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    活動鏈接：2013年控制網(wǎng)技術(shù)專題---引領(lǐng)水工業(yè)智能化新時代 

   摘要：本文針對城鎮(zhèn)污水處理的特點和控制要求，設(shè)計了一個基于貝加萊PCC和以太網(wǎng)的污水處理監(jiān)控系統(tǒng)，論述了系統(tǒng)的組成和工作原理。各控制站對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且使用工控機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。實際運行結(jié)果證明，該方案控制結(jié)果良好，達(dá)到了污水處理標(biāo)準(zhǔn)，為城市污水處理監(jiān)控高效化提供了良好的基礎(chǔ)。

    關(guān)詞鍵：可編程計算機(jī)控制器；以太網(wǎng)；污水處理；監(jiān)控系統(tǒng)

    引言

    隨著計算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展和自動化水平的不斷提高，越來越多的工廠采用分布式控制，集中信息管理的控制模式。對污水處理廠運用集散控制系統(tǒng)模型可以最大限度提高污水處理廠運行可靠性，提高出水水質(zhì)，降低能耗和工人勞動強(qiáng)度，達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。可編程計算機(jī)控制器（Programmable Computer Controller，簡稱PCC）以其高可靠性、編程方便、耐惡劣環(huán)境、功能強(qiáng)大等特性已成為工業(yè)控制領(lǐng)域中增長速度最迅猛的工業(yè)控制設(shè)備，它能很好地解決工業(yè)控制領(lǐng)域普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等問題[5]。本文以蘭州某縣的污水處理為例，介紹了基于貝加萊PCC和以太網(wǎng)的污水處理自動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。PCC通過以太網(wǎng)與現(xiàn)場被控制設(shè)備建立通信，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和對現(xiàn)場設(shè)備的自動控制。

    1 污水處理流程

    該污水處理廠日處理污水量為5.0萬m3/d，出水標(biāo)準(zhǔn)要求實現(xiàn)國家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級B標(biāo)準(zhǔn)，對污水進(jìn)行三個階段的處理。一級處理，主要去除污水中呈懸浮狀態(tài)的固體污染物質(zhì)，經(jīng)過一級處理的污水，BOD一般可去除30%左右，達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)。一級處理屬于二級處理的預(yù)處理。二級處理，主要去除污水中呈膠體和溶解狀態(tài)的有機(jī)污染物質(zhì)（BOD，COD物質(zhì)），去除率可達(dá)90%以上，使有機(jī)污染物達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)[1]。三級處理，進(jìn)一步處理難降解的有機(jī)物、氮和磷等能夠?qū)е滤w富營養(yǎng)化的可溶性無機(jī)物等。處理工藝采用CASS池工藝生化處理，尾水達(dá)標(biāo)后排入黃河。污泥處理采用機(jī)械濃縮脫水處置工藝泥餅外運衛(wèi)生填埋，污水處理流程如圖1所示。

                    
                                    圖1 污水處理流程圖

   2 系統(tǒng)控制方案

   2.1 系統(tǒng)工藝分析

   在沉淀池單元，利用超聲波液位變送器、提升泵和PCC構(gòu)成了一個控制回路。液位變送器將液位變化轉(zhuǎn)化成信號傳送給PCC，然后PCC根據(jù)信號做出相應(yīng)的反饋給變頻器，通過PID控制電磁閥來調(diào)整泵電機(jī)的頻率和啟停臺數(shù)，以此控制沉淀池單元的水量。

   CASS池單元是整個處理工藝的核心單元。本系統(tǒng)在傳統(tǒng)CASS池的前端增加了一個生物選擇區(qū)（缺氧運行），采用雙池進(jìn)水，循環(huán)周期采用6小時，CASS池每日按4個周期運行，時段分配為：進(jìn)水/曝氣/回流4.0小時；靜止沉淀1.0小時；潷水閑置(排泥) 1.0小時。

   PCC通過CASS池中的PH值、氧化還原電位、溶解氧、混合液懸浮固體濃度以及電導(dǎo)率值等參數(shù)的變化，做出相應(yīng)的反饋信號傳送給泵、變頻器和電動閥，變頻器通過PID方式控制鼓風(fēng)機(jī)組，保持管內(nèi)壓力恒定。通過泵、鼓風(fēng)機(jī)的啟停和調(diào)整電動閥的開度來實現(xiàn)CASS池污水處理工藝的自動控制，使其達(dá)到最佳處理狀態(tài)。

    2.2 污水處理控制方案

   根據(jù)污水廠的分布情況，共設(shè)有三個PCC現(xiàn)場控制站，分別設(shè)置在三個位置。

   （1）粗格柵及污水提升泵房控制室，實現(xiàn)對所有現(xiàn)場在線儀表的數(shù)據(jù)采集，負(fù)責(zé)粗格柵及污水提升泵房、細(xì)格柵及沉砂池、配水井、進(jìn)廠水水質(zhì)的設(shè)備控制及數(shù)據(jù)采集。

    （2）變配電室控制室，負(fù)責(zé)鼓風(fēng)機(jī)房、CASS反應(yīng)池、接觸池、加氯間、出廠水水質(zhì)的設(shè)備控制及數(shù)據(jù)采集。；

    （3）污泥脫水機(jī)房控制室，負(fù)責(zé)貯泥池、污泥脫水機(jī)房、沖洗水池的設(shè)備控制及數(shù)據(jù)采集。

    其中變配電室現(xiàn)場控制站還包括四個遠(yuǎn)程站，分別設(shè)置在CASS反應(yīng)池潷水器附近。在工藝流程各個環(huán)節(jié)中設(shè)置了完整的全過程檢測儀表，如流量、液位、壓力、PH、溶氧儀等檢測儀表，確保對工藝全過程運行狀態(tài)、水量、水質(zhì)的監(jiān)控，滿足各環(huán)節(jié)的自動控制需要^[2]。

   自動控制系統(tǒng)采用開放的分布式控制系統(tǒng)，整個污水廠自控系統(tǒng)由中央控制室操作員站、現(xiàn)場PCC控制站和現(xiàn)場儀表組成。中央控制室操作員站和現(xiàn)場PCC控制站之間通過工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)接，數(shù)據(jù)和參數(shù)可以在PCC與中央控制室管理站之間相互傳送^[3]；PCC控制站和現(xiàn)場儀表之間通過現(xiàn)場總線和4～20mA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；電機(jī)控制中心MCC控制站通過PCC控制站的輸入輸出模塊和PCC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

                 
                                 圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

    在PCC現(xiàn)場控制站上，配置了帶TCP/IP接口的通訊模塊，以便和中央控制站通訊。另外還提供可編程的串口，以便與第三方智能串口設(shè)備進(jìn)行通訊。PCC現(xiàn)場控制站將監(jiān)視和控制污水處理的整個生產(chǎn)過程，并通過通訊網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控計算機(jī)及其它現(xiàn)場控制設(shè)備進(jìn)行通訊。中控室能夠觀察到一些重要的運行狀態(tài)和工藝參數(shù)，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行操作及控制參數(shù)的設(shè)置和修改。考慮到方便、安全調(diào)試和運行以及緊急情況，整個系統(tǒng)主要機(jī)械設(shè)備的控制采用就地手動控制、自動控制、中央控制站遙控的三層控制模式；其它設(shè)備采用現(xiàn)場控制、中央控制的兩層控制模式。

   2.3 硬件設(shè)計

    上位機(jī)硬件系統(tǒng)配置監(jiān)控計算機(jī)為兩臺研華工控機(jī)P4，其性能穩(wěn)定，可靠，性價比高。因為該廠以前使用西門子產(chǎn)品，擁有SIMATIC WINCC 6.0軟件，因此為了減少不必要的成本，采取OPC技術(shù)來負(fù)責(zé)PCC和WINCC軟件的數(shù)據(jù)通訊，主要實現(xiàn)對污水處理各工藝參數(shù)的檢測與控制。

   下位機(jī)系統(tǒng)采用三臺貝加萊X20高性能X20CP1485控制器，自帶以太網(wǎng)，和RS232或CAN通訊接口，其處理頻率達(dá)到Celeron 400MHz，達(dá)到400US任務(wù)執(zhí)行時間。通過編制控制程序，對現(xiàn)場控制站I/O模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析、運算并相應(yīng)輸出結(jié)果。自帶以太網(wǎng)接口實現(xiàn)與監(jiān)控中心數(shù)據(jù)通訊，采用容易擴(kuò)展X20 I/O單元，采集遠(yuǎn)程設(shè)備數(shù)據(jù)信號。結(jié)構(gòu)緊湊，功能齊全，性價比高，安裝方便^[4]。

   根據(jù)上述控制內(nèi)容和工藝要求，控制系統(tǒng)要完成對系統(tǒng)參數(shù)的檢測、控制、報警和自動生成報表等功能。因為本監(jiān)控系統(tǒng)采集和控制點數(shù)非常多，為了實現(xiàn)系統(tǒng)正常、穩(wěn)定、安全、高效的運行，系統(tǒng)以工業(yè)以太網(wǎng)鏈接為主干網(wǎng)；局部采用RS 485主從式鏈路的局域網(wǎng)形式。上位機(jī)通過100M Ethernet，采用TCP/IP協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行信息傳輸。 通過上位機(jī)與主控單元實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的實時監(jiān)視和控制，實踐表明，系統(tǒng)由很好的運行結(jié)果。

    2.4 軟件設(shè)計

   貝加萊的PCC控制器采用分時多任務(wù)操作系統(tǒng)，可將控制要求分成多個任務(wù)并且在一個掃描周期內(nèi)同時執(zhí)行。系統(tǒng)軟件使用Automaton Studio，它支持標(biāo)準(zhǔn)的C、Basic、梯形圖、指令表、順序結(jié)構(gòu)圖等6種標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)語言，提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運算和處理能力。同時編程環(huán)境中包含豐富的函數(shù)庫及功能塊,大大減輕了開發(fā)人員的工作量。本系統(tǒng)使用高級語言C進(jìn)行編程，其運算時間快，而且容易實現(xiàn)模塊化編程。加上PCC的分時多任務(wù)系統(tǒng)，可以使控制更加快速和精確，以達(dá)到更好的控制目標(biāo)。

   Automation Studio對所有自動化系統(tǒng)完成集成和配置任務(wù)并且能準(zhǔn)確地識別硬件組件，提供直觀精確的診斷功能，遠(yuǎn)程診斷功能、開放式接口。它的硬件和軟件都是模塊化的，可以根據(jù)控制需要組合成污水處理的專用控制系統(tǒng)，并具有靈活自由的聯(lián)網(wǎng)和擴(kuò)展能力。所有的模塊（包括液位控制模塊、溫度控制模塊等智能模塊）通過一個系統(tǒng)總線進(jìn)行連接通訊，中間沒有接口，并且還具有分時多任務(wù)操作系統(tǒng)，可以設(shè)定程序循環(huán)周期。例如該系統(tǒng)就針對不同的控制要求采用了三種不同的循環(huán)時間，這樣系統(tǒng)控制就可以分時實現(xiàn)各自的控制目標(biāo)，使CPU的利用率達(dá)到最高。

   Automation Studio是確保透明性的研發(fā)過程和機(jī)器高效運行的安全性保障。系統(tǒng)的程序流程如圖3所示。
  
                  
                                       圖3 系統(tǒng)程序流程圖

   3 控制系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計 

    為了減少成本，上位機(jī)軟件采用使用已有的西門子公司的WinCC V6.0版本。WinCC專門為過程控制和現(xiàn)場監(jiān)控開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)軟件。在組態(tài)時充分利用其強(qiáng)大的上下位全集成功能，節(jié)約了開發(fā)時間并增強(qiáng)了系統(tǒng)的透明訪問度。

   WinCC V6.0可以通過OPC技術(shù)與貝加萊PCC進(jìn)行通訊。首先要設(shè)置好貝加萊OPC服務(wù)器相應(yīng)的配置，接著在WinCC的變量管理器中添加OPC驅(qū)動程序，選擇好變量類型，然后就可以將已經(jīng)存在的OPC變量添加到WinCC中[6]。這樣WinCC同時可以直接集成三個PCC站上的所有I/O點和程序中的變量，省去了程序上大量的數(shù)據(jù)交換，減輕了調(diào)度PCC的負(fù)荷。

   操作員站的兩臺工控機(jī)作為冗余服務(wù)器，支持TCP／IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在組態(tài)服務(wù)器時，系統(tǒng)會要求將兩臺服務(wù)器中的一臺定為缺省主機(jī)，另一臺為冗余伙伴服務(wù)。在缺省主機(jī)上創(chuàng)建工程項目，并對該項目進(jìn)行組態(tài)，建立與各PCC連接的驅(qū)動程序，在各個驅(qū)動程序下建立驅(qū)動連接以及過程變量，歸檔變量記錄和報警記錄，創(chuàng)建過程畫面等^[7]。

   在監(jiān)控畫面中,可以實現(xiàn)自動控制調(diào)節(jié)中的手動/自動切換、給定值輸入、參數(shù)輸入等功能，使操作人員操作管理很方便。利用此軟件可以完成監(jiān)視器顯示所需的現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控畫面。如系統(tǒng)狀態(tài)圖、硬件報警、工藝報警、模擬量趨勢、對比趨勢、操作日志、報表輸出等。可直觀、動態(tài)地顯示出現(xiàn)場各部位重要參數(shù)的變化。以系統(tǒng)監(jiān)控總畫面和進(jìn)水泵畫面為例，如圖4和5所示。
  
                   
                                圖4 監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面

                 
                   
                               圖5 監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)水泵界面

   4 結(jié)束語 

   本污水監(jiān)控系統(tǒng)集PCC技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)庫管理于一體，采用分散控制、集中管理、綜合監(jiān)控的模式，準(zhǔn)確掌握了污水處理各項工藝指標(biāo)，快速監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，降低了現(xiàn)場操作人員及生產(chǎn)管理者的勞動強(qiáng)度，大大提高了污水在線監(jiān)測的自動化程度。在采用技術(shù)和軟硬件選型上，通過合理的方案配置使污水處理監(jiān)測系統(tǒng)達(dá)到最佳的性能價格比。

   參考文獻(xiàn)

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[2] 鄭興燦. 城市污水處理技術(shù)決策與典型案例[M].中國建筑工業(yè)出版社，2007.
[3] 商建鋒，馬承先.PCC在水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用, 2008，27(24):71-73.
[4] 曹麗婷,田景文,黃桂林.PLC和組態(tài)軟件在污水處理遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓，2008，7(3):202—205.
[5] 齊蓉，肖維榮.可編程計算機(jī)控制器技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2005，11.
[6] 趙紅忠, 秦小州. SBR污水處理工藝及自動化控制[J].電氣自動化，2003，25(2):31-34
[7] 王加倫. PCC控制技術(shù)在煉油廠污水處理裝置上的應(yīng)用[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報，2005，3(1):66-69.

  第一作者簡介：鄭卓,女, 1968 年12 月出生, 工學(xué)碩士，2009年畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院，現(xiàn)任甘肅聯(lián)合大學(xué)理工學(xué)院講師，主要研究方向為現(xiàn)場總線。