0 引言
隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展和自動化水平的不斷提高，越來越多的工廠采用分布式控制，集中信息管理的控制模式。對污水處理廠運(yùn)用集散控制系統(tǒng)模型可以最大限度提高污水處理廠運(yùn)行可靠性，提高出水水質(zhì)，降低能耗和工人勞動強(qiáng)度，達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目的?？删幊逃?jì)算機(jī)控制器（Programmable Computer Controller，簡稱PCC）以其高可靠性、編程方便、耐惡劣環(huán)境、功能強(qiáng)大等特性已成為工業(yè)控制領(lǐng)域中增長速度最迅猛的工業(yè)控制設(shè)備，它能很好地解決工業(yè)控制領(lǐng)域普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等問題[5]。本文以蘭州某縣的污水處理為例，介紹了基于貝加萊PCC和以太網(wǎng)的污水處理自動控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。PCC通過以太網(wǎng)與現(xiàn)場被控制設(shè)備建立通信，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和對現(xiàn)場設(shè)備的自動控制。
1 污水處理流程
該污水處理廠日處理污水量為5.0萬m3/d，出水標(biāo)準(zhǔn)要求實(shí)現(xiàn)國家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級B標(biāo)準(zhǔn)，對污水進(jìn)行三個階段的處理。一級處理，主要去除污水中呈懸浮狀態(tài)的固體污染物質(zhì)，經(jīng)過一級處理的污水，BOD一般可去除30%左右，達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)。一級處理屬于二級處理的預(yù)處理。二級處理，主要去除污水中呈膠體和溶解狀態(tài)的有機(jī)污染物質(zhì)（BOD，COD物質(zhì)），去除率可達(dá)90%以上，使有機(jī)污染物達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)[1]。三級處理，進(jìn)一步處理難降解的有機(jī)物、氮和磷等能夠?qū)е滤w富營養(yǎng)化的可溶性無機(jī)物等。處理工藝采用CASS池工藝生化處理，尾水達(dá)標(biāo)后排入黃河。污泥處理采用機(jī)械濃縮脫水處置工藝泥餅外運(yùn)衛(wèi)生填埋，污水處理流程如圖1所示。
圖1 污水處理流程圖
Fig.1 Flowchart of Sewage Treatment
2 系統(tǒng)控制方案
2.1 系統(tǒng)工藝分析
在沉淀池單元，利用超聲波液位變送器、提升泵和PCC構(gòu)成了一個控制回路。液位變送器將液位變化轉(zhuǎn)化成信號傳送給PCC，然后PCC根據(jù)信號做出相應(yīng)的反饋給變頻器，通過PID控制電磁閥來調(diào)整泵電機(jī)的頻率和啟停臺數(shù)，以此控制沉淀池單元的水量。
CASS池單元是整個處理工藝的核心單元。本系統(tǒng)在傳統(tǒng)CASS池的前端增加了一個生物選擇區(qū)（缺氧運(yùn)行），采用雙池進(jìn)水，循環(huán)周期采用6小時(shí)，CASS池每日按4個周期運(yùn)行，時(shí)段分配為：進(jìn)水/曝氣/回流4.0小時(shí)；靜止沉淀1.0小時(shí)；潷水閑置(排泥) 1.0小時(shí)。
PCC通過CASS池中的PH值、氧化還原電位、溶解氧、混合液懸浮固體濃度以及電導(dǎo)率值等參數(shù)的變化，做出相應(yīng)的反饋信號傳送給泵、變頻器和電動閥，變頻器通過PID方式控制鼓風(fēng)機(jī)組，保持管內(nèi)壓力恒定。通過泵、鼓風(fēng)機(jī)的啟停和調(diào)整電動閥的開度來實(shí)現(xiàn)CASS池污水處理工藝的自動控制，使其達(dá)到最佳處理狀態(tài)。
2.2 污水處理控制方案
根據(jù)污水廠的分布情況，共設(shè)有三個PCC現(xiàn)場控制站，分別設(shè)置在三個位置。
（1）粗格柵及污水提升泵房控制室，實(shí)現(xiàn)對所有現(xiàn)場在線儀表的數(shù)據(jù)采集，負(fù)責(zé)粗格柵及污水提升泵房、細(xì)格柵及沉砂池、配水井、進(jìn)廠水水質(zhì)的設(shè)備控制及數(shù)據(jù)采集。
（2）變配電室控制室，負(fù)責(zé)鼓風(fēng)機(jī)房、CASS反應(yīng)池、接觸池、加氯間、出廠水水質(zhì)的設(shè)備控制及數(shù)據(jù)采集。；
（3）污泥脫水機(jī)房控制室，負(fù)責(zé)貯泥池、污泥脫水機(jī)房、沖洗水池的設(shè)備控制及數(shù)據(jù)采集。
其中變配電室現(xiàn)場控制站還包括四個遠(yuǎn)程站，分別設(shè)置在CASS反應(yīng)池潷水器附近。在工藝流程各個環(huán)節(jié)中設(shè)置了完整的全過程檢測儀表，如流量、液位、壓力、PH、溶氧儀等檢測儀表，確保對工藝全過程運(yùn)行狀態(tài)、水量、水質(zhì)的監(jiān)控，滿足各環(huán)節(jié)的自動控制需要[2]。
自動控制系統(tǒng)采用開放的分布式控制系統(tǒng)，整個污水廠自控系統(tǒng)由中央控制室操作員站、現(xiàn)場PCC控制站和現(xiàn)場儀表組成。中央控制室操作員站和現(xiàn)場PCC控制站之間通過工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)接，數(shù)據(jù)和參數(shù)可以在PCC與中央控制室管理站之間相互傳送[3]；PCC控制站和現(xiàn)場儀表之間通過現(xiàn)場總線和4～20mA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；電機(jī)控制中心MCC控制站通過PCC控制站的輸入輸出模塊和PCC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖
Fig.2 Structure of System Network
在PCC現(xiàn)場控制站上，配置了帶TCP/IP接口的通訊模塊，以便和中央控制站通訊。另外還提供可編程的串口，以便與第三方智能串口設(shè)備進(jìn)行通訊。PCC現(xiàn)場控制站將監(jiān)視和控制污水處理的整個生產(chǎn)過程，并通過通訊網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)及其它現(xiàn)場控制設(shè)備進(jìn)行通訊。中控室能夠觀察到一些重要的運(yùn)行狀態(tài)和工藝參數(shù)，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行操作及控制參數(shù)的設(shè)置和修改?？紤]到方便、安全調(diào)試和運(yùn)行以及緊急情況，整個系統(tǒng)主要機(jī)械設(shè)備的控制采用就地手動控制、自動控制、中央控制站遙控的三層控制模式；其它設(shè)備采用現(xiàn)場控制、中央控制的兩層控制模式。
2.3 硬件設(shè)計(jì)
上位機(jī)硬件系統(tǒng)配置監(jiān)控計(jì)算機(jī)為兩臺研華工控機(jī)P4，其性能穩(wěn)定，可靠，性價(jià)比高。因?yàn)樵搹S以前使用西門子產(chǎn)品，擁有SIMATIC WINCC 6.0軟件，因此為了減少不必要的成本，采取OPC技術(shù)來負(fù)責(zé)PCC和WINCC軟件的數(shù)據(jù)通訊，主要實(shí)現(xiàn)對污水處理各工藝參數(shù)的檢測與控制。
下位機(jī)系統(tǒng)采用三臺貝加萊X20高性能X20CP1485控制器，自帶以太網(wǎng)，和RS232或CAN通訊接口，其處理頻率達(dá)到Celeron 400MHz，達(dá)到400US任務(wù)執(zhí)行時(shí)間。通過編制控制程序，對現(xiàn)場控制站I/O模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析、運(yùn)算并相應(yīng)輸出結(jié)果。自帶以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心數(shù)據(jù)通訊，采用容易擴(kuò)展X20 I/O單元，采集遠(yuǎn)程設(shè)備數(shù)據(jù)信號。結(jié)構(gòu)緊湊，功能齊全，性價(jià)比高，安裝方便[4]。
根據(jù)上述控制內(nèi)容和工藝要求，控制系統(tǒng)要完成對系統(tǒng)參數(shù)的檢測、控制、報(bào)警和自動生成報(bào)表等功能。因?yàn)楸颈O(jiān)控系統(tǒng)采集和控制點(diǎn)數(shù)非常多，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正常、穩(wěn)定、安全、高效的運(yùn)行，系統(tǒng)以工業(yè)以太網(wǎng)鏈接為主干網(wǎng)；局部采用RS 485主從式鏈路的局域網(wǎng)形式。上位機(jī)通過100M Ethernet，采用TCP/IP協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行信息傳輸。 通過上位機(jī)與主控單元實(shí)現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制，實(shí)踐表明，系統(tǒng)由很好的運(yùn)行結(jié)果。
2.4 軟件設(shè)計(jì)
貝加萊的PCC控制器采用分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，可將控制要求分成多個任務(wù)并且在一個掃描周期內(nèi)同時(shí)執(zhí)行。系統(tǒng)軟件使用Automaton Studio，它支持標(biāo)準(zhǔn)的C、Basic、梯形圖、指令表、順序結(jié)構(gòu)圖等6種標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)語言，提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理能力。同時(shí)編程環(huán)境中包含豐富的函數(shù)庫及功能塊,大大減輕了開發(fā)人員的工作量。本系統(tǒng)使用高級語言C進(jìn)行編程，其運(yùn)算時(shí)間快，而且容易實(shí)現(xiàn)模塊化編程。加上PCC的分時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，可以使控制更加快速和精確，以達(dá)到更好的控制目標(biāo)。
Automation Studio對所有自動化系統(tǒng)完成集成和配置任務(wù)并且能準(zhǔn)確地識別硬件組件，提供直觀精確的診斷功能，遠(yuǎn)程診斷功能、開放式接口。它的硬件和軟件都是模塊化的，可以根據(jù)控制需要組合成污水處理的專用控制系統(tǒng)，并具有靈活自由的聯(lián)網(wǎng)和擴(kuò)展能力。所有的模塊（包括液位控制模塊、溫度控制模塊等智能模塊）通過一個系統(tǒng)總線進(jìn)行連接通訊，中間沒有接口，并且還具有分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，可以設(shè)定程序循環(huán)周期。例如該系統(tǒng)就針對不同的控制要求采用了三種不同的循環(huán)時(shí)間，這樣系統(tǒng)控制就可以分時(shí)實(shí)現(xiàn)各自的控制目標(biāo)，使CPU的利用率達(dá)到最高。Automation Studio是確保透明性的研發(fā)過程和機(jī)器高效運(yùn)行的安全性保障。系統(tǒng)的程序流程如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)程序流程圖
Fig.3 Flowchart of System Program
3 控制系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)
為了減少成本，上位機(jī)軟件采用使用已有的西門子公司的WinCC V6.0版本。WinCC專門為過程控制和現(xiàn)場監(jiān)控開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)軟件。在組態(tài)時(shí)充分利用其強(qiáng)大的上下位全集成功能，節(jié)約了開發(fā)時(shí)間并增強(qiáng)了系統(tǒng)的透明訪問度。WinCC V6.0可以通過OPC技術(shù)與貝加萊PCC進(jìn)行通訊。首先要設(shè)置好貝加萊OPC服務(wù)器相應(yīng)的配置，接著在WinCC的變量管理器中添加OPC驅(qū)動程序，選擇好變量類型，然后就可以將已經(jīng)存在的OPC變量添加到WinCC中[6]。這樣WinCC同時(shí)可以直接集成三個PCC站上的所有I/O點(diǎn)和程序中的變量，省去了程序上大量的數(shù)據(jù)交換，減輕了調(diào)度PCC的負(fù)荷。
操作員站的兩臺工控機(jī)作為冗余服務(wù)器，支持TCP／IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在組態(tài)服務(wù)器時(shí)，系統(tǒng)會要求將兩臺服務(wù)器<
