【摘 要】：基于分布式控制系統、計算機網絡技術的特點、大型污水處理廠對生產過程控制自動化及管理信息化的要求，結合實例從系統結構、軟件平臺、硬件配置、實現功能幾方面對污水處理廠管控一體化系統的設計與實現進行了詳細的闡述，指出企業管控一體化系統的關鍵環節是生產管理自動化的實現，復合型網絡結構尤適合已建或分期建設的大型污水處理廠。 關鍵詞：分布式控制 生產管理 經營管理 一體化 信息化 1 前言 21世紀是信息產業飛速發展的時代，信息產業已經滲透到社會各行各業的各個環節，企業管理的信息化已經成為一個企業立足市場的迫切要求和需要。 傳統的污水處理廠生產和管理結構體系是分開的，其自動控制系統的結構大多數采用分布式控制系統（DCS），由現場控制站（包括各種控制站、采集站、與網絡相聯的各種智能儀表和智能調節器等）、操作站、工程師站、管理站及通信網絡組成，完成生產過程控制和對過程信息的管理。而管理系統即使是大型污水處理廠往往也只是個別的、獨立部門的辦公自動化，注重于企業的備品與備件的采購和庫存、財務等，缺乏生產管理、調度功能，是脫離DCS系統的。 2 系統結構設計 深圳某污水處理廠是日處理35萬t的城市生活污水處理廠，一期15萬t采用A—B曝氣法工藝，二期20萬t工藝采用氧化溝法。污水經過物理去污、生化過程、沉淀、消毒等處理過程，達到排放標準的水就可直接排放了。其特點是工藝流程分布廣，由多個流程段組成，用電設備多，水質復雜，對出水標準要求嚴格，對自動化水平要求高，并要求實現管理的信息化。 采用一體設計、分步實施策略，將該廠管控一體化系統分成不同的層次實現，如圖1所示。 第1層：直接控制級。實現連續控制調節和順序控制，設備檢測和系統測試與自動診斷，進行過程數據采集、轉換、檢查等。第2層：過程管理級。過程操作，各種生產過程報表打印，裝置協調、優化控制和自適應控制，歷史數據的收集和處理，各種報警信息的處理等。第3層：生產管理級。規劃產品結構和規模、產品監視，產品報告、工廠生產監視。此層也可稱為生產調度層，是管控一體化系統構成閉環回路的關鍵環節。第4層：經營管理級。市場和用戶分析，備品備件采購與消耗統計、財務核算，生產協調和期限檢測等。 第1層和第2層與現場設備層的工業生產過程組成傳統的DCS控制系統，大量生產過程實時數據需要傳遞至管理層，用以實現上層的操作優化、調度優化和對生產的監督，實時性和可靠性是關鍵；第3層和第4層的功能由計算機網絡完成，將第3層和第4層合并成一層，為生產經營管理級，即ERP（管理系統），信息流是關鍵?？刂普就瓿傻谝粚拥闹苯涌刂萍壍墓δ埽僮髡竞凸こ處熣就瓿傻诙拥倪^程管理級的功能，工作站和服務器構成的計算機網絡完成第3層和第4層的生產管理級和經營管理級的功能。 控制站與操作站和工程師站之間通過DH+網絡實現通信，最遠通信距離800m；操作站和工程師站與工作站和服務器之間通過以太網實現通信，最遠通信距離1200m。此系統結構為控制網絡與以太網絡的復合型網絡結構，尤其適合已建或分期建設的大型污水處理廠。 3 系統配置 3.1 DCS系統 系統設2臺操作站、2臺工程師站（一期與二期各用1臺），工程師站兼有操作站的功能。操作站/工程師站基本組成為工業PC機、DH+網絡通信卡、報警打印機、報表打印機、以太網卡等。工業PC機主要技術指標：CPU≥PⅣ2.0GHz、≥40G硬盤、彩色顯示器、標準鍵盤、≥256MB內存、1.44M軟驅、≥40XD-CDROM。 系統設8個控制站，選用美國Rockwell公司的PLC-5系列產品，具有模塊化結構、高抗干擾的工業硬件平臺。每個控制站的基本組成是CPU模塊、DH+網絡通信模塊、數字量和模擬量的I/O模塊、底板等。完成所有的數據采集、控制、自檢、通信、報警等功能。 操作站的人機界面軟件采用Rockwell公司的RSView32，該軟件包含大量的圖形化工具、建立監控過程實時畫面、在線組態、實時和歷史趨勢、數據采集和處理、報表、報警和管理等功能。操作系統為Microsoft Windows 2000。 DH+（Data Highway Plus）網絡是美國Rockwell公司推出的一種專為工廠級應用而設計的工業局域網，是一開放網絡。DH+網支持網絡上設備之間的通信，也可用于多個處理器之間的大量數據交換，并作為一個鏈路對多個控制器進行編程，支持菊花鏈型和主干一分支線型，通信速率：57.6kb/s（最大電纜長度3048m）、230.4kb-s（最大電纜長度762m），是PLC-5系統應用最廣泛的一種網絡技術，本系統具有12個獨立網絡節點。 系統主要特性：硬件可靠性高、穩定性強，能長期在工業生產環境下工作；模塊化結構、可帶電插拔，系統維護方便；高速傳送系統數據和信息，實時性強；具有硬件配置的靈活性和擴展性；通過以太網與上層管理網絡通信；開放的網絡結構，易于管理。 3.2 ERP系統 ERP管理系統以Internet為組網技術，采用高性能的交換式網絡建造體系，通過以太網與DCS系統通信，將指令信息下達到控制層，優化生產過程，保證設備正常運轉；將從DCS系統得到并處理后的生產過程狀況、生產工況等信息上傳至管理層與Internet電子商務相連。采用16個信息點數的交換機，各工作站及網絡服務器均通過以太網通信。 選用兩臺服務器，一臺作為主服務器，與DCS監控系統相連接的同時，通過以太網另掛多臺管理用計算機工作站，使這些管理用工作站可訪問瀏覽DCS監控系統所監控的整個生產過程的數據，主服務器是管理系統的主域控制服務器、文件服務器、數據庫與應用服務器，同時配置一塊DH+網絡通信卡和一塊以太網卡；另一臺作為WEB服務器，用于連接Intranet，提供內部和外部的Intranet服務。服務器基本配置為：CPU≥PⅣ2.0 GHz、雙CPU，≥40G硬盤、38cm彩色顯示器、標準鍵盤、≥512MB內存、1.44M軟驅、≥40XD-CDROM。 工作站設置在廠長辦公室、調度室、技術管理辦公室、財務室、倉儲管理室、化驗室等廠重要部門，選用一般的PC機且為當前適用的配置即可。同時系統設一臺網絡打印機，處理日常的辦公打印。 對實時監控信息建立一個工廠實時關系數據庫，選用Wonderware公司的實時數據庫Industrial SQL Server開發環境創建，為C1ient/Server結構，是開放的數據庫，可通過Microsoft Excel等軟件存取訪問實時數據、歷史數據和配置數據、匯總數據、相關的商業數據。操作系統為Microsoft Server 2000。 系統主要特性：以企業自身作為主體，以企業的資源管理為中心；科學利用企業內部的資源管理，控制企業資金流、信息流，使其有機組合，達到提高效率、降低成本的目的；在實時、大容量、工廠監控和控制環境與開放靈活的電子商務信息環境之間架起了橋梁；支持現代辦公自動化系統中的多媒體信息的快速傳遞，數據采集、輸入、分類、合并、檢索、存儲、計算、統計、分析、核算、輸出等功能；系統信息種類多、數據量大，實時性不強；簡 單、開放的網絡拓撲結構，易于維護；具有擴展和升級能力。 4 功能設計 系統功能實現如圖2所示。實現監控功能、生產管理功能和經營管理功能。 4.1 監控功能 控制站完成對現場I/O信號的采集、處理和控制，工程師站完成對系統的編程、組態及對硬件的配置，操作站實現系統的實時顯示、監控、操作、報警、記錄、報表和歷史儲存等功能。實時數據庫的建立是核心，實時數據庫用來描述和構造系統的一切實時事務活動。數據結構的描述涵蓋過程控制中的所有類型的過程點、控制點和各類算法及接口，確定數據庫的各個組成部件，建立數據結構描述和所有關聯操作，數據庫結構如圖3所示。 1）數據處理功能。對系統采集的各種數字信號，利用各種計算功能、數據變換功能等實現；數據信號有電氣設備的運行狀態信號、故障信號和啟/?？刂菩盘柤傲髁俊舛取⑷芙庋鹾?、pH值模擬量信號等。 2）控制功能。系統具有現場手動、中控室遙控和自動控制3種控制方式，實現順序控制、聯鎖控制、故障聯鎖控制和生產過程回路控制功能。如：曝氣池、生化池，沉淀池液位與進水閥門的聯鎖控制；污水泵房液位與污水提升泵的聯鎖控制；污水進水量與污水提升泵運行時間的聯鎖控制；總風量與鼓風機運行臺數的聯鎖控制；溶解氧濃度自動調節等功能。 3）顯示功能。按污水提升泵房、沉砂池、生化池、曝氣池、氧化溝、沉淀池、濃縮與脫水等11個工藝流程段顯示工藝運行工況，利用數據鏈接技術使畫面上的電氣設備和元件實現實時動態、閃爍、變色等功能，讓畫面上的工藝參數以數字、棒圖的形式實時顯示。 4）操作功能。利用彈出窗口、控制按鈕和DDE連接技術實現各臺設備和各系統的啟/停操作、控制操作、切換操作、熱鍵操作和權限操作等功能，對各種操作均實現誤操作保護。 5）實時與歷史趨勢功能。對流量、pH、濁度、溶解氧、溫度等工藝參數當前運行狀況和運行以來某段時間內各參數值以圖表或曲線的形式顯示。 6）報警功能。顯示各設備故障、操作故障、參數超限、系統錯誤等報警事件、報警狀態值及報警處理。 7）記錄功能。對各種報警事件、重要操作、系統運行、重要參數等重要事件，進行記錄和儲存。 8）報表功能。對當前運行參數和運行以來的各參數值生成實時和歷史生產報表，如班報表、日報表、月報表、年報表、報警報表等，實現定時或隨時打印。 4.2 生產管理功能 主要涉及數據庫技術、網絡技術和管理科學的有關內容。采用以經濟指標為目標的生產過程優化運行、優化控制和優化管理，起承上啟下的作用。 1）生產統計管理。對污水處理過程數據、完成情況進行統計與分析，分工藝流程段，按生產過程調節回路或參數類型進行。 2）生產調度管理。對上層生產計劃的判斷、識別，對生產過程進行實時調度，執行調度任務后，對污水處理完成情況進行數據統計與分析，并修正計劃。 3）設備管理。對系統中的電氣設備，進行設備標定、預測故障發生、設備的壽命周期管理、運行記錄、故障記錄、維護記錄及備品備件管理。 4）生產成本控制管理。對污水處理過程的物耗、能耗進行在線計量和成本預測，與目標成本比較、跟蹤和修正，給出降低成本的操作和控制指導。 5）物料控制管理。根據上層管理物料計劃，對生產過程進行物料平衡，對物料進行控制與管理。 6）質量管理。對在線生產過程工藝參數與化驗室分析值進行比較、分析，及時調整被控參數，保證產品質量。 7）安全管理。通過設備預測故障發生系統及時提出設備維護計劃，通過信息安全與權限管理實現軟件安全保護功能 4.3 經營管理功能 建立在Industrial SQL Server、辦公自動化軟件、電子商務的環境下，全面實現企業的經營管理，見圖4。根據廠實際需要實現了實時信息管理、設備管理、生產數據管理、運行管理、物資管理、質量管理、安全管理、財務管理、人力資源管理及辦公自動化等功能。 財務核算層：實現財務自動化的基本功能，包括帳務、工資、人力資源、固定資產等。是經營管理系統的起點。 物流管理層：實現企業以供應、倉儲、銷售為主流的物流過程的自動化管理，包括采購、生產領料等。涵蓋了除生產管理以外的其它管理內容，是業務自動化的主要內容。計劃綜合管理層：實現以計劃為核心的全面管理，包括市場與用戶分析、綜合生產計劃、成本核算與 控制、以及服務管理和現場服務管理等。是現代企業管理思想的融會貫通，也是經營管理系統的重點。 5 結束語 系統自投入運行以來運行狀態良好，受到廣泛關注，取得了顯著的經濟效益和社會效益。廠二期投入運行后并沒有在一期基礎上增添另一套生產運行管理的操作、技術和管理人員，提高了效率、降低了成本；全廠只設置技術部與綜合管理辦公室，前者主要責任是生產管理與維護，后者主要承擔財務、倉儲、供應、生產成本核算等經營管理職責，二者直接對廠長負責，進行網上辦公，優化了管理模式。污水處理廠管控一體化系統在技術上和管理上的可行性已被證實。同時由于Internet技術的迅猛發展，改變了傳統的管理和信息傳遞的單向性，企業以管控一體化為基礎平臺，在供應體系和設備維護體系引進競爭機制后，企業的經濟效益將會成倍提高。