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類型分類：: 科普知識(shí)

數(shù)據(jù)分類：: 數(shù)據(jù)通訊產(chǎn)品

污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)的分析與應(yīng)用

發(fā)布日期：2022-04-18 點(diǎn)擊率：31

摘要：本文主要介紹了我國(guó)目前污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)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)路污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)為例，具體說(shuō)明了污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用，最后分析了污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)的改進(jìn)和發(fā)展。
關(guān)鍵詞：可編程控制器現(xiàn)場(chǎng)總線污水處理廠

一、引言
水是人類生活和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不可或缺的重要部分，隨著科技水平的飛速發(fā)展和人類生活水平的巨大提升，對(duì)于潔凈的優(yōu)質(zhì)的水源的需求也不斷急劇釋放。為建設(shè)可靠、穩(wěn)定、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)以及可擴(kuò)展的合理的水處理自動(dòng)化系統(tǒng)成為工程界和城市水行業(yè)營(yíng)運(yùn)管理部門(mén)共同關(guān)心的問(wèn)題。微電子、通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展大大提高了水處理控制系統(tǒng)的信息化和智能化程度，與3C技術(shù)相結(jié)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(tǒng)的核心控制器，其與開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)一起，共同推動(dòng)著水處理自動(dòng)化系統(tǒng)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。凈水廠控制系統(tǒng)通常分為水廠調(diào)度系統(tǒng)、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(duì)獨(dú)立工作，通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，將所有的數(shù)據(jù)信息送到水廠調(diào)度室進(jìn)行處理，或?qū)⒁徊糠謹(jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)調(diào)度系統(tǒng)以無(wú)線（或有線）通訊的方式送到城市的調(diào)度中心。對(duì)于污水處理來(lái)說(shuō)，要根據(jù)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(tǒng)應(yīng)用PLC的要求也有所不同。一般講，整個(gè)污水處理廠都有總控室和多個(gè)現(xiàn)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(tái)計(jì)算機(jī)、工作站和圖形站都用信息層網(wǎng)絡(luò)連接，這樣和現(xiàn)場(chǎng)控制站構(gòu)成了集中管理，分散控制，高速數(shù)據(jù)交換的工廠級(jí)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)[1]。PLC自控系統(tǒng)是水處理廠的控制核心部分，對(duì)其合理的選型和設(shè)計(jì)，對(duì)污水廠能否高效、自動(dòng)化的運(yùn)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的正常運(yùn)行。

二、系統(tǒng)構(gòu)成
污水處理廠自控系統(tǒng)一般包括污水廠部分和廠外泵站部分。監(jiān)控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)和PLC是污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)的核心組成部分，它們的性能對(duì)污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)會(huì)起到?jīng)Q定性的作用[2]。根據(jù)污水處理自動(dòng)化本身的特點(diǎn)和監(jiān)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(tǒng)性能的重要因素。
通信網(wǎng)絡(luò)：
在污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上，國(guó)內(nèi)在管理體制上主要采用三級(jí)管理，即監(jiān)控總中心、區(qū)域監(jiān)控分中心和監(jiān)控站。由于監(jiān)控站不直接對(duì)污水處理廠的外場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行直接控制，因此工程界按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的劃分把監(jiān)控系統(tǒng)劃分為信息層、控制層和設(shè)備層。
第一層為信息層，主要負(fù)責(zé)大量信息及不同廠家不同設(shè)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)廠商均支持工業(yè)以太網(wǎng)，并且他們?cè)谠蠺CP/IP的基礎(chǔ)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，因此在污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)中以太網(wǎng)主要用于各個(gè)控制分站與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸，包括各種傳感器數(shù)據(jù)等大量歷史數(shù)據(jù)信息。

第二層為控制層，主要采用現(xiàn)場(chǎng)總線組成隧道區(qū)域控制器網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是由于采用了標(biāo)準(zhǔn)總線組網(wǎng)，既能滿足實(shí)時(shí)通信的要求，又具有開(kāi)放協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)接口，能在總線上方便的掛接各種外場(chǎng)設(shè)備，有利于監(jiān)控系統(tǒng)的擴(kuò)展。目前，現(xiàn)場(chǎng)總線有40多種，在污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線主要有Controller Link、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(jì)算機(jī)、PLC與PLC及其它設(shè)備之間的大量數(shù)據(jù)的高速通訊。為使系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，控制層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多采用環(huán)網(wǎng)的方式組成，包括線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(shè)備層，這一層用于PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、遠(yuǎn)程I/O端子及現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)總線而得到了廣泛的應(yīng)用，而Profibus/DP雖然沒(méi)有成為標(biāo)準(zhǔn)，但是它的應(yīng)該也相當(dāng)廣泛。
值得指出的是，近來(lái)年以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用使得人們把目光投向了現(xiàn)場(chǎng)總線上來(lái)，工業(yè)以太網(wǎng)是否最終將取代現(xiàn)場(chǎng)總線仍然是一個(gè)爭(zhēng)論的話題。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(biāo)上仍然無(wú)法具有現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。從本質(zhì)上來(lái)講，以太網(wǎng)的載波幀聽(tīng)沖突監(jiān)測(cè)CSMA/CD的訪問(wèn)方式，實(shí)時(shí)性并沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)總線采用的令牌總線和令牌環(huán)的訪問(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(dāng)前技術(shù)還未完全成熟之前，現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用于控制層，是一個(gè)積極和穩(wěn)妥的選擇。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，今后其取代現(xiàn)場(chǎng)總線而用于控制層也是很有可能的。
三層網(wǎng)絡(luò)的具體性能指標(biāo)見(jiàn)表一所示。

表（一）三層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一覽表
　信息層控制層設(shè)備層
速率名稱速率名稱速率名稱
Omron 100M/10M Ethernet 100M/10M Ethernet/IP 12M Profibus/DP
100M/10M Ethernet/IP 2M Controller Link 500K DeviceNet
Schneider 100M/10M Ethernet 100M/10M Modbus-TCP/IP 19.2K Modbus
100M/10M Modbus-TCP/IP 1.5M Modbus-Plus 　　
Rockwell 100M/10M Ethernet 100M/10M Ethernet/IP 500K DeviceNet
100M/10M Ethernet/IP 1.5M,5M(<100m) ControlNet 　　
Siemens 100M/10M Ethernet 100M/10M ProfiNet 12M Profibus/DP
100M/10M ProfiNet 1.5M Profibus/FMS 　　

監(jiān)控分中心及上位監(jiān)控軟件：
監(jiān)控分中心一般將設(shè)置多臺(tái)SCADA工作站（工控機(jī)）。分別用于水廠調(diào)度系統(tǒng)、加藥間（加氯間）、濾站、送水泵房等監(jiān)控，完成污水廠內(nèi)各種設(shè)備的狀態(tài)顯示、自動(dòng)控制、半自動(dòng)控制、打印報(bào)警、分析報(bào)表等工作。同時(shí)，監(jiān)控分中心還將設(shè)置了多臺(tái)服務(wù)器，為其它計(jì)算機(jī)提供支援和與監(jiān)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(tǒng)的應(yīng)用方面，又以羅克維爾、歐姆龍和施奈德的應(yīng)用最為廣泛。
污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)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(tǒng)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(wěn)定可靠，并具有預(yù)先處理數(shù)據(jù)和集中傳輸數(shù)據(jù)的能力，具有較高的故障保護(hù)能力；其次，控制分站本地控制器可以獨(dú)立承擔(dān)控制分區(qū)的基本控制任務(wù)，即使監(jiān)控站或者監(jiān)控中心因故障停止運(yùn)行，相鄰區(qū)域的控制器也能交換數(shù)據(jù)信息；再次，當(dāng)某控制站的控制量出現(xiàn)變化時(shí)，可按預(yù)定方案和程序采取相應(yīng)的算法，對(duì)相關(guān)區(qū)域的控制對(duì)象，比如泵或者加藥系統(tǒng)等做出相應(yīng)的調(diào)整。因此，它必須至少有如下功能模塊，數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)處理功能（實(shí)現(xiàn)集中和獨(dú)立工作方式，尤其是在獨(dú)立控制時(shí)能與相鄰控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換）；通信功能、容錯(cuò)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(jiān)控系統(tǒng)的性能要求和自然條件以及運(yùn)營(yíng)周期對(duì)設(shè)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(guī)模的污水處理廠，需要選擇性能更好的雙機(jī)熱備冗余的PLC，如Schneider的2Quantom系列、Rockwell的2ControlLogix、Omron的CS1D系列、Siemens的S7-417系列；區(qū)別在于Omron的雙系統(tǒng)是在一個(gè)底板上實(shí)現(xiàn)，而Siemens等是兩個(gè)底板通過(guò)光纖連接，會(huì)在一定程度上占用控制柜的空間，但他們的配置都很靈活，可以任意實(shí)現(xiàn)雙CPU雙電源、雙CPU單電源、單CPU單電源多種冗余結(jié)構(gòu)。
在一般的環(huán)境狀態(tài)的時(shí)候或較小規(guī)模的污水處理廠，多采用標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)型作為現(xiàn)場(chǎng)控制器，如Schneider的Quantom140系列、Rockwell的ControlLogix、Omron的CS1系列、Siemens的S7-400系列等；他們都支持工業(yè)以太網(wǎng)和多種現(xiàn)場(chǎng)總線，控制方式采用遠(yuǎn)程帶CPU的智能分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)開(kāi)放性和兼容性強(qiáng)，豐富的I/O及高功能模塊，完全滿足污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)信號(hào)處理的要求。

三、應(yīng)用案例
下面以天津咸陽(yáng)路污水處理廠為例[3]，具體說(shuō)明污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成，控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖一所示：

圖一天津咸陽(yáng)路污水處理廠自控系統(tǒng)方案

信息層：咸陽(yáng)路污水處理系統(tǒng)因其分布面積較大，廠區(qū)內(nèi)共有5個(gè)PLC分站：預(yù)處理系統(tǒng)分控主站PLC1、生物處理系統(tǒng)分控主站PLC2、污泥處理系統(tǒng)分控主站PLC3、出水及雨水系統(tǒng)分控主站PLC4和污泥消化系統(tǒng)PLC5，使用的CPU均為OMRON的CS1H-CPU66H。該功能層實(shí)現(xiàn)污水處理廠各單元過(guò)程所有過(guò)程參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及電氣參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，單元過(guò)程及設(shè)備的控制，并通過(guò)OMRON網(wǎng)絡(luò)模塊CS1W-ETN21，和中央控制室通過(guò)赫斯曼太網(wǎng)交換機(jī)，組成100M光纖以太環(huán)網(wǎng)，向監(jiān)控層傳送數(shù)據(jù)和接受監(jiān)控層控制指令。在中控室中，作為工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器、兩臺(tái)工程師/操作員站計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、UPS電源及監(jiān)視屏等設(shè)備，其主要職能是進(jìn)行系統(tǒng)中的信息交換與信息顯示及控制。該層通過(guò)上位監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)主要工藝設(shè)備的控制和調(diào)度，對(duì)污水處理全過(guò)程中的工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、優(yōu)化和調(diào)整，對(duì)主要工藝流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬和趨勢(shì)分析、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)控制，在控制組態(tài)上實(shí)現(xiàn)各種常規(guī)與復(fù)雜的優(yōu)化控制、專家控制、模糊控制等先進(jìn)的智能控制。同時(shí)，功能強(qiáng)大與穩(wěn)定的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)亦通過(guò)以太網(wǎng)成為上下層間的信息通道。污水廠中控室控制站還通過(guò)RIAMBView和信息中心、便攜計(jì)算機(jī)及廠外泵站（咸陽(yáng)路泵站、密云路泵站）等處進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊， RIAMBView具備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)（最適合SCAD

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