污水處理廠(chǎng)自動(dòng)化系統的分析與應用

摘要：本文主要介紹了我國目前污水處理自動(dòng)化系統的構成，分析了作為其核心的PLC控制器和通信網(wǎng)絡(luò )的選型以及整體解決方案，同時(shí)以天津咸陽(yáng)路污水處理廠(chǎng)自動(dòng)化系統為例，具體說(shuō)明了污水處理廠(chǎng)自動(dòng)化系統的應用，最后分析了污水處理廠(chǎng)自動(dòng)化系統的改進(jìn)和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：可編程控制器現場(chǎng)總線(xiàn)污水處理廠(chǎng)

　　一、引言
　　水是人類(lèi)生活和國民經(jīng)濟發(fā)展的不可或缺的重要部分，隨著(zhù)科技水平的飛速發(fā)展和人類(lèi)生活水平的巨大提升，對于潔凈的優(yōu)質(zhì)的水源的需求也不斷急劇釋放。為建設可靠、穩定、先進(jìn)、經(jīng)濟以及可擴展的合理的水處理自動(dòng)化系統成為工程界和城市水行業(yè)營(yíng)運管理部門(mén)共同關(guān)心的問(wèn)題。微電子、通信、計算機技術(shù)的發(fā)展大大提高了水處理控制系統的信息化和智能化程度，與3C技術(shù)相結合的PLC以其卓越的可靠性、抗干擾性以及靈活的控制方式成為水處理自動(dòng)化系統的核心控制器，其與開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò )通信系統一起，共同推動(dòng)著(zhù)水處理自動(dòng)化系統的智能化程度的發(fā)展。
　　水處理行業(yè)主要分為凈水處理和污水處理兩大部分。凈水廠(chǎng)控制系統通常分為水廠(chǎng)調度系統、加藥間（加氯間）PLC控制站、濾站PLC控制站、送水泵房PLC控制站等。各個(gè)控制站相對獨立工作，通過(guò)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通訊，將所有的數據信息送到水廠(chǎng)調度室進(jìn)行處理，或將一部分數據通過(guò)調度系統以無(wú)線(xiàn)（或有線(xiàn)）通訊的方式送到城市的調度中心。對于污水處理來(lái)說(shuō)，要根據污水水源地狀況來(lái)確定污水處理的工藝流程，由于污水處理工藝的不同而自控系統應用PLC的要求也有所不同。一般講，整個(gè)污水處理廠(chǎng)都有總控室和多個(gè)現場(chǎng)控制站，站與站之間通過(guò)控制器層網(wǎng)絡(luò )或信息層網(wǎng)絡(luò )相連，然后全部連接到總控室，總控室的多臺計算機、工作站和圖形站都用信息層網(wǎng)絡(luò )連接，這樣和現場(chǎng)控制站構成了集中管理，分散控制，高速數據交換的工廠(chǎng)級自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )[1].PLC自控系統是水處理廠(chǎng)的控制核心部分，對其合理的選型和設計，對污水廠(chǎng)能否高效、自動(dòng)化的運行非常重要。然而，PLC網(wǎng)絡(luò )又是其中的重中之重，網(wǎng)絡(luò )的好壞直接影響到污水廠(chǎng)的正常運行。
　　二、系統構成
　　污水處理廠(chǎng)自控系統一般包括污水廠(chǎng)部分和廠(chǎng)外泵站部分。監控系統通訊網(wǎng)絡(luò )和PLC是污水處理自動(dòng)化系統的核心組成部分，它們的性能對污水處理自動(dòng)化系統會(huì )起到?jīng)Q定性的作用[2].根據污水處理自動(dòng)化本身的特點(diǎn)和監控需求選擇合適的PLC及通訊網(wǎng)絡(luò )是保證污水處理自動(dòng)化系統性能的重要因素。
　　通信網(wǎng)絡(luò )：
　　在污水處理自動(dòng)化系統的結構上，國內在管理體制上主要采用三級管理，即監控總中心、區域監控分中心和監控站。由于監控站不直接對污水處理廠(chǎng)的外場(chǎng)設備進(jìn)行直接控制，因此工程界按照系統結構的劃分把監控系統劃分為信息層、控制層和設備層。
　　第一層為信息層，主要負責大量信息及不同廠(chǎng)家不同設備之間的信息傳輸，工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet為目前較常用的一種信息網(wǎng)絡(luò )，世界各大PLC生產(chǎn)廠(chǎng)商均支持工業(yè)以太網(wǎng)，并且他們在原有TCP/IP的基礎上，相繼開(kāi)發(fā)出實(shí)時(shí)性更高的工業(yè)以太網(wǎng)，如歐姆龍和羅克維爾支持的Ethernet/IP，施奈德支持的Modbus-TCP/IP以及西門(mén)子支持的ProfiNet等。由于Ethernet的信息量大，因此在污水處理廠(chǎng)自動(dòng)化系統中以太網(wǎng)主要用于各個(gè)控制分站與監控中心的數據傳輸，包括各種傳感器數據等大量歷史數據信息。
　　第二層為控制層，主要采用現場(chǎng)總線(xiàn)組成隧道區域控制器網(wǎng)絡(luò )，其特點(diǎn)是由于采用了標準總線(xiàn)組網(wǎng)，既能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)通信的要求，又具有開(kāi)放協(xié)議的標準接口，能在總線(xiàn)上方便的掛接各種外場(chǎng)設備，有利于監控系統的擴展。目前，現場(chǎng)總線(xiàn)有40多種，在污水處理廠(chǎng)自動(dòng)化系統中應用的現場(chǎng)總線(xiàn)主要有ControllerLink、LonWorks、Inetrtbus、Profibus、Can和Modbus.他們的共同特點(diǎn)是高速、高可靠，適合PLC與計算機、PLC與PLC及其它設備之間的大量數據的高速通訊。為使系統的穩定可靠，控制層的網(wǎng)絡(luò )結構多采用環(huán)網(wǎng)的方式組成，包括線(xiàn)纜型和光纖作為傳輸介質(zhì)，具體組網(wǎng)將在后面作出實(shí)例說(shuō)明。
　　第三層為設備層，這一層用于PLC與現場(chǎng)設備、遠程I/O端子及現場(chǎng)儀表之間的通訊，它們有DeviceNet、Modbus以及Profibus/DP等，其中DeviceNet已經(jīng)成為工業(yè)界的標準總線(xiàn)而得到了廣泛的應用，而Profibus/DP雖然沒(méi)有成為標準，但是它的應該也相當廣泛。
　　值得指出的是，近來(lái)年以太網(wǎng)的廣泛應用使得人們把目光投向了現場(chǎng)總線(xiàn)上來(lái)，工業(yè)以太網(wǎng)是否最終將取代現場(chǎng)總線(xiàn)仍然是一個(gè)爭論的話(huà)題。然而，不論是Ethernet/IP還是Modbus-TCP/IP，以太網(wǎng)在一些重要的性能指標上仍然無(wú)法具有現場(chǎng)總線(xiàn)的特點(diǎn)和優(yōu)勢。從本質(zhì)上來(lái)講，以太網(wǎng)的載波幀聽(tīng)沖突監測CSMA/CD的訪(fǎng)問(wèn)方式，實(shí)時(shí)性并沒(méi)有現場(chǎng)總線(xiàn)采用的令牌總線(xiàn)和令牌環(huán)的訪(fǎng)問(wèn)方式高，不論人們采用何種方式，如協(xié)議封裝、分時(shí)訪(fǎng)問(wèn)控制等，都只能改善以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性，起不到本質(zhì)的改變。在當前技術(shù)還未完全成熟之前，現場(chǎng)總線(xiàn)應用于控制層，是一個(gè)積極和穩妥的選擇。隨著(zhù)以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，今后其取代現場(chǎng)總線(xiàn)而用于控制層也是很有可能的。
　　監控分中心及上位監控軟件：
　　監控分中心一般將設置多臺SCADA工作站（工控機）。分別用于水廠(chǎng)調度系統、加藥間（加氯間）、濾站、送水泵房等監控，完成污水廠(chǎng)內各種設備的狀態(tài)顯示、自動(dòng)控制、半自動(dòng)控制、打印報警、分析報表等工作。同時(shí)，監控分中心還將設置了多臺服務(wù)器，為其它計算機提供支援和與監控總中心進(jìn)行通信。
　　PLC的選擇：
　　施奈德（Schneider）、西門(mén)子（Siemens）、歐姆龍（Omron）、羅克維爾（Rockwell）、通用電氣（GE）是全球五大PLC制造廠(chǎng)商和整體方案的提供者，他們的產(chǎn)品面向各自不同的領(lǐng)域，其中在污水處理自動(dòng)化系統的應用方面，又以羅克維爾、歐姆龍和施奈德的應用最為廣泛。
　　污水處理自動(dòng)控制系統對PLC的性能提出了更高的要求，作為污水處理自動(dòng)控制系統的核心控制器，其必須具備以下幾大功能特點(diǎn)：首先本身必須穩定可靠，并具有預先處理數據和集中傳輸數據的能力，具有較高的故障保護能力；其次，控制分站本地控制器可以獨立承擔控制分區的基本控制任務(wù)，即使監控站或者監控中心因故障停止運行，相鄰區域的控制器也能交換數據信息；再次，當某控制站的控制量出現變化時(shí)，可按預定方案和程序采取相應的算法，對相關(guān)區域的控制對象，比如泵或者加藥系統等做出相應的調整。因此，它必須至少有如下功能模塊，數據采集存儲處理功能（實(shí)現集中和獨立工作方式，尤其是在獨立控制時(shí)能與相鄰控制器實(shí)現數據交換）；通信功能、容錯功能、自動(dòng)診斷功能和本地操作功能（即能帶觸摸屏）。
　　必須綜合考慮整個(gè)監控系統的性能要求和自然條件以及運營(yíng)周期對設備的要求進(jìn)行選擇，尤其在極端氣候和惡劣環(huán)境狀況條件下或較大規模的污水處理廠(chǎng)，需要選擇性能更好的雙機熱備冗余的PLC，如Schneider的2Quantom系列、Rockwell的2ControlLogix、Omron的CS1D系列、Siemens

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