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——由計算機(jī)、PLC、現(xiàn)場總線、現(xiàn)場在線儀表組成多級的、開放的、模塊化的、實時多任務(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)自動化研究所成立于1954年，是一家大型自動化技術(shù)研究單位。其下屬的自控中心多年來一直致力于水處理、自動生產(chǎn)線和水力電力領(lǐng)域自控系統(tǒng)的研究開發(fā)和應(yīng)用。代表項目有：三峽南北兩岸的大壩自控項目、重慶長安汽車廠生產(chǎn)線自控項目、北京小紅門水廠污水處理自控項目、蘭州水廠供水自控項目、邯鄲鐵溪水廠供水自控項目、張家口水廠污水處理自控項目等。
廣西南寧江南水廠污水處理控制及監(jiān)控系統(tǒng)為廣西重點工程，建設(shè)資金來源于世行。北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所自控中心承擔(dān)了該項工程。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)過濃縮、脫水后外運(yùn)填埋或作堆肥?，F(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環(huán)節(jié)。
1、污水處理環(huán)節(jié)
其作用是將污水經(jīng)過層層處理后，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)定幾個液位值，根據(jù)測得的液位值與設(shè)定液位值比較，自動增、減泵運(yùn)行臺數(shù)，并且自動累計每臺泵運(yùn)行時間，實現(xiàn)泵的自動輪換運(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、缺氧和好氧三個生物反應(yīng)過程組成。
控制方式：水下攪拌器連續(xù)運(yùn)行，并對鼓風(fēng)機(jī)及電動空氣調(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，計算出回流污泥比，再換算成污泥回流量，自動控制回流污泥泵的運(yùn)行臺數(shù)。同時自動累計單臺泵運(yùn)行時間，實現(xiàn)自動輪換運(yùn)行。
1.7、 沉淀池
功能：對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)時間及泥位計控制。
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)過處理后，脫離出來，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，計算出總的產(chǎn)泥量，以自動控制剩余污泥泵的運(yùn)行臺數(shù)，自動累計泵單臺的運(yùn)行時間，實現(xiàn)自動輪換運(yùn)行。設(shè)定吸泥井液位的高低限報警，達(dá)到高限報警時自動啟動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)來的污泥量自動控制設(shè)備的運(yùn)行臺數(shù)，根據(jù)進(jìn)來的污泥量及污泥含固率自動控制加藥量，對儲藥罐的液位及藥量進(jìn)行監(jiān)測。對濃縮機(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PLC現(xiàn)場控制站對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)是一個集中監(jiān)視管理、分散控制的PLC控制系統(tǒng)?？刂浦行摹⒖刂普就ㄟ^有線網(wǎng)絡(luò)連接。各有分工，既能獨立工作，又能在統(tǒng)一指揮下協(xié)調(diào)工作?？刂普竞推渌涮自O(shè)備也需通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。為了實現(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)計根據(jù)國內(nèi)外城市水系統(tǒng)的運(yùn)行管理情況以及我們在該行業(yè)中的實踐經(jīng)驗，依照國際自動控制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，本著安全可靠,簡單實用,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，以施耐德UNITY控制平臺和開放的現(xiàn)場總線網(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由計算機(jī)、PLC、現(xiàn)場總線、現(xiàn)場在線儀表組成的多級的、開放的、模塊化的、實時多任務(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)管理計算機(jī)站、服務(wù)器，化驗室計算機(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、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)軟件開發(fā)的江南污水廠生產(chǎn)過程控制、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、生產(chǎn)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)故障報警信息）信息系統(tǒng)等組成。 該體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對江南水廠生產(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、開放性和安全性。
⑵ 控制層：
控制層以施耐德 Unity平臺為控制核心，將分布在各工藝段之間的施耐德 Unity PLC和中央監(jiān)控計算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)相連，實現(xiàn)控制信號的高速傳輸。施耐德 Unity PLC自動監(jiān)測重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和工藝參數(shù)變化，并對設(shè)備進(jìn)行自動控制?？刂茖佑布O(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)?？刂茖拥木W(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)用層采用開放的通訊協(xié)議。當(dāng)環(huán)網(wǎng)發(fā)生一個光纖斷點時，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)點接入設(shè)備，而不需要更改從前的站號和配置，充分考慮了今后擴(kuò)展的方便性。在出現(xiàn)故障時，在線增加或刪除任意一個節(jié)點，都不會影響到其他設(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RJ45連接到該站的交換機(jī)上。另外，LCS1控制站通過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LCS1控制站的遠(yuǎn)程I/O站。本控制站的觸摸屏通過光纖介質(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MCC柜的各智能變送器進(jìn)行多點通訊。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，在實現(xiàn)現(xiàn)場離散設(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，將成本費用減少到最小，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： 通過親身經(jīng)歷，我們認(rèn)為施耐德UNITY確實是新一代自動化平臺上的硬件和軟件產(chǎn)品：新軟件的使用可以大大地減少開發(fā)項目的時間，新硬件的使用可以大大地提高系統(tǒng)處理的速度，基于開發(fā)平臺和協(xié)同工具，施耐德UNITY使得設(shè)計、制造、維護(hù)的自動化水平達(dá)到前所未有的高度，從而大大提高了生產(chǎn)效率。下面是我在實踐過程中的小體會：
1、施耐德UNITY PLC具有超強(qiáng)的處理能力、超大存儲空間，并提供全面開放的通訊解決方案。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，在實現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)的同時，最大限度節(jié)約了成本。另外，140CPU65150提供了一個數(shù)顯操作屏我們不僅能監(jiān)視CPU狀<
