【摘 要】：基于分布式控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點(diǎn)、大型污水處理廠對(duì)生產(chǎn)過程控制自動(dòng)化及管理信息化的要求，結(jié)合實(shí)例從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軟件平臺(tái)、硬件配置、實(shí)現(xiàn)功能幾方面對(duì)污水處理廠管控一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，指出企業(yè)管控一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是生產(chǎn)管理自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，復(fù)合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)尤適合已建或分期建設(shè)的大型污水處理廠。 關(guān)鍵詞：分布式控制 生產(chǎn)管理 經(jīng)營(yíng)管理 一體化 信息化 1 前言 21世紀(jì)是信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的時(shí)代，信息產(chǎn)業(yè)已經(jīng)滲透到社會(huì)各行各業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，企業(yè)管理的信息化已經(jīng)成為一個(gè)企業(yè)立足市場(chǎng)的迫切要求和需要。 傳統(tǒng)的污水處理廠生產(chǎn)和管理結(jié)構(gòu)體系是分開的，其自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大多數(shù)采用分布式控制系統(tǒng)（DCS），由現(xiàn)場(chǎng)控制站（包括各種控制站、采集站、與網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)的各種智能儀表和智能調(diào)節(jié)器等）、操作站、工程師站、管理站及通信網(wǎng)絡(luò)組成，完成生產(chǎn)過程控制和對(duì)過程信息的管理。而管理系統(tǒng)即使是大型污水處理廠往往也只是個(gè)別的、獨(dú)立部門的辦公自動(dòng)化，注重于企業(yè)的備品與備件的采購(gòu)和庫(kù)存、財(cái)務(wù)等，缺乏生產(chǎn)管理、調(diào)度功能，是脫離DCS系統(tǒng)的。 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 深圳某污水處理廠是日處理35萬t的城市生活污水處理廠，一期15萬t采用A—B曝氣法工藝，二期20萬t工藝采用氧化溝法。污水經(jīng)過物理去污、生化過程、沉淀、消毒等處理過程，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的水就可直接排放了。其特點(diǎn)是工藝流程分布廣，由多個(gè)流程段組成，用電設(shè)備多，水質(zhì)復(fù)雜，對(duì)出水標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格，對(duì)自動(dòng)化水平要求高，并要求實(shí)現(xiàn)管理的信息化。 采用一體設(shè)計(jì)、分步實(shí)施策略，將該廠管控一體化系統(tǒng)分成不同的層次實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。 第1層：直接控制級(jí)。實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制調(diào)節(jié)和順序控制，設(shè)備檢測(cè)和系統(tǒng)測(cè)試與自動(dòng)診斷，進(jìn)行過程數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、檢查等。第2層：過程管理級(jí)。過程操作，各種生產(chǎn)過程報(bào)表打印，裝置協(xié)調(diào)、優(yōu)化控制和自適應(yīng)控制，歷史數(shù)據(jù)的收集和處理，各種報(bào)警信息的處理等。第3層：生產(chǎn)管理級(jí)。規(guī)劃產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和規(guī)模、產(chǎn)品監(jiān)視，產(chǎn)品報(bào)告、工廠生產(chǎn)監(jiān)視。此層也可稱為生產(chǎn)調(diào)度層，是管控一體化系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)回路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。第4層：經(jīng)營(yíng)管理級(jí)。市場(chǎng)和用戶分析，備品備件采購(gòu)與消耗統(tǒng)計(jì)、財(cái)務(wù)核算，生產(chǎn)協(xié)調(diào)和期限檢測(cè)等。 第1層和第2層與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的工業(yè)生產(chǎn)過程組成傳統(tǒng)的DCS控制系統(tǒng)，大量生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需要傳遞至管理層，用以實(shí)現(xiàn)上層的操作優(yōu)化、調(diào)度優(yōu)化和對(duì)生產(chǎn)的監(jiān)督，實(shí)時(shí)性和可靠性是關(guān)鍵；第3層和第4層的功能由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)完成，將第3層和第4層合并成一層，為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理級(jí)，即ERP（管理系統(tǒng)），信息流是關(guān)鍵。控制站完成第一層的直接控制級(jí)的功能，操作站和工程師站完成第二層的過程管理級(jí)的功能，工作站和服務(wù)器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)完成第3層和第4層的生產(chǎn)管理級(jí)和經(jīng)營(yíng)管理級(jí)的功能。 控制站與操作站和工程師站之間通過DH+網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信，最遠(yuǎn)通信距離800m；操作站和工程師站與工作站和服務(wù)器之間通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信，最遠(yuǎn)通信距離1200m。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為控制網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，尤其適合已建或分期建設(shè)的大型污水處理廠。 3 系統(tǒng)配置 3.1 DCS系統(tǒng) 系統(tǒng)設(shè)2臺(tái)操作站、2臺(tái)工程師站（一期與二期各用1臺(tái)），工程師站兼有操作站的功能。操作站/工程師站基本組成為工業(yè)PC機(jī)、DH+網(wǎng)絡(luò)通信卡、報(bào)警打印機(jī)、報(bào)表打印機(jī)、以太網(wǎng)卡等。工業(yè)PC機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)：CPU≥PⅣ2.0GHz、≥40G硬盤、彩色顯示器、標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、≥256MB內(nèi)存、1.44M軟驅(qū)、≥40XD-CDROM。 系統(tǒng)設(shè)8個(gè)控制站，選用美國(guó)Rockwell公司的PLC-5系列產(chǎn)品，具有模塊化結(jié)構(gòu)、高抗干擾的工業(yè)硬件平臺(tái)。每個(gè)控制站的基本組成是CPU模塊、DH+網(wǎng)絡(luò)通信模塊、數(shù)字量和模擬量的I/O模塊、底板等。完成所有的數(shù)據(jù)采集、控制、自檢、通信、報(bào)警等功能。 操作站的人機(jī)界面軟件采用Rockwell公司的RSView32，該軟件包含大量的圖形化工具、建立監(jiān)控過程實(shí)時(shí)畫面、在線組態(tài)、實(shí)時(shí)和歷史趨勢(shì)、數(shù)據(jù)采集和處理、報(bào)表、報(bào)警和管理等功能。操作系統(tǒng)為Microsoft Windows 2000。 DH+（Data Highway Plus）網(wǎng)絡(luò)是美國(guó)Rockwell公司推出的一種專為工廠級(jí)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)局域網(wǎng)，是一開放網(wǎng)絡(luò)。DH+網(wǎng)支持網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備之間的通信，也可用于多個(gè)處理器之間的大量數(shù)據(jù)交換，并作為一個(gè)鏈路對(duì)多個(gè)控制器進(jìn)行編程，支持菊花鏈型和主干一分支線型，通信速率：57.6kb/s（最大電纜長(zhǎng)度3048m）、230.4kb-s（最大電纜長(zhǎng)度762m），是PLC-5系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，本系統(tǒng)具有12個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。 系統(tǒng)主要特性：硬件可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)，能長(zhǎng)期在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下工作；模塊化結(jié)構(gòu)、可帶電插拔，系統(tǒng)維護(hù)方便；高速傳送系統(tǒng)數(shù)據(jù)和信息，實(shí)時(shí)性強(qiáng)；具有硬件配置的靈活性和擴(kuò)展性；通過以太網(wǎng)與上層管理網(wǎng)絡(luò)通信；開放的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，易于管理。 3.2 ERP系統(tǒng) ERP管理系統(tǒng)以Internet為組網(wǎng)技術(shù)，采用高性能的交換式網(wǎng)絡(luò)建造體系，通過以太網(wǎng)與DCS系統(tǒng)通信，將指令信息下達(dá)到控制層，優(yōu)化生產(chǎn)過程，保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)；將從DCS系統(tǒng)得到并處理后的生產(chǎn)過程狀況、生產(chǎn)工況等信息上傳至管理層與Internet電子商務(wù)相連。采用16個(gè)信息點(diǎn)數(shù)的交換機(jī)，各工作站及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器均通過以太網(wǎng)通信。 選用兩臺(tái)服務(wù)器，一臺(tái)作為主服務(wù)器，與DCS監(jiān)控系統(tǒng)相連接的同時(shí)，通過以太網(wǎng)另掛多臺(tái)管理用計(jì)算機(jī)工作站，使這些管理用工作站可訪問瀏覽DCS監(jiān)控系統(tǒng)所監(jiān)控的整個(gè)生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)，主服務(wù)器是管理系統(tǒng)的主域控制服務(wù)器、文件服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)與應(yīng)用服務(wù)器，同時(shí)配置一塊DH+網(wǎng)絡(luò)通信卡和一塊以太網(wǎng)卡；另一臺(tái)作為WEB服務(wù)器，用于連接Intranet，提供內(nèi)部和外部的Intranet服務(wù)。服務(wù)器基本配置為：CPU≥PⅣ2.0 GHz、雙CPU，≥40G硬盤、38cm彩色顯示器、標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、≥512MB內(nèi)存、1.44M軟驅(qū)、≥40XD-CDROM。 工作站設(shè)置在廠長(zhǎng)辦公室、調(diào)度室、技術(shù)管理辦公室、財(cái)務(wù)室、倉(cāng)儲(chǔ)管理室、化驗(yàn)室等廠重要部門，選用一般的PC機(jī)且為當(dāng)前適用的配置即可。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)，處理日常的辦公打印。 對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)控信息建立一個(gè)工廠實(shí)時(shí)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，選用Wonderware公司的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)Industrial SQL Server開發(fā)環(huán)境創(chuàng)建，為C1ient/Server結(jié)構(gòu)，是開放的數(shù)據(jù)庫(kù)，可通過Microsoft Excel等軟件存取訪問實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和配置數(shù)據(jù)、匯總數(shù)據(jù)、相關(guān)的商業(yè)數(shù)據(jù)。操作系統(tǒng)為Microsoft Server 2000。 系統(tǒng)主要特性：以企業(yè)自身作為主體，以企業(yè)的資源管理為中心；科學(xué)利用企業(yè)內(nèi)部的資源管理，控制企業(yè)資金流、信息流，使其有機(jī)組合，達(dá)到提高效率、降低成本的目的；在實(shí)時(shí)、大容量、工廠監(jiān)控和控制環(huán)境與開放靈活的電子商務(wù)信息環(huán)境之間架起了橋梁；支持現(xiàn)代辦公自動(dòng)化系統(tǒng)中的多媒體信息的快速傳遞，數(shù)據(jù)采集、輸入、分類、合并、檢索、存儲(chǔ)、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、分析、核算、輸出等功能；系統(tǒng)信息種類多、數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性不強(qiáng)；簡(jiǎn) 單、開放的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，易于維護(hù)；具有擴(kuò)展和升級(jí)能力。 4 功能設(shè)計(jì) 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)如圖2所示。實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能、生產(chǎn)管理功能和經(jīng)營(yíng)管理功能。 4.1 監(jiān)控功能 控制站完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)I/O信號(hào)的采集、處理和控制，工程師站完成對(duì)系統(tǒng)的編程、組態(tài)及對(duì)硬件的配置，操作站實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)顯示、監(jiān)控、操作、報(bào)警、記錄、報(bào)表和歷史儲(chǔ)存等功能。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立是核心，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)用來描述和構(gòu)造系統(tǒng)的一切實(shí)時(shí)事務(wù)活動(dòng)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述涵蓋過程控制中的所有類型的過程點(diǎn)、控制點(diǎn)和各類算法及接口，確定數(shù)據(jù)庫(kù)的各個(gè)組成部件，建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述和所有關(guān)聯(lián)操作，數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。 1）數(shù)據(jù)處理功能。對(duì)系統(tǒng)采集的各種數(shù)字信號(hào)，利用各種計(jì)算功能、數(shù)據(jù)變換功能等實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)信號(hào)有電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)、故障信號(hào)和啟/?？刂菩盘?hào)及流量、濃度、溶解氧含量、pH值模擬量信號(hào)等。 2）控制功能。系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)、中控室遙控和自動(dòng)控制3種控制方式，實(shí)現(xiàn)順序控制、聯(lián)鎖控制、故障聯(lián)鎖控制和生產(chǎn)過程回路控制功能。如：曝氣池、生化池，沉淀池液位與進(jìn)水閥門的聯(lián)鎖控制；污水泵房液位與污水提升泵的聯(lián)鎖控制；污水進(jìn)水量與污水提升泵運(yùn)行時(shí)間的聯(lián)鎖控制；總風(fēng)量與鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)的聯(lián)鎖控制；溶解氧濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)等功能。 3）顯示功能。按污水提升泵房、沉砂池、生化池、曝氣池、氧化溝、沉淀池、濃縮與脫水等11個(gè)工藝流程段顯示工藝運(yùn)行工況，利用數(shù)據(jù)鏈接技術(shù)使畫面上的電氣設(shè)備和元件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、閃爍、變色等功能，讓畫面上的工藝參數(shù)以數(shù)字、棒圖的形式實(shí)時(shí)顯示。 4）操作功能。利用彈出窗口、控制按鈕和DDE連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)各臺(tái)設(shè)備和各系統(tǒng)的啟/停操作、控制操作、切換操作、熱鍵操作和權(quán)限操作等功能，對(duì)各種操作均實(shí)現(xiàn)誤操作保護(hù)。 5）實(shí)時(shí)與歷史趨勢(shì)功能。對(duì)流量、pH、濁度、溶解氧、溫度等工藝參數(shù)當(dāng)前運(yùn)行狀況和運(yùn)行以來某段時(shí)間內(nèi)各參數(shù)值以圖表或曲線的形式顯示。 6）報(bào)警功能。顯示各設(shè)備故障、操作故障、參數(shù)超限、系統(tǒng)錯(cuò)誤等報(bào)警事件、報(bào)警狀態(tài)值及報(bào)警處理。 7）記錄功能。對(duì)各種報(bào)警事件、重要操作、系統(tǒng)運(yùn)行、重要參數(shù)等重要事件，進(jìn)行記錄和儲(chǔ)存。 8）報(bào)表功能。對(duì)當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行以來的各參數(shù)值生成實(shí)時(shí)和歷史生產(chǎn)報(bào)表，如班報(bào)表、日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表、報(bào)警報(bào)表等，實(shí)現(xiàn)定時(shí)或隨時(shí)打印。 4.2 生產(chǎn)管理功能 主要涉及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和管理科學(xué)的有關(guān)內(nèi)容。采用以經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為目標(biāo)的生產(chǎn)過程優(yōu)化運(yùn)行、優(yōu)化控制和優(yōu)化管理，起承上啟下的作用。 1）生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)管理。對(duì)污水處理過程數(shù)據(jù)、完成情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，分工藝流程段，按生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)回路或參數(shù)類型進(jìn)行。 2）生產(chǎn)調(diào)度管理。對(duì)上層生產(chǎn)計(jì)劃的判斷、識(shí)別，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度，執(zhí)行調(diào)度任務(wù)后，對(duì)污水處理完成情況進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，并修正計(jì)劃。 3）設(shè)備管理。對(duì)系統(tǒng)中的電氣設(shè)備，進(jìn)行設(shè)備標(biāo)定、預(yù)測(cè)故障發(fā)生、設(shè)備的壽命周期管理、運(yùn)行記錄、故障記錄、維護(hù)記錄及備品備件管理。 4）生產(chǎn)成本控制管理。對(duì)污水處理過程的物耗、能耗進(jìn)行在線計(jì)量和成本預(yù)測(cè)，與目標(biāo)成本比較、跟蹤和修正，給出降低成本的操作和控制指導(dǎo)。 5）物料控制管理。根據(jù)上層管理物料計(jì)劃，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行物料平衡，對(duì)物料進(jìn)行控制與管理。 6）質(zhì)量管理。對(duì)在線生產(chǎn)過程工藝參數(shù)與化驗(yàn)室分析值進(jìn)行比較、分析，及時(shí)調(diào)整被控參數(shù)，保證產(chǎn)品質(zhì)量。 7）安全管理。通過設(shè)備預(yù)測(cè)故障發(fā)生系統(tǒng)及時(shí)提出設(shè)備維護(hù)計(jì)劃，通過信息安全與權(quán)限管理實(shí)現(xiàn)軟件安全保護(hù)功能 4.3 經(jīng)營(yíng)管理功能 建立在Industrial SQL Server、辦公自動(dòng)化軟件、電子商務(wù)的環(huán)境下，全面實(shí)現(xiàn)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)管理，見圖4。根據(jù)廠實(shí)際需要實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)信息管理、設(shè)備管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理、運(yùn)行管理、物資管理、質(zhì)量管理、安全管理、財(cái)務(wù)管理、人力資源管理及辦公自動(dòng)化等功能。 財(cái)務(wù)核算層：實(shí)現(xiàn)財(cái)務(wù)自動(dòng)化的基本功能，包括帳務(wù)、工資、人力資源、固定資產(chǎn)等。是經(jīng)營(yíng)管理系統(tǒng)的起點(diǎn)。 物流管理層：實(shí)現(xiàn)企業(yè)以供應(yīng)、倉(cāng)儲(chǔ)、銷售為主流的物流過程的自動(dòng)化管理，包括采購(gòu)、生產(chǎn)領(lǐng)料等。涵蓋了除生產(chǎn)管理以外的其它管理內(nèi)容，是業(yè)務(wù)自動(dòng)化的主要內(nèi)容。計(jì)劃綜合管理層：實(shí)現(xiàn)以計(jì)劃為核心的全面管理，包括市場(chǎng)與用戶分析、綜合生產(chǎn)計(jì)劃、成本核算與 控制、以及服務(wù)管理和現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)管理等。是現(xiàn)代企業(yè)管理思想的融會(huì)貫通，也是經(jīng)營(yíng)管理系統(tǒng)的重點(diǎn)。 5 結(jié)束語 系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來運(yùn)行狀態(tài)良好，受到廣泛關(guān)注，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。廠二期投入運(yùn)行后并沒有在一期基礎(chǔ)上增添另一套生產(chǎn)運(yùn)行管理的操作、技術(shù)和管理人員，提高了效率、降低了成本；全廠只設(shè)置技術(shù)部與綜合管理辦公室，前者主要責(zé)任是生產(chǎn)管理與維護(hù)，后者主要承擔(dān)財(cái)務(wù)、倉(cāng)儲(chǔ)、供應(yīng)、生產(chǎn)成本核算等經(jīng)營(yíng)管理職責(zé)，二者直接對(duì)廠長(zhǎng)負(fù)責(zé)，進(jìn)行網(wǎng)上辦公，優(yōu)化了管理模式。污水處理廠管控一體化系統(tǒng)在技術(shù)上和管理上的可行性已被證實(shí)。同時(shí)由于Internet技術(shù)的迅猛發(fā)展，改變了傳統(tǒng)的管理和信息傳遞的單向性，企業(yè)以管控一體化為基礎(chǔ)平臺(tái)，在供應(yīng)體系和設(shè)備維護(hù)體系引進(jìn)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制后，企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益將會(huì)成倍提高。