的粗格柵及進(jìn)水電動(dòng)閘門、進(jìn)水泵房的污水提升泵、沉砂池的排砂裝置和砂水分離等設(shè)備，此外，還負(fù)責(zé)進(jìn)水水質(zhì)如pH、SS(濁度測(cè)量)等參數(shù)的在線檢測(cè)。

　　3.2 生物處理系統(tǒng)/配電中心

　　該P(yáng)LC工作站一般設(shè)在全廠的配電中心控制室，負(fù)責(zé)監(jiān)控污水生物處理工段。其主要控制對(duì)象為生物池的水下攪拌器、水下推進(jìn)器和曝氣設(shè)備，污泥回流泵房的污泥回流泵、剩余污泥泵，二沉池的刮吸泥機(jī)等設(shè)備。此外，其還負(fù)責(zé)生物池DO、ORP、MLSS；污泥泵房pH、MLSS，配電中心的電氣參數(shù)如：電流、電壓、有功功率，無功功率、有功電能、無功電能等參數(shù)的在線檢測(cè)。

　　若污水廠生物池采用鼓風(fēng)曝氣時(shí)，在系統(tǒng)中還需增設(shè)鼓風(fēng)機(jī)房PLC工作站，一般情況下工作站設(shè)在鼓風(fēng)機(jī)房配電間控制室，負(fù)責(zé)監(jiān)控鼓風(fēng)機(jī)及其輔助設(shè)備的運(yùn)行及風(fēng)量的調(diào)節(jié)。

　　3.3 污水消毒系統(tǒng)/出水泵房

　　該P(yáng)LC工作站設(shè)在出水泵房控制室。其主要控制對(duì)象為出水提升泵、切換井電動(dòng)閥門以及加氯消毒等設(shè)備，此外其還負(fù)責(zé)出水水質(zhì)如：余氯、COD、流量等參數(shù)的在線檢測(cè)。

　　3.4 污泥處理系統(tǒng)/脫水車間

　　該P(yáng)LC工作站一般設(shè)在脫水車間配電間控制室，負(fù)責(zé)監(jiān)控污泥處理工段。其主要控制對(duì)象為儲(chǔ)泥池的攪拌器、電動(dòng)閥門，脫水車間的進(jìn)泥泵、脫水機(jī)、濃縮機(jī)、加藥系統(tǒng)等設(shè)備

　　4 層次化管理模式分析

　　4.1 集中監(jiān)視操作層

　　該層一般設(shè)在綜合樓或配電中心的中心控制室，由兩臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和輸入/輸出設(shè)備等組成。在中心控制室設(shè)置大屏幕投影儀或模擬屏，以使值班人員更清晰地監(jiān)視全廠的生產(chǎn)實(shí)況。

　　4.2 廠區(qū)生產(chǎn)管理層

　　該層由中、高檔計(jì)算機(jī)終端擔(dān)當(dāng)?shù)墓S自動(dòng)化綜合服務(wù)系統(tǒng)和辦公自動(dòng)化系統(tǒng)組合而成，負(fù)責(zé)有關(guān)的生產(chǎn)管理、成本控制、質(zhì)量管理、人事管理、財(cái)務(wù)管理等方面的綜合處理，達(dá)到優(yōu)化組合的目標(biāo)。

　　為使廠部管理人員更好、更直接地了解全廠生產(chǎn)情況，在廠部一般設(shè)置4個(gè)計(jì)算機(jī)終端，即廠長(zhǎng)辦公室、總工程師辦公室、化驗(yàn)室和廠務(wù)辦公室計(jì)算機(jī)終端作為廠部生產(chǎn)管理層。

　　4.3 公司調(diào)度層

　　公司調(diào)度系統(tǒng)負(fù)責(zé)全區(qū)域污水處理廠的生產(chǎn)調(diào)度及與其他管理部門或行政主管部門的聯(lián)系，其對(duì)內(nèi)通過對(duì)各污水廠的監(jiān)控來協(xié)調(diào)各廠的生產(chǎn)，對(duì)外可與其他行業(yè)及各級(jí)行政主管部門進(jìn)行通信交換信息。

　　4.4 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　在污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)的各層之間、各PLC工作站之間都是通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接的，通過網(wǎng)絡(luò)的物理介質(zhì)進(jìn)行通信及信息交換。綜合比較常用網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合城市污水廠的實(shí)際情況，一般污水處理廠廠區(qū)面積都不是很大，最長(zhǎng)的站點(diǎn)距離為1km左右，工控網(wǎng)的站點(diǎn)為4～7個(gè)，管理網(wǎng)的站點(diǎn)為3～5個(gè)，同時(shí)污水處理廠都又存在擴(kuò)建、改造、增加或減少PLC工作站的可能，我們?cè)谠O(shè)計(jì)工控網(wǎng)時(shí)采用總線網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其特性能滿足工業(yè)控制實(shí)時(shí)性高、擴(kuò)展靈活、方便的要求。對(duì)于管理網(wǎng)由于其實(shí)時(shí)性要求不高，同時(shí)對(duì)其網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算機(jī)終端的確切數(shù)量及今后的發(fā)展無法準(zhǔn)確估算，在設(shè)計(jì)中管理網(wǎng)絡(luò)都采用星型結(jié)構(gòu)以滿足靈活性好、擴(kuò)展維護(hù)方便的要求。

　　4.5 三網(wǎng)絡(luò)通信

　　污水廠自動(dòng)化系統(tǒng)通常采用三級(jí)或四級(jí)子網(wǎng)構(gòu)成復(fù)合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，要求我們?cè)诟骷?jí)子網(wǎng)中都配置不同的通信協(xié)議，以適應(yīng)不同的通信要求。由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量控制層傳遞過程數(shù)據(jù)及控制命令，這種信息很短，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，我們采用周期“I/O”方式通信。其采用的主協(xié)議大多為塌縮結(jié)構(gòu)，只有物理層、鏈路層及應(yīng)用層，而且大多為各PLC公司的專用協(xié)議。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按選擇的PLC型號(hào)配置其通信協(xié)議。

　　集中監(jiān)視操作層主要負(fù)責(zé)傳遞監(jiān)控信息，信息長(zhǎng)度居于過程數(shù)據(jù)與管理信息之間，對(duì)實(shí)時(shí)性要求也比較高，其通信協(xié)議常用令牌方式控制通信，通信速率為1～100Mb/s。在廠部及公司管理層，由于其需要進(jìn)行PLC網(wǎng)的互聯(lián)，PLC網(wǎng)與其他局域網(wǎng)的互聯(lián)，因此，在這兩層中一般采用開發(fā)性能好的通用協(xié)議。

　　個(gè)人計(jì)算機(jī)或PLC工作站在加入不同級(jí)別的子網(wǎng)時(shí)，必須按所連入的子網(wǎng)配置通信模板，并且應(yīng)按該級(jí)子網(wǎng)配置的通信協(xié)議編制用戶通信程序。

　　4.6 系統(tǒng)軟件

　　在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、操作和維護(hù)方面，網(wǎng)絡(luò)軟件、支撐軟件、工具軟件和應(yīng)用軟件起著極其重要的作用，作為工業(yè)控制用軟件我們認(rèn)為其必須能滿足以下的性能和功能方面的要求。

　　污水廠自動(dòng)化系統(tǒng)軟件應(yīng)是能支持系統(tǒng)資源共享，適用于不同的計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)，支持實(shí)時(shí)多任務(wù)、多用戶、多處理性能，支持中文字庫，支持網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，具有良好的組態(tài)功能和組態(tài)方式，友好的人機(jī)界面，支持多種數(shù)據(jù)庫操作和格式化，支持多媒體，支持系統(tǒng)冗余，有較高的可靠性、實(shí)時(shí)性，具有良好的開放性和通用性等。

　　污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)軟件必須具有以下功能：數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、信息管理、報(bào)表、趨勢(shì)分析、登錄、動(dòng)態(tài)模擬、報(bào)警和事件窗口、自診斷、歷史數(shù)據(jù)處理、在線組態(tài)和安全管理功能等。

　　應(yīng)用軟件通常是由系統(tǒng)集成商根據(jù)污水處理廠的工藝設(shè)計(jì)及使用要求，在系統(tǒng)軟件、支撐軟件平臺(tái)上組態(tài)完成的程序。其屬于非標(biāo)產(chǎn)品，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的可用性、安全性，在某種意義上，應(yīng)用軟件的好壞將會(huì)影響操作人員對(duì)工作、網(wǎng)絡(luò)和組織的感受。

　　4.7 系統(tǒng)硬件

　　系統(tǒng)硬件包括站點(diǎn)硬件和網(wǎng)絡(luò)硬件兩大類，由于污水處理廠生產(chǎn)過程緩慢、無自動(dòng)化也可生產(chǎn)的特點(diǎn)，一般常用的PLC產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，個(gè)人計(jì)算機(jī)等在可靠性指標(biāo)MTBF(平均無故障間隔時(shí)間)、技術(shù)參數(shù)等方面一般都能滿足污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)的使用要求。由此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中充分考慮軟/硬件相匹配、性價(jià)比高等原則選擇系統(tǒng)硬件。

　　5 污水處理廠系統(tǒng)構(gòu)成拓?fù)鋱D

　　5.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D及其構(gòu)成

　　　　該裝置采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，分站用可編程控制器(PLC)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。軟件為采用太力信息產(chǎn)業(yè)有限公司的ISynall平臺(tái)開發(fā)的專用軟件包。

　　5.2 人機(jī)界面及功能

　　人機(jī)界面是操作者和系統(tǒng)交互聯(lián)系的平臺(tái)，它直接面向操作者，是用戶認(rèn)識(shí)評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)的首要部分。本系統(tǒng)采用在WINDOWS環(huán)境下運(yùn)行的ISynall軟件包它把實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的各種信息量以圖形、文字、畫面的方式有機(jī)地結(jié)合在一起，立體感強(qiáng)，操作簡(jiǎn)便，直觀舒適。操作者可用鼠標(biāo)完成對(duì)軟件的全部操作，包括菜單選擇、畫面切換、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)前/后翻頁、報(bào)表生成及打印、故障查詢及復(fù)位、文件管理、參數(shù)設(shè)定等等，每頁圖形均固定有即時(shí)報(bào)警信息欄、向上翻頁、回到主菜單、打開報(bào)警顯示屏，操作人員姓名注冊(cè)顯示、故障/維修/模擬報(bào)警實(shí)時(shí)顯示等功能。本軟件包采用的是全中文界面更有利于操作者進(jìn)行操作。

　　5.3 自動(dòng)控制過程

　　1、進(jìn)水泵 2、粗格柵 3、細(xì)格柵 4、刮砂橋和砂泵 5、進(jìn)水流量和pH計(jì) 6、水下推進(jìn)器 7、羅茨鼓風(fēng)機(jī) 8、回流污泥泵 9、二沉池刮泥橋和浮渣泵 10、剩余污泥泵

　　5.4 系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)

　　該自動(dòng)控制系統(tǒng)完全能夠滿足工藝運(yùn)行需要，保證日處理水量、水質(zhì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。由于生產(chǎn)需要，本系統(tǒng)必須24h連續(xù)運(yùn)行，因此，對(duì)設(shè)備從選型到安裝，從使用到維護(hù)管理都提出了較高要求。

　　6 結(jié)束語

　　污水廠自動(dòng)化系統(tǒng)從理論上來講是一個(gè)完整的、開放的系統(tǒng)，但在實(shí)際設(shè)計(jì)及工程實(shí)施過程中也存在一些問題。特別是一些大型設(shè)備如鼓風(fēng)機(jī)、離心脫水機(jī)、高壓配電系統(tǒng)綜合智能保護(hù)裝置等，其控制系統(tǒng)由設(shè)備配套帶來，一般情況下自成網(wǎng)絡(luò)，是各自分離的自動(dòng)化孤島，使日后的自動(dòng)化運(yùn)行、管理、維護(hù)及再開發(fā)變得很困難。如何在工程設(shè)計(jì)及招投標(biāo)中協(xié)調(diào)好各子控制系統(tǒng)，使之能夠與中心控制室的主控機(jī)實(shí)現(xiàn)安全開放的網(wǎng)絡(luò)通信并滿足工業(yè)控制實(shí)時(shí)性的要求，是今后在工程設(shè)計(jì)中需要進(jìn)一步研究的新課題。

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