摘要： 文章介紹了江南水廠污水處理自控系統(tǒng)的配置和功能，闡述了其系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)——由計(jì)算機(jī)、PLC、現(xiàn)場(chǎng)總線、現(xiàn)場(chǎng)在線儀表組成多級(jí)的、開(kāi)放的、模塊化的、實(shí)時(shí)多任務(wù)的、集散型的、可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)。
一、概述
北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所成立于1954年，是一家大型自動(dòng)化技術(shù)研究單位。其下屬的自控中心多年來(lái)一直致力于水處理、自動(dòng)生產(chǎn)線和水力電力領(lǐng)域自控系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。代表項(xiàng)目有：三峽南北兩岸的大壩自控項(xiàng)目、重慶長(zhǎng)安汽車廠生產(chǎn)線自控項(xiàng)目、北京小紅門水廠污水處理自控項(xiàng)目、蘭州水廠供水自控項(xiàng)目、邯鄲鐵溪水廠供水自控項(xiàng)目、張家口水廠污水處理自控項(xiàng)目等。
廣西南寧江南水廠污水處理控制及監(jiān)控系統(tǒng)為廣西重點(diǎn)工程，建設(shè)資金來(lái)源于世行。北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所自控中心承擔(dān)了該項(xiàng)工程。該工程包括：污水處理廠及城區(qū)配套截污干管。水處理能力為24×104 m3/d，處理工藝采用了A2/O生物法。即城市污水 →格柵 →污水泵 →沉砂池 →A2/O生物池→沉淀池→排放。處理后的廢水達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-1996)。剩余污泥經(jīng)過(guò)濃縮、脫水后外運(yùn)填埋或作堆肥。現(xiàn)在常用的污水處理工藝包括氧化溝處理、地表滲漏法、A/O生物法、A2/O生物法。而A2/O生物法作為污水處理行業(yè)其中一種成熟、有效的處理方法被業(yè)界廣泛應(yīng)用。
二、工藝描述、系統(tǒng)控制內(nèi)容
該系統(tǒng)的工藝主要包括污水處理和污泥處理兩個(gè)環(huán)節(jié)。
1、污水處理環(huán)節(jié)
其作用是將污水經(jīng)過(guò)層層處理后，最終滿足排放要求，污水處理工藝流程如圖一所示。。
1.1、粗格柵
功能：去除污水中較大的漂浮物。
控制方式：時(shí)間控制、液位差控制。
1.2、進(jìn)水泵房
功能：提升污水的水位。
控制方式：根據(jù)吸水井液位進(jìn)行控制。在主站設(shè)定幾個(gè)液位值，根據(jù)測(cè)得的液位值與設(shè)定液位值比較，自動(dòng)增、減泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，并且自動(dòng)累計(jì)每臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)泵的自動(dòng)輪換運(yùn)行。
1.3、細(xì)格柵
功能：去除污水中較小的漂浮物，特別是絲狀、帶狀漂浮物，保證后續(xù)處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
控制方式：根據(jù)時(shí)間及格柵前后液位差控制。
1.4、沉砂池
功能：去除污水中比重大于2.65，粒徑大于0.2mm的無(wú)機(jī)砂粒，以保證后續(xù)流程的正常運(yùn)行。
控制方式：根據(jù)時(shí)間進(jìn)行控制。
1.5、生物池
功能：利用微生物降解和去除污水中的污染物質(zhì)，達(dá)到預(yù)期的水質(zhì)凈化目的。A2/O生物脫氮除磷工藝由厭氧、缺氧和好氧三個(gè)生物反應(yīng)過(guò)程組成。
控制方式：水下攪拌器連續(xù)運(yùn)行，并對(duì)鼓風(fēng)機(jī)及電動(dòng)空氣調(diào)節(jié)蝶閥進(jìn)行閉環(huán)控制
1.6、回流污泥泵
功能：將一定數(shù)量的活性污泥回流到生化處理系統(tǒng)，以維持生化系統(tǒng)活性污泥的濃度，保證其生化反應(yīng)的能力
控制方式：根據(jù)生物池的污泥濃度，計(jì)算出回流污泥比，再換算成污泥回流量，自動(dòng)控制回流污泥泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。同時(shí)自動(dòng)累計(jì)單臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輪換運(yùn)行。
1.7、 沉淀池
功能：對(duì)生化處理后的混合液進(jìn)行固液分離，以保證出水水質(zhì)。
控制方式：根據(jù)時(shí)間及泥位計(jì)控制。
圖一、污水處理工藝流程圖
2、 污泥處理部分
其作用是將污泥經(jīng)過(guò)處理后，脫離出來(lái)，以便可以外運(yùn)填埋或作堆肥。
2.1、剩余污泥泵房
功能：將生化系統(tǒng)產(chǎn)生的剩余污泥提升至污泥貯泥池進(jìn)而至脫水機(jī)房。
控制方式：根據(jù)進(jìn)水流量及進(jìn)水BOD值，計(jì)算出總的產(chǎn)泥量，以自動(dòng)控制剩余污泥泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，自動(dòng)累計(jì)泵單臺(tái)的運(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輪換運(yùn)行。設(shè)定吸泥井液位的高低限報(bào)警，達(dá)到高限報(bào)警時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)排泥泵或減小沉淀池排泥量。
2.2、污泥濃縮及脫水系統(tǒng)
功能：降低污泥含水率，減少污泥體積。
控制方式：系統(tǒng)能根據(jù)進(jìn)來(lái)的污泥量自動(dòng)控制設(shè)備的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，根據(jù)進(jìn)來(lái)的污泥量及污泥含固率自動(dòng)控制加藥量，對(duì)儲(chǔ)藥罐的液位及藥量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)濃縮機(jī)、脫水機(jī)、加藥系統(tǒng)和螺旋輸送器狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。
另外，系統(tǒng)還包括沉砂系統(tǒng)、1#除臭系統(tǒng)、鼓風(fēng)機(jī)、2#除臭系統(tǒng)、紫外消毒系統(tǒng)等配套設(shè)備。這些配套設(shè)備既可以獨(dú)立運(yùn)行，又可以和各PLC控制站進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。值得注意的是，由于各成套設(shè)備的生產(chǎn)廠家各不相同，所以通訊協(xié)議也不盡相同。
上述工藝要求給控制系統(tǒng)提出苛刻的控制要求：
（1）控制系統(tǒng)要采用分散控制
根據(jù)系統(tǒng)分散控制的原則，須設(shè)置4個(gè)PLC現(xiàn)場(chǎng)控制站對(duì)總變電所控制站和鼓風(fēng)機(jī)房控制站、脫水機(jī)房控制站、出水井分變電室控制站、污泥泵房變電室控制站進(jìn)行控制。由于設(shè)備繁多、功能復(fù)雜以及程序大，所選PLC控制系統(tǒng)需具備強(qiáng)大的處理能力。
（2）控制系統(tǒng)要支持多種不同網(wǎng)絡(luò)通訊
江南水廠污水處理自控系統(tǒng)是一個(gè)集中監(jiān)視管理、分散控制的PLC控制系統(tǒng)。控制中心、控制站通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)連接。各有分工，既能獨(dú)立工作，又能在統(tǒng)一指揮下協(xié)調(diào)工作。控制站和其它配套設(shè)備也需通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。為了實(shí)現(xiàn)這些目的所選PLC控制系統(tǒng)必須支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)國(guó)內(nèi)外城市水系統(tǒng)的運(yùn)行管理情況以及我們?cè)谠撔袠I(yè)中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，依照國(guó)際自動(dòng)控制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，本著安全可靠,簡(jiǎn)單實(shí)用,先進(jìn)(十年不落后)的原則，我們采用了施耐德的高端PLC控制產(chǎn)品，充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以施耐德UNITY控制平臺(tái)和開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)體系為核心，采用的控制器、第三方控制設(shè)備、智能變送器、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及工控軟件產(chǎn)品為用戶提供了一個(gè)由計(jì)算機(jī)、PLC、現(xiàn)場(chǎng)總線、現(xiàn)場(chǎng)在線儀表組成的多級(jí)的、開(kāi)放的、模塊化的、實(shí)時(shí)多任務(wù)的、集散型的、可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)。
該系統(tǒng)采用集成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線、控制總線和高速以太網(wǎng)組成的混合三層體系結(jié)構(gòu)，如圖二所示。
圖二、江南水廠污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)圖
⑴ 信息層：
信息層以網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)為中心，通訊協(xié)議為TCP/IP，系統(tǒng)架構(gòu)為Internet/Intranet，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)內(nèi)通信網(wǎng)數(shù)據(jù)吞吐率100Mbps。
其中信息層硬件部分主要為中控室的生產(chǎn)管理計(jì)算機(jī)站、服務(wù)器，化驗(yàn)室計(jì)算機(jī)站及配套網(wǎng)絡(luò)傳輸線路、設(shè)備組成，完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)、控制、通信、顯示及生產(chǎn)管理調(diào)度等功能。軟件系統(tǒng)主要由基于組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)的江南污水廠生產(chǎn)過(guò)程控制、運(yùn)行監(jiān)控、調(diào)度系統(tǒng)以及生產(chǎn)管理（水質(zhì)監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)故障報(bào)警信息）信息系統(tǒng)等組成。 該體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)江南水廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)軟硬件資源的整合和充分利用，使系統(tǒng)具有更高的兼容性、開(kāi)放性和安全性。
⑵ 控制層：
控制層以施耐德 Unity平臺(tái)為控制核心，將分布在各工藝段之間的施耐德 Unity PLC和中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相連，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的高速傳輸。施耐德 Unity PLC自動(dòng)監(jiān)測(cè)重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和工藝參數(shù)變化，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制。控制層硬件設(shè)備主要為施耐德Unity系列PLC（140CPU65150）、操作員面板（XBTG5230）、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)（499NOS17100）
在這里我們要特別提一下控制層的網(wǎng)絡(luò)。控制層的網(wǎng)絡(luò)體系采用TCP／IP網(wǎng)絡(luò)以及環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以光纖為通信介質(zhì)，通過(guò)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成帶寬為100Mbps的工業(yè)以太網(wǎng)。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為自愈環(huán)網(wǎng)，其應(yīng)用層采用開(kāi)放的通訊協(xié)議。當(dāng)環(huán)網(wǎng)發(fā)生一個(gè)光纖斷點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)仍能夠正常工作。作為全廠的控制主干網(wǎng)，工業(yè)以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)能在任何節(jié)點(diǎn)接入設(shè)備，而不需要更改從前的站號(hào)和配置，充分考慮了今后擴(kuò)展的方便性。在出現(xiàn)故障時(shí)，在線增加或刪除任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)，都不會(huì)影響到其他設(shè)備的運(yùn)行和通訊。
根據(jù)工藝流程，全廠共設(shè)4套施耐德Unity PLC控制站：
LCS1控制站－－-總變電所控制站
主要控制粗格柵、進(jìn)水泵房、轉(zhuǎn)鼓格柵的設(shè)備。LCS1控制站的觸摸屏通過(guò)RJ45連接到該站的交換機(jī)上。另外，LCS1控制站通過(guò)DP網(wǎng)和鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備廠家配套的PLC進(jìn)行通訊；通過(guò)MB網(wǎng)和沉砂系統(tǒng)PLC、1#除臭系統(tǒng)PLC進(jìn)行通訊。
LCS11控制站－－-鼓風(fēng)機(jī)房控制站
主要控制鼓風(fēng)機(jī)房的設(shè)備。LCS11控制站為L(zhǎng)CS1控制站的遠(yuǎn)程I/O站。本控制站的觸摸屏通過(guò)光纖介質(zhì)連接到LCS1控制站的交換機(jī)上。
LCS2控制站－－-脫水機(jī)房控制站
主要控制脫水機(jī)房的設(shè)備。本控制站的觸摸屏通過(guò)光纖介質(zhì)連接到LCS1控制站的交換機(jī)上。
LCS3控制站－－-出水井分變電室控制站
主要控制出水泵房、回流污泥房、剩余污泥泵房、二沉池的設(shè)備。本控制站的觸摸屏通過(guò)光纖介質(zhì)連接到LCS1控制站的交換機(jī)上。
LCS4控制站－－-污泥泵房變電室控制站
主要控制曝氣池的設(shè)備。本控制站的觸摸屏通過(guò)光纖介質(zhì)連接到LCS1控制站的交換機(jī)上。
另外，LCS4控制站通過(guò)MB網(wǎng)和紫外消毒PLC、2#除臭系統(tǒng)PLC進(jìn)行通訊。
(3 )設(shè)備層：
我們利用施耐德UNITY PLC的MB口，采用MB網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議對(duì)MCC柜的各智能變送器進(jìn)行多點(diǎn)通訊。這種不用傳統(tǒng)I/O模塊而直接采用總線電纜連接的通訊方式，在實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)離散設(shè)備和可編程邏輯控制器（PLC）之間的數(shù)據(jù)數(shù)字化傳輸?shù)耐瑫r(shí)，將成本費(fèi)用減少到最小，這種用于低層設(shè)備的低成本、高效率信息集成模式，已經(jīng)逐漸成為控制領(lǐng)域的主流。
四、調(diào)試體會(huì)：
通過(guò)親身經(jīng)歷，我們認(rèn)為施耐德UNITY確實(shí)是新一代自動(dòng)化平臺(tái)上的硬件和軟件產(chǎn)品：新軟件的使用可以大大地減少開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的時(shí)間，新硬件的使用可以大大地提高系統(tǒng)處理的速度，基于開(kāi)發(fā)平臺(tái)和協(xié)同工具，施耐德UNITY使得設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)的自動(dòng)化水平達(dá)到前所未有的高度，從而大大提高了生產(chǎn)效率。下面是我在實(shí)踐過(guò)程中的小體會(huì)：
1、施耐德UNITY PLC具有超強(qiáng)的處理能力、超大存儲(chǔ)空間，并提供全面開(kāi)放的通訊解決方案。其中，我們使用的140CPU65150兼容了RS 232/485 Modbus/ASCII端口、USB端口、MB+ 端口、USB 終端口、Ethernet TCP/IP 端口，在實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，最大限度節(jié)約了成本。另外，140CPU65150提供了一個(gè)數(shù)顯操作屏我們不僅能監(jiān)視CPU狀態(tài)，而且對(duì)重要參數(shù)進(jìn)行操作，這樣極大程度地方便了調(diào)試及維護(hù)。
2、施耐德UNITY PRO軟件界面友好、操作簡(jiǎn)潔、使用方便。通過(guò)施耐德UNITY PRO軟件可以編寫多任務(wù)；可以通過(guò)多種調(diào)試語(yǔ)言形式編寫程序（不同調(diào)試語(yǔ)言可以在同一程序中混用）；可以使用標(biāo)準(zhǔn)或自建的語(yǔ)句塊，以滿足控制需要；可以根據(jù)要求建立各種類型的人性化變量；在IP和MB+通訊過(guò)程中，提供兩種通訊編寫方式；在不需要其它輔助軟件的情況下，提供模擬通訊功能以測(cè)試程序；可以編制內(nèi)部畫面，并能模擬監(jiān)控程序；提供多種診斷功能等。這些功能使我們?cè)谡{(diào)試、維護(hù)過(guò)程中極大程度地提高了效率。同時(shí)這些軟件功能同其它軟件相比也具有領(lǐng)先性。
3、為了使基于施耐德UNITY平臺(tái)的控制系統(tǒng)能夠在高速的情況下穩(wěn)定運(yùn)行，在選型中一定要選擇施耐德公司的產(chǎn)品或施耐德公司授權(quán)設(shè)備，一定不能貪圖便宜選用沒(méi)有經(jīng)過(guò)施耐德公司認(rèn)證的第三方產(chǎn)品。
4、在選擇基于施耐德UNITY平臺(tái)的支持DP的主模塊時(shí)，須選擇PROSOFT公司的第三方模塊PTQ DPM MV1。另外在配置PROSOFT模塊CONFIG軟件時(shí)，須注意配置的GSD文件、從站地址、傳輸數(shù)據(jù)類型、數(shù)量必須和西門子從站一致。
5、調(diào)試前期，由于施耐德UNITY控制系統(tǒng)不支持MB的主站通訊模式，這樣我們就無(wú)法做到在不加網(wǎng)橋的情況下，通過(guò)內(nèi)置MB口對(duì)智能變送器進(jìn)行通訊。在施納德公司大力的幫助下，我們對(duì)施耐德UNITY控制系統(tǒng)進(jìn)行軟、硬件全面升級(jí)，使施耐德UNITY的MB口支持232（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）通訊，然后通過(guò)添加232-485通訊轉(zhuǎn)換模塊方式，最終實(shí)現(xiàn)和智能變送器進(jìn)行MB協(xié)議多點(diǎn)（485）通訊的功能。
五、結(jié)束語(yǔ)：
在江南水廠項(xiàng)目論證和實(shí)施過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)施耐德公司新推出并推崇的施耐德UNITY系統(tǒng)具有高可靠性、高穩(wěn)定性、以及靈活的可擴(kuò)展功能、強(qiáng)大透明和對(duì)復(fù)雜環(huán)境及處理要求的適應(yīng)性，為水廠的少人值守管理模式，提供了良好的技術(shù)支持。目前該系統(tǒng)正在調(diào)試中，預(yù)計(jì)年底正式投運(yùn)，投運(yùn)后，該廠將能承接相關(guān)企業(yè)委托的污水處理業(yè)務(wù)。從而獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的是：根治了污水對(duì)城市的污染問(wèn)題，將取得顯著的社會(huì)效益。通過(guò)江南水廠污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)項(xiàng)目的實(shí)施，我們認(rèn)為，施耐德電氣公司的UNITY系列產(chǎn)品以其卓越的品質(zhì)和性能可以為水處理行業(yè)提供一個(gè)完整的、全面的解決方案：即構(gòu)造一個(gè)基于技術(shù)支撐的，由軟、硬件組成的系統(tǒng)。從底層的智能變送器到控制層的PLC和作為工廠神經(jīng)中樞的控制網(wǎng)絡(luò)及現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，以及輔助操作員進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和分析的軟件與終端，可以充分滿足水處理自動(dòng)化領(lǐng)域用戶對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、組態(tài)和控制的需求。
參考文獻(xiàn)：
1．施耐德UNITY PLC 用戶手冊(cè)
