摘要：自動(dòng)化、信息化是為企業(yè)工藝及管理的實(shí)現(xiàn)服務(wù)的。全集成自動(dòng)化過程控制系統(tǒng)，提供了污水處理全過程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通訊和組態(tài)三者的統(tǒng)一性功能，它們的易擴(kuò)展性、靈活性和開放性使之能廣泛地應(yīng)用于水處理行業(yè)。本文介紹了新一代的過程控制系統(tǒng)Simatic PCS7，以及大屏幕顯示系統(tǒng)、CCTV監(jiān)控系統(tǒng)在污水處理廠自控系統(tǒng)中的應(yīng)用。
      關(guān)鍵字：控制、PLC、監(jiān)控、通訊、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)

Application Of Monitoring System In Wastewater Treatment Plant
Liu  HaiYing

     Abstract：The automation, the informationization are serve for the enterprise craft and the management realization.The complete works become the automation process control system, has provided the sewage treatment entire process data storage, the communication and the configuration three unified function, their easy extension, the flexibility and openness enable it widely to apply in the water treatment profession.This article introduced new generation of process control system Simatic PCS7, as well as large screen display system, CCTV supervisory system in sewage treatment plant automatic control system application. 
     Key Words：Control、PLC、Monitor、Communication、Network、System

      一、概述

      某污水處理廠擴(kuò)建工程的設(shè)計(jì)處理規(guī)模為30萬(wàn)噸/日，該工程主要負(fù)責(zé)接受并處理該市區(qū)、縣城和企業(yè)排放的生產(chǎn)污水和城鎮(zhèn)生活污水。污水中以印染污水為主，約占總進(jìn)水的85%以上。由于來(lái)自各個(gè)印染企業(yè)的污水水質(zhì)有很大差別，使得進(jìn)入廠區(qū)的水質(zhì)很復(fù)雜。因而，儀表種類繁多且使用了大量的分析儀表是本工程的一個(gè)特點(diǎn)。據(jù)該設(shè)計(jì)要求，本工程采用了意大利的印染污水處理工藝技術(shù)“新型氧化溝”。采用了SIMATIC PCS7新一代過程控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)信號(hào)處理和傳輸高速可靠，控制系統(tǒng)算法優(yōu)化多樣，人機(jī)界面功能強(qiáng)大，生動(dòng)簡(jiǎn)潔。同時(shí)，在廠區(qū)配置了CCTV監(jiān)控系統(tǒng)，在中央控室內(nèi)安裝了大型背投顯示屏，可以在中控室瀏覽到全廠的生產(chǎn)運(yùn)行情況。整個(gè)系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了全廠生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制和監(jiān)視。

      二、 控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

      控制系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

     （1 ）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，規(guī)模龐大，含有不同協(xié)議成套單元的接入，使用的儀表種類繁多。

     （2） 將快速以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)（PROFIBUS）以及遠(yuǎn)程I/O從站有機(jī)結(jié)合在一起，集中分散有度，真正實(shí)現(xiàn)了從現(xiàn)場(chǎng)到操作管理層的快速無(wú)故障通訊。

     （3） 采用了CPU雙冗余，總線冗余，極大提高了系統(tǒng)的可靠性。

     （4） 控制算法靈活多樣，自動(dòng)化程度高。

     （5） 人機(jī)界面功能強(qiáng)大，使用方便。

      1.污水處理二期工程自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

      污水處理自動(dòng)控制部分包括一個(gè)中央控制室、4個(gè)分控制室和2個(gè)成套單元(MCP柜)。其中1＃分控站主要完成進(jìn)廠污水的預(yù)處理，2＃和3＃分控站

      根據(jù)工藝和管理的需要，系統(tǒng)采用了二層式控制網(wǎng)絡(luò)：

     （1） 現(xiàn)場(chǎng)層采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線過程控制系統(tǒng)(FCS)，過程檢測(cè)儀表信號(hào)以PROFIBUS－PA信號(hào)為主，部分儀表信號(hào)采用4～20mA DC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和PROFIBUS－DP信號(hào)，控制閥門采用現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS－DP信號(hào)型電動(dòng)閥門；

     （2） 上層管理網(wǎng)分為二類:一類為10Mbps的工業(yè)以太網(wǎng)，用光纖環(huán)網(wǎng)將1個(gè)中央控制室和4個(gè)分控室連接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。通過OS站、ES站和CP1613通訊卡和光纖鏈路模塊（OLM）相連接，滿足操作員站、工程師站對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)視、控制和管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。另一類為符合TCP/IP協(xié)議的管理以太網(wǎng)，通過OS站、ES站上的網(wǎng)卡連接，主要實(shí)現(xiàn)工程師和操作員站之間文件管理、拷貝以及遠(yuǎn)程WEB瀏覽功能。

      采用這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可以用1.5Mbps的速率處理來(lái)自0.5平方公里廠區(qū)不同位置的兩千余個(gè)信號(hào)。這充分體現(xiàn)了采用PROFIBUS通訊協(xié)議與傳統(tǒng)4～20mA信號(hào)傳輸相比的優(yōu)點(diǎn)：信號(hào)傳輸安全高速，節(jié)約硬件和安裝費(fèi)用。系統(tǒng)配置還充分利用了局域網(wǎng)的資源，實(shí)現(xiàn)了廠區(qū)范圍內(nèi)生產(chǎn)狀況的多點(diǎn)監(jiān)視。

      2.現(xiàn)場(chǎng)控制站

      現(xiàn)場(chǎng)控制站采用S7-400H+ET200M和DP/PA鏈路的控制方案。每個(gè)控制站都配備有控制點(diǎn)數(shù)多、功能強(qiáng)大且具有雙機(jī)熱備功能的S7-400H系統(tǒng)。向上通過OLM與10Mbps以太網(wǎng)連接，向下通過冗余的PROFIBUS－DP總線與配置方式靈活的ET200M分布式I/O從站和DP/PA鏈路連接。另外，現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備中包括帶Profibus-DP接口的電動(dòng)閥門執(zhí)行器。為了將這些單通道的總線執(zhí)行器接入S7-400H的雙DP網(wǎng)，在每一分控制站的S7-400H系統(tǒng)中配置一個(gè)Y-LINK模塊以實(shí)現(xiàn)這一功能。此外，掛接在系統(tǒng)總線上的還有兩個(gè)成套單元，一個(gè)是由西門子S7 300系列CPU自成控制體系的鼓風(fēng)機(jī)房，一個(gè)總降壓變電所，是采用MODBUS通訊協(xié)議的一套獨(dú)立的控制系統(tǒng)。它們也是通過Y-LINK連接到DP總線上的。
系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參見下圖。
 
　　

      3.控制系統(tǒng)軟件描述

      監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)充分考慮了操作的簡(jiǎn)便性和功能的多樣性，并輔以PHOTOSHOP等先進(jìn)繪圖軟件，使得監(jiān)控界面更形象逼真、人性化。其中污泥回流泵房工藝環(huán)節(jié)的監(jiān)控畫面如下圖所示?！?
 
　　

      通過上位機(jī)監(jiān)控軟件，操作人員可以對(duì)二期工程所有工藝環(huán)節(jié)儀表參數(shù)和電氣設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。并可通過點(diǎn)擊設(shè)備彈出對(duì)話框的方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，如泵的啟停和頻率調(diào)節(jié)、閥門的開度設(shè)定、預(yù)置控制參數(shù)等等。并對(duì)主要的工藝參數(shù)進(jìn)行了連續(xù)一周的變量記錄，以歷史趨勢(shì)的方式顯示，以便進(jìn)行觀察和工藝調(diào)節(jié)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)的電氣設(shè)備有故障發(fā)生以及工藝參數(shù)有超標(biāo)現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，監(jiān)控畫面的右上角將已突出顏色閃爍的浮動(dòng)條給出故障的設(shè)備位號(hào)或工藝參數(shù)名稱以及所處工藝環(huán)節(jié)的位置等告警信息。另外，系統(tǒng)可以按照一定的統(tǒng)計(jì)算法給出一天24小時(shí)的重要工藝參數(shù)的統(tǒng)計(jì)信息，并在每天固定時(shí)間自動(dòng)打印產(chǎn)生日?qǐng)?bào)表。也可隨時(shí)人工選擇打印報(bào)表。

      下位機(jī)在控制算法上，我們采用了液位控制、時(shí)間控制、處理水量控制等多種算法，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)預(yù)處理水量與水質(zhì)，對(duì)各工藝環(huán)節(jié)泵、閥、攪拌器、吸刮泥機(jī)等主要設(shè)備的啟動(dòng)停止進(jìn)行控制。并對(duì)溶解氧—鼓風(fēng)量回路建立了Fuzzy控制邏輯，根據(jù)以往處理經(jīng)驗(yàn)建立了專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鼓風(fēng)量的模糊控制。在泵的頻率調(diào)節(jié)上，我們采用了PID算法，根據(jù)水池液位與處理水量進(jìn)行泵的調(diào)頻。以上算法的應(yīng)用使得整個(gè)系統(tǒng)具有了較高的自動(dòng)化程度和靈活性。

      三、重點(diǎn)技術(shù)介紹

      1.不同通訊協(xié)議系統(tǒng)間的無(wú)縫連接

      廠內(nèi)的總降壓變電所含有兩臺(tái)16000kVA、35/10.5KV電力變壓器，它的主要功能是向廠內(nèi)、污泥填埋場(chǎng)及10KV高壓電機(jī)及電力變壓器供電，包含35kV、10 KV高壓開關(guān)柜等配套設(shè)備。這是一套采用MODBUS協(xié)議自成單元的綜合保護(hù)自動(dòng)化系統(tǒng)。為了管理的需要，總降壓變電所的各種高配信號(hào)和狀態(tài)除了在總降就地顯示以外還要上傳中控室顯示監(jiān)控。為此在將總降系統(tǒng)掛接在PROFIBUS－DP總線上之前要經(jīng)過一個(gè)PROFIBUS－MODBUS的硬件轉(zhuǎn)換橋。同時(shí)在軟件上實(shí)現(xiàn)向總降系統(tǒng)發(fā)送命令請(qǐng)求，接受總降的應(yīng)答信息，對(duì)接受到的信息進(jìn)行校驗(yàn)，并在中控室的組態(tài)畫面上將接收到的狀態(tài)和數(shù)據(jù)正確的顯示。這個(gè)過程經(jīng)過了空間直線約500米的距離以及MODBUS總線、PROFIBUS總線以及工業(yè)以太網(wǎng)三層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)換?？偨敌枰蟼髦锌氐男盘?hào)共有模擬量258個(gè)，主要為各個(gè)高壓開關(guān)的三相電壓、電流、功率等參數(shù)，數(shù)字量328個(gè)，主要為高壓開關(guān)手車、斷路器、變壓器的狀態(tài)，以及各種報(bào)警信號(hào)。兩個(gè)系統(tǒng)采用9600的波特率進(jìn)行信號(hào)傳輸，下面的表格以一個(gè)字為例給出了信號(hào)表的結(jié)構(gòu)（含有16個(gè)狀態(tài)量）。 
　
　　

      2.兩期工程的一體化運(yùn)行管理

      污水廠的現(xiàn)有兩期工程希望通過工業(yè)以太網(wǎng)層相聯(lián)，即兩期工程可以互相監(jiān)控對(duì)方生產(chǎn)運(yùn)行狀況。但是，考慮到軟件點(diǎn)數(shù)的限制，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度以及兩套控制系統(tǒng)得到相對(duì)獨(dú)立性，我們沒有在工業(yè)以態(tài)網(wǎng)級(jí)將兩個(gè)系統(tǒng)連接，而是在普通以太網(wǎng)層采用OPC的方式進(jìn)行了兩期工程上位機(jī)WinCC的連接。這種方法首先要局域網(wǎng)的基礎(chǔ)上建立兩期工程中央控制操作員站的交互式OPC通道連接，然后OPC通道建立遠(yuǎn)程變量在本地的映射，再將遠(yuǎn)程的組態(tài)畫面復(fù)制到本地，重新建立畫面顯示內(nèi)容于OPC本地映射變量的連接，就可以實(shí)現(xiàn)兩期工程的交互顯示了。這樣做而不采用WEB方式的原因是一期工程的上位機(jī)軟件是WinCC V5.0，它無(wú)法使用WEB Navigator軟件，而這個(gè)軟件成本比較高，又有嚴(yán)格的用戶數(shù)量限制。采用OPC的方法也有缺點(diǎn)即工作量比較大。

      3.簡(jiǎn)單的企業(yè)ERP的實(shí)現(xiàn)

      在廠區(qū)內(nèi)，除了值班人員需要通過操作員站對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控管理以外，管理人員同樣需要瀏覽現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)運(yùn)行狀況，以便管理和決策。為此需要將組態(tài)畫面顯示在相應(yīng)管理人員辦公室里。解決的辦法是采用WEB瀏覽的方式，將中央控制室的操作員站作為WEB服務(wù)器，將要瀏覽生產(chǎn)狀況的計(jì)算機(jī)作為WEB客戶端,使它們組成一個(gè)局域網(wǎng)，使用西門子WEB Navigator軟件在WEB服務(wù)器上將組態(tài)畫面進(jìn)行發(fā)布，并創(chuàng)建授權(quán)用戶，使得在授權(quán)范圍內(nèi)的有限用戶可以在局域網(wǎng)內(nèi)通過ActiveX支持的IE遠(yuǎn)程瀏覽組態(tài)畫面，但是不能進(jìn)行控制操作。這樣也維護(hù)了系統(tǒng)的獨(dú)立性。

      為了便于對(duì)全廠生產(chǎn)運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)景監(jiān)控，我們以CCTV系統(tǒng)、大屏幕顯示系統(tǒng)和數(shù)字硬盤錄像系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立了一套高級(jí)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)視覺監(jiān)控系統(tǒng)。其中，CCTV系統(tǒng)由分布在廠區(qū)的9個(gè)攝像頭和中央控制室的矩陣切換器，操作鍵盤和監(jiān)視器組成。在中央控制室內(nèi)可以隨意切換需要監(jiān)控的攝像頭，并能控制攝像頭進(jìn)行各種動(dòng)作。大屏幕顯示系統(tǒng)可以將組態(tài)畫面、現(xiàn)場(chǎng)攝像信號(hào)進(jìn)行任意組合和跨屏拼接顯示。使得監(jiān)控更直觀。嵌入式數(shù)字硬盤錄像系統(tǒng)可以把9路現(xiàn)場(chǎng)錄像信號(hào)進(jìn)行連續(xù)48 小時(shí)的錄像，并可根據(jù)時(shí)段回放錄像。這三部分子系統(tǒng)保證了將全廠生產(chǎn)狀況在中控室內(nèi)一覽無(wú)疑，使得監(jiān)視過程輕松自如。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如下：
 
　　
　　

      五、總結(jié)

      該污水處理廠二期工程使用了靈活開放的PCS7作為控制系統(tǒng)，將大屏幕顯示系統(tǒng)、CCTV監(jiān)視系統(tǒng)、數(shù)字硬盤錄像系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)集成在一起，組成了一套功能強(qiáng)大、運(yùn)行穩(wěn)定安全可靠的污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)，成為當(dāng)今的污水處理行業(yè)一個(gè)成功的案例。
      參考文獻(xiàn)
      [1]   西門子有限公司  Simatic S7-400產(chǎn)品目錄
      [2]   西門子有限公司  Automation System S7-400Module Specifications
      [3 ]   西門子有限公司  西門子工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品介紹
作者簡(jiǎn)介：劉海盈 1980年1月生 男 
             現(xiàn)今工作單位：常州明園自動(dòng)化工程有限公司
             職務(wù)：項(xiàng)目經(jīng)理；
             學(xué)歷：本科；
             職稱：助理工程師 
             工作方向：自動(dòng)化系統(tǒng)集成控制
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