論述與分析城市污水處理廠自動化系統(tǒng)的結構形式
前言
近數(shù)十年來，自動化技術的應用范圍越來越廣泛，應用程度也更加深入。自動化技術的普遍應用，極大地把人類從繁雜的體力勞動和不安全的工作環(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量。不僅如此，自動化技術的應用，還明顯地增強了企業(yè)的競爭能力，使企業(yè)在激烈的市場競爭中立于不敗之地。
隨著計算機技術的快速發(fā)展和在各個領域的滲透，使基于計算機軟硬件技術的自動化技術發(fā)展到了一個新的水平，并展示出了強勁的生命力和應用前景。特別是信息時代的到來、計算機網(wǎng)絡技術的成熟和迅速普及，給自動化技術提出了新的要求和展示了新的應用前景。可以相信，基于計算機網(wǎng)絡技術的自動控制技術將是今天和明天的應用主流。
在總體技術上與其他的西方國家相比，中國的自動化技術領域是一個起步較晚、水平相對落后但發(fā)展較快的一個國家。自動化技術在我國的應用，已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。為了進一步增強國家的實力和與發(fā)達國家競爭，我們還必須進一步加強自動化技術的基礎研究和深化應用程度。
1 污水處理廠的項目建設總體原則
污水處理廠頂上建設總體原則有如下幾條：
·實用性。以解決現(xiàn)實問題為主，堅持為領導決策服務，又為經(jīng)營管理服務，為生產(chǎn)建設服務。
·先進性。采用成熟的技術，兼顧未來的發(fā)展趨勢，及量力而行，又適當超前，留有發(fā)展余地。
·可擴展性。系統(tǒng)便于擴展，以保護前期投資的有效性和后續(xù)投資的連續(xù)性。
·經(jīng)濟性。以節(jié)約成本為基本出發(fā)點，建立一個運行可靠、滿足公司實際需求的監(jiān)控系統(tǒng)。
·易用性。系統(tǒng)操作簡便、直觀，以利于各個層次的人員使用。
·可靠性。確保系統(tǒng)可靠運行，在關鍵部分應有安全和容錯措施。
·可管理性。系統(tǒng)從設計、器件、設備等的選型都必須考慮到系統(tǒng)的可管理性和可維護性。
·開放性。采用符合國際標準的產(chǎn)品，保證系統(tǒng)具有開放性特點。
2 兩個城市污水處理廠自動化系統(tǒng)的結構形式
2.1 結構形式一
中央控制室和廠區(qū)三個現(xiàn)場控制站之間以一個冗余的100Mbps光纖工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)組成一個有線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡系統(tǒng)。現(xiàn)場控制站在現(xiàn)場進行工藝檢測參數(shù)、設備運行工況信號的采集、檢測和控制，并通過該站的人機界面對設備運行操作，同時向中央控制室進行實時傳送。中央控制室可監(jiān)視各現(xiàn)場站的全部運行信息，在中央控制室可通過上位計算機控制現(xiàn)場設備的啟動和停止。
現(xiàn)場控制站在與設備自帶的PLC通訊時，采用Profibus_FMS的方式，其通訊介質為屏蔽雙絞線，其通訊速率最大可達1.5Mbit/s。
現(xiàn)場控制站采用西門子S7 400 PLC，CPU采用4163DP高檔CPU，具有運算速度快，資源豐富等優(yōu)點。-計算機監(jiān)控軟件采用西門子WINCC，它具有畫面顯示、趨勢曲線、報警處理、報表處理、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)上瀏覽等功能。-整個自控系統(tǒng)體現(xiàn)了西門子全廠一體化的先進自控理念，并且網(wǎng)絡結構完全符合現(xiàn)場總線的國際標準。
該模式布置如下所示：
 |
2.2 結構模式二
下面一個系統(tǒng)采用了當前國際先進的計算機技術、自動控制技術，網(wǎng)絡通訊技術，實現(xiàn)了污水處理廠的測、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化系統(tǒng)各個部分的分析
3.1 污水預處理系統(tǒng)/進水泵房
該PLC工作站設在廠區(qū)進水提升泵房控制室，負責監(jiān)控污水處理廠的預處理工段。其主要控制對象為粗格柵間的粗格柵及進水電動閘門、進水泵房的污水提升泵、沉砂池的排砂裝置和砂水分離等設備，此外，還負責進水水質如pH、SS(濁度測量)等參數(shù)的在線檢測。
3.2 生物處理系統(tǒng)/配電中心
該PLC工作站一般設在全廠的配電中心控制室，負責監(jiān)控污水生物處理工段。其主要控制對象為生物池的水下攪拌器、水下推進器和曝氣設備，污泥回流泵房的污泥回流泵、剩余污泥泵，二沉池的刮吸泥機等設備。此外，其還負責生物池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。
若污水廠生物池采用鼓風曝氣時，在系統(tǒng)中還需增設鼓風機房PLC工作站，一般情況下工作站設在鼓風機房配電間控制室，負責監(jiān)控鼓風機及其輔助設備的運行及風量的調節(jié)。
3.3 污水消毒系統(tǒng)/出水泵房
該PLC工作站設在出水泵房控制室。其主要控制對象為出水提升泵、切換井電動閥門以及加氯消毒等設備，此外其還負責出水水質如：余氯、COD、流量等參數(shù)的在線檢測。
3.4 污泥處理系統(tǒng)/脫水車間
該PLC工作站一般設在脫水車間配電間控制室，負責監(jiān)控污泥處理工段。其主要控制對象為儲泥池的攪拌器、電動閥門，脫水車間的進泥泵、脫水機、濃縮機、加藥系統(tǒng)等設備
4 層次化管理模式分析
4.1 集中監(jiān)視操作層
該層一般設在綜合樓或配電中心的中心控制室，由兩臺工業(yè)控制計算機和輸入/輸出設備等組成。在中心控制室設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)實況。
4.2 廠區(qū)生產(chǎn)管理層
該層由中、高檔計算機終端擔當?shù)墓S自動化綜合服務系統(tǒng)和辦公自動化系統(tǒng)組合而成，負責有關的生產(chǎn)管理、成本控制、質量管理、人事管理、財務管理等方面的綜合處理，達到優(yōu)化組合的目標。
為使廠部管理人員更好、更直接地了解全廠生產(chǎn)情況，在廠部一般設置4個計算機終端，即廠長辦公室、總工程師辦公室、化驗室和廠務辦公室計算機終端作為廠部生產(chǎn)管理層。
4.3 公司調度層
公司調度系統(tǒng)負責全區(qū)域污水處理廠的生產(chǎn)調度及與其他管理部門或行政主管部門的聯(lián)系，其對內通過對各污水廠的監(jiān)控來協(xié)調各廠的生產(chǎn)，對外可與其他行業(yè)及各級行政主管部門進行通信交換信息。
4.4 網(wǎng)絡結構
在污水處理廠自動化系統(tǒng)的各層之間、各PLC工作站之間都是通過計算機網(wǎng)絡進行連接的，通過網(wǎng)絡的物理介質進行通信及信息交換。綜合比較常用網(wǎng)絡的物理結構特點，結合城市污水廠的實際情況，一般污水處理廠廠區(qū)面積都不是很大，最長的站點距離為1km左右，工控網(wǎng)的站點為4～7個，管理網(wǎng)的站點為3～5個，同時污水處理廠都又存在擴建、改造、增加或減少PLC工作站的可能，我們在設計工控網(wǎng)時采用總線網(wǎng)結構，其特性能滿足工業(yè)控制實時性高、擴展靈活、方便的要求。對于管理網(wǎng)由于其實時性要求不高，同時對其網(wǎng)絡中計算機終端的確切數(shù)量及今后的發(fā)展無法準確估算，在設計中管理網(wǎng)絡都采用星型結構以滿足靈活性好、擴展維護方便的要求。
4.5 三網(wǎng)絡通信
污水廠自動化系統(tǒng)通常采用三級或四級子網(wǎng)構成復合型網(wǎng)絡結構，要求我們在各級子網(wǎng)中都配置不同的通信協(xié)議，以適應不同的通信要求。由于現(xiàn)場測量控制層傳遞過程數(shù)據(jù)及控制命令，這種信息很短，對實時性要求較高，我們采用周期“I/O”方式通信。其采用的主協(xié)議大多為塌縮結構，只有物理層、鏈路層及應用層，而且大多為各PLC公司的專用協(xié)議。在設計時應按選擇的PLC型號配置其通信協(xié)議。
集中監(jiān)視操作層主要負責傳遞監(jiān)控信息，信息長度居于過程數(shù)據(jù)與管理信息之間，對實時性要求也比較高，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。
個人計算機或PLC工作站在加入不同級別的子網(wǎng)時，必須按所連入的子網(wǎng)配置通信模板，并且應按該級子網(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)絡結構設計、操作和維護方面，網(wǎng)絡軟件、支撐軟件、工具軟件和應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。
污水廠自動化系統(tǒng)軟件應是能支持系統(tǒng)資源共享，適用于不同的計算機硬件平臺，支持實時多任務、多用戶、多處理性能，支持中文字庫，支持網(wǎng)絡通信和網(wǎng)絡服務，具有良好的組態(tài)功能和組態(tài)方式，友好的人機界面，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、實時性，具有良好的開放性和通用性等。
污水處理廠自動化系統(tǒng)軟件必須具有以下功能：數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、信息管理、報表、趨勢分析、登錄、動態(tài)模擬、報警和事件窗口、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計及使用要求，在系統(tǒng)軟件、支撐軟件平臺上組態(tài)完成的程序。其屬于非標產(chǎn)品，直接影響整個系統(tǒng)的可用性、安全性，在某種意義上，應用軟件的好壞將會影響操作人員對工作、網(wǎng)絡和組織的感受。
4.7 系統(tǒng)硬件
系統(tǒng)硬件包括站點硬件和網(wǎng)絡硬件兩大類，由于污水處理廠生產(chǎn)過程緩慢、無自動化也可生產(chǎn)的特點，一般常用的PLC產(chǎn)品、網(wǎng)絡產(chǎn)品，個人計算機等在可靠性指標MTBF(平均無故障間隔時間)、技術參數(shù)等方面一般都能滿足污水處理廠自動化系統(tǒng)的使用要求。由此，我們在設計中充分考慮軟/硬件相匹配、性價比高等原則選擇系統(tǒng)硬件。
5 污水處理廠系統(tǒng)構成拓撲圖
5.1 網(wǎng)絡拓撲圖及其構成
 |
該裝置采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)，分站用可編程控制器(PLC)的自動化控制系統(tǒng)。軟件為采用太力信息產(chǎn)業(yè)有限公司的ISynall平臺開發(fā)的專用軟件包。
5.2 人機界面及功能
人機界面是操作者和系統(tǒng)交互聯(lián)系的平臺，它直接面向操作者，是用戶認識評價一個系統(tǒng)的首要部分。本系統(tǒng)采用在WINDOWS環(huán)境下運行的ISynall軟件包它把實時動態(tài)的各種信息量以圖形、文字、畫面的方式有機地結合在一起，立體感強，操作簡便，直觀舒適。操作者可用鼠標完成對軟件的全部操作，包括菜單選擇、畫面切換、實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)前/后翻頁、報表生成及打印、故障查詢及復位、文件管理、參數(shù)設定等等，每頁圖形均固定有即時報警信息欄、向上翻頁、回到主菜單、打開報警顯示屏，操作人員姓名注冊顯示、故障/維修/模擬報警實時顯示等功能。本軟件包采用的是全中文界面更有利于操作者進行操作。
5.3 自動控制過程
1、進水泵 2、粗格柵 3、細格柵 4、刮砂橋和砂泵 5、進水流量和pH計 6、水下推進器 7、羅茨鼓風機 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)運行與維護
該自動控制系統(tǒng)完全能夠滿足工藝運行需要，保證日處理水量、水質達到設計要求。由于生產(chǎn)需要，本系統(tǒng)必須24h連續(xù)運行，因此，對設備從選型到安裝，從使用到維護管理都提出了較高要求。
6 結束語
污水廠自動化系統(tǒng)從理論上來講是一個完整的、開放的系統(tǒng)，但在實際設計及工程實施過程中也存在一些問題。特別是一些大型設備如鼓風機、離心脫水機、高壓配電系統(tǒng)綜合智能保護裝置等，其控制系統(tǒng)由設備配套帶來，一般情況下自成網(wǎng)絡，是各自分離的自動化孤島，使日后的自動化運行、管理、維護及再開發(fā)變得很困難。如何在工程設計及招投標中協(xié)調好各子控制系統(tǒng)，使之能夠與中心控制室的主控機實現(xiàn)安全開放的網(wǎng)絡通信并滿足工業(yè)控制實時性的要求，是今后在工程設計中需要進一步研究的新課題。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
