摘要：自動化、信息化是為企業工藝及管理的實現服務的。全集成自動化過程控制系統，提供了污水處理全過程數據存儲、通訊和組態三者的統一性功能，它們的易擴展性、靈活性和開放性使之能廣泛地應用于水處理行業。本文介紹了新一代的過程控制系統Simatic PCS7，以及大屏幕顯示系統、CCTV監控系統在污水處理廠自控系統中的應用。
      關鍵字：控制、PLC、監控、通訊、網絡、系統

Application Of Monitoring System In Wastewater Treatment Plant
Liu  HaiYing

     Abstract：The automation, the informationization are serve for the enterprise craft and the management realization.The complete works become the automation process control system, has provided the sewage treatment entire process data storage, the communication and the configuration three unified function, their easy extension, the flexibility and openness enable it widely to apply in the water treatment profession.This article introduced new generation of process control system Simatic PCS7, as well as large screen display system, CCTV supervisory system in sewage treatment plant automatic control system application. 
     Key Words：Control、PLC、Monitor、Communication、Network、System

      一、概述

      某污水處理廠擴建工程的設計處理規模為30萬噸/日，該工程主要負責接受并處理該市區、縣城和企業排放的生產污水和城鎮生活污水。污水中以印染污水為主，約占總進水的85%以上。由于來自各個印染企業的污水水質有很大差別，使得進入廠區的水質很復雜。因而，儀表種類繁多且使用了大量的分析儀表是本工程的一個特點。據該設計要求，本工程采用了意大利的印染污水處理工藝技術“新型氧化溝”。采用了SIMATIC PCS7新一代過程控制系統，整個系統信號處理和傳輸高速可靠，控制系統算法優化多樣，人機界面功能強大，生動簡潔。同時，在廠區配置了CCTV監控系統，在中央控室內安裝了大型背投顯示屏，可以在中控室瀏覽到全廠的生產運行情況。整個系統基本實現了全廠生產過程的自動控制和監視。

      二、 控制系統的特點

      控制系統具有如下特點：

     （1 ）系統結構清晰，規模龐大，含有不同協議成套單元的接入，使用的儀表種類繁多。

     （2） 將快速以太網和現場總線技術（PROFIBUS）以及遠程I/O從站有機結合在一起，集中分散有度，真正實現了從現場到操作管理層的快速無故障通訊。

     （3） 采用了CPU雙冗余，總線冗余，極大提高了系統的可靠性。

     （4） 控制算法靈活多樣，自動化程度高。

     （5） 人機界面功能強大，使用方便。

      1.污水處理二期工程自控系統網絡結構

      污水處理自動控制部分包括一個中央控制室、4個分控制室和2個成套單元(MCP柜)。其中1＃分控站主要完成進廠污水的預處理，2＃和3＃分控站

      根據工藝和管理的需要，系統采用了二層式控制網絡：

     （1） 現場層采用PROFIBUS現場總線過程控制系統(FCS)，過程檢測儀表信號以PROFIBUS－PA信號為主，部分儀表信號采用4～20mA DC標準信號和PROFIBUS－DP信號，控制閥門采用現場總線PROFIBUS－DP信號型電動閥門；

     （2） 上層管理網分為二類:一類為10Mbps的工業以太網，用光纖環網將1個中央控制室和4個分控室連接成一個網絡。通過OS站、ES站和CP1613通訊卡和光纖鏈路模塊（OLM）相連接，滿足操作員站、工程師站對現場設備的監視、控制和管理，實現數據共享。另一類為符合TCP/IP協議的管理以太網，通過OS站、ES站上的網卡連接，主要實現工程師和操作員站之間文件管理、拷貝以及遠程WEB瀏覽功能。

      采用這樣的網絡結構，系統可以用1.5Mbps的速率處理來自0.5平方公里廠區不同位置的兩千余個信號。這充分體現了采用PROFIBUS通訊協議與傳統4～20mA信號傳輸相比的優點：信號傳輸安全高速，節約硬件和安裝費用。系統配置還充分利用了局域網的資源，實現了廠區范圍內生產狀況的多點監視。

      2.現場控制站

      現場控制站采用S7-400H+ET200M和DP/PA鏈路的控制方案。每個控制站都配備有控制點數多、功能強大且具有雙機熱備功能的S7-400H系統。向上通過OLM與10Mbps以太網連接，向下通過冗余的PROFIBUS－DP總線與配置方式靈活的ET200M分布式I/O從站和DP/PA鏈路連接。另外，現場總線設備中包括帶Profibus-DP接口的電動閥門執行器。為了將這些單通道的總線執行器接入S7-400H的雙DP網，在每一分控制站的S7-400H系統中配置一個Y-LINK模塊以實現這一功能。此外，掛接在系統總線上的還有兩個成套單元，一個是由西門子S7 300系列CPU自成控制體系的鼓風機房，一個總降壓變電所，是采用MODBUS通訊協議的一套獨立的控制系統。它們也是通過Y-LINK連接到DP總線上的。
系統網絡結構參見下圖。
 
　　

      3.控制系統軟件描述

      監控系統上位機軟件的設計充分考慮了操作的簡便性和功能的多樣性，并輔以PHOTOSHOP等先進繪圖軟件，使得監控界面更形象逼真、人性化。其中污泥回流泵房工藝環節的監控畫面如下圖所示。　
 
　　

      通過上位機監控軟件，操作人員可以對二期工程所有工藝環節儀表參數和電氣設備狀態進行實時監控。并可通過點擊設備彈出對話框的方式對設備進行遠程操作，如泵的啟停和頻率調節、閥門的開度設定、預置控制參數等等。并對主要的工藝參數進行了連續一周的變量記錄，以歷史趨勢的方式顯示，以便進行觀察和工藝調節。當現場的電氣設備有故障發生以及工藝參數有超標現象發生時，監控畫面的右上角將已突出顏色閃爍的浮動條給出故障的設備位號或工藝參數名稱以及所處工藝環節的位置等告警信息。另外，系統可以按照一定的統計算法給出一天24小時的重要工藝參數的統計信息，并在每天固定時間自動打印產生日報表。也可隨時人工選擇打印報表。

      下位機在控制算法上，我們采用了液位控制、時間控制、處理水量控制等多種算法，實現了根據預處理水量與水質，對各工藝環節泵、閥、攪拌器、吸刮泥機等主要設備的啟動停止進行控制。并對溶解氧—鼓風量回路建立了Fuzzy控制邏輯，根據以往處理經驗建立了專家系統數據庫，實現了對鼓風量的模糊控制。在泵的頻率調節上，我們采用了PID算法，根據水池液位與處理水量進行泵的調頻。以上算法的應用使得整個系統具有了較高的自動化程度和靈活性。

      三、重點技術介紹

      1.不同通訊協議系統間的無縫連接

      廠內的總降壓變電所含有兩臺16000kVA、35/10.5KV電力變壓器，它的主要功能是向廠內、污泥填埋場及10KV高壓電機及電力變壓器供電，包含35kV、10 KV高壓開關柜等配套設備。這是一套采用MODBUS協議自成單元的綜合保護自動化系統。為了管理的需要，總降壓變電所的各種高配信號和狀態除了在總降就地顯示以外還要上傳中控室顯示監控。為此在將總降系統掛接在PROFIBUS－DP總線上之前要經過一個PROFIBUS－MODBUS的硬件轉換橋。同時在軟件上實現向總降系統發送命令請求，接受總降的應答信息，對接受到的信息進行校驗，并在中控室的組態畫面上將接收到的狀態和數據正確的顯示。這個過程經過了空間直線約500米的距離以及MODBUS總線、PROFIBUS總線以及工業以太網三層網絡的數據傳輸與轉換。總降需要上傳中控的信號共有模擬量258個，主要為各個高壓開關的三相電壓、電流、功率等參數，數字量328個，主要為高壓開關手車、斷路器、變壓器的狀態，以及各種報警信號。兩個系統采用9600的波特率進行信號傳輸，下面的表格以一個字為例給出了信號表的結構（含有16個狀態量）。 
　
　　

      2.兩期工程的一體化運行管理

      污水廠的現有兩期工程希望通過工業以太網層相聯，即兩期工程可以互相監控對方生產運行狀況。但是，考慮到軟件點數的限制，系統網絡的傳輸速度以及兩套控制系統得到相對獨立性，我們沒有在工業以態網級將兩個系統連接，而是在普通以太網層采用OPC的方式進行了兩期工程上位機WinCC的連接。這種方法首先要局域網的基礎上建立兩期工程中央控制操作員站的交互式OPC通道連接，然后OPC通道建立遠程變量在本地的映射，再將遠程的組態畫面復制到本地，重新建立畫面顯示內容于OPC本地映射變量的連接，就可以實現兩期工程的交互顯示了。這樣做而不采用WEB方式的原因是一期工程的上位機軟件是WinCC V5.0，它無法使用WEB Navigator軟件，而這個軟件成本比較高，又有嚴格的用戶數量限制。采用OPC的方法也有缺點即工作量比較大。

      3.簡單的企業ERP的實現

      在廠區內，除了值班人員需要通過操作員站對現場設備進行監控管理以外，管理人員同樣需要瀏覽現場的生產運行狀況，以便管理和決策。為此需要將組態畫面顯示在相應管理人員辦公室里。解決的辦法是采用WEB瀏覽的方式，將中央控制室的操作員站作為WEB服務器，將要瀏覽生產狀況的計算機作為WEB客戶端,使它們組成一個局域網，使用西門子WEB Navigator軟件在WEB服務器上將組態畫面進行發布，并創建授權用戶，使得在授權范圍內的有限用戶可以在局域網內通過ActiveX支持的IE遠程瀏覽組態畫面，但是不能進行控制操作。這樣也維護了系統的獨立性。

      為了便于對全廠生產運行狀況進行實景監控，我們以CCTV系統、大屏幕顯示系統和數字硬盤錄像系統為基礎，建立了一套高級實時動態視覺監控系統。其中，CCTV系統由分布在廠區的9個攝像頭和中央控制室的矩陣切換器，操作鍵盤和監視器組成。在中央控制室內可以隨意切換需要監控的攝像頭，并能控制攝像頭進行各種動作。大屏幕顯示系統可以將組態畫面、現場攝像信號進行任意組合和跨屏拼接顯示。使得監控更直觀。嵌入式數字硬盤錄像系統可以把9路現場錄像信號進行連續48 小時的錄像，并可根據時段回放錄像。這三部分子系統保證了將全廠生產狀況在中控室內一覽無疑，使得監視過程輕松自如。整個系統的結構示意圖如下：
 
　　
　　

      五、總結

      該污水處理廠二期工程使用了靈活開放的PCS7作為控制系統，將大屏幕顯示系統、CCTV監視系統、數字硬盤錄像系統等多個系統集成在一起，組成了一套功能強大、運行穩定安全可靠的污水處理自動控制系統，成為當今的污水處理行業一個成功的案例。
      參考文獻
      [1]   西門子有限公司  Simatic S7-400產品目錄
      [2]   西門子有限公司  Automation System S7-400Module Specifications
      [3 ]   西門子有限公司  西門子工業通訊網絡產品介紹
作者簡介：劉海盈 1980年1月生 男 
             現今工作單位：常州明園自動化工程有限公司
             職務：項目經理；
             學歷：本科；
             職稱：助理工程師 
             工作方向：自動化系統集成控制
             地址：常州新北區河海中路99號 常州明園自動化工程有限公司
             郵編：213000
             手機：13861291662
             E_mail:Liu_HY3@126.com