??????? 摘要：本文主要介紹了我國目前污水處理自動化系統(tǒng)的構成，分析了作為其核心的PLC控制器和通信網(wǎng)絡的選型以及整體解決方案，同時以天津咸陽路污水處理廠自動化系統(tǒng)為例，具體說明了污水處理廠自動化系統(tǒng)的應用，最后分析了污水處理廠自動化系統(tǒng)的改進和發(fā)展。
??????? 關鍵詞：可編程控制器現(xiàn)場總線污水處理廠
??????? 一、引言
??????? 水是人類生活和國民經(jīng)濟發(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，對于潔凈的優(yōu)質的水源的需求也不斷急劇釋放。為建設可靠、穩(wěn)定、先進、經(jīng)濟以及可擴展的合理的水處理自動化系統(tǒng)成為工程界和城市水行業(yè)營運管理部門共同關心的問題。微電子、通信、計算機技術的發(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技術相結合的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化系統(tǒng)的核心控制器，其與開放的網(wǎng)絡通信系統(tǒng)一起，共同推動著水處理自動化系統(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。各個控制站相對獨立工作，通過有線網(wǎng)絡進行通訊，將所有的數(shù)據(jù)信息送到水廠調度室進行處理，或將一部分數(shù)據(jù)通過調度系統(tǒng)以無線(或有線)通訊的方式送到城市的調度中心。對于污水處理來說，要根據(jù)污水水源地狀況來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)應用PLC的要求也有所不同。一般講，整個污水處理廠都有總控室和多個現(xiàn)場控制站，站與站之間通過控制器層網(wǎng)絡或信息層網(wǎng)絡相連，然后全部連接到總控室，總控室的多臺計算機、工作站和圖形站都用信息層網(wǎng)絡連接，這樣和現(xiàn)場控制站構成了集中管理，分散控制，高速數(shù)據(jù)交換的工廠級自動化網(wǎng)絡[1].PLC自控系統(tǒng)是水處理廠的控制核心部分，對其合理的選型和設計，對污水廠能否高效、自動化的運行非常重要。然而，PLC網(wǎng)絡又是其中的重中之重，網(wǎng)絡的好壞直接影響到污水廠的正常運行。
??????? 二、系統(tǒng)構成
??????? 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)絡和PLC是污水處理自動化系統(tǒng)的核心組成部分，它們的性能對污水處理自動化系統(tǒng)會起到?jīng)Q定性的作用[2].根據(jù)污水處理自動化本身的特點和監(jiān)控需求選擇合適的PLC及通訊網(wǎng)絡是保證污水處理自動化系統(tǒng)性能的重要因素。
??????? 通信網(wǎng)絡：
??????? 在污水處理自動化系統(tǒng)的結構上，國內在管理體制上主要采用三級管理，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)控站不直接對污水處理廠的外場設備進行直接控制，因此工程界按照系統(tǒng)結構的劃分把監(jiān)控系統(tǒng)劃分為信息層、控制層和設備層。
??????? 第一層為信息層，主要負責大量信息及不同廠家不同設備之間的信息傳輸，工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet為目前較常用的一種信息網(wǎng)絡，世界各大PLC生產(chǎn)廠商均支持工業(yè)以太網(wǎng)，并且他們在原有TCP/IP的基礎上，相繼開發(fā)出實時性更高的工業(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以及西門子支持的ProfiNet等。由于Ethernet的信息量大，因此在污水處理廠自動化系統(tǒng)中以太網(wǎng)主要用于各個控制分站與監(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)場總線組成隧道區(qū)域控制器網(wǎng)絡，其特點是由于采用了標準總線組網(wǎng)，既能滿足實時通信的要求，又具有開放協(xié)議的標準接口，能在總線上方便的掛接各種外場設備，有利于監(jiān)控系統(tǒng)的擴展。目前，現(xiàn)場總線有40多種，在污水處理廠自動化系統(tǒng)中應用的現(xiàn)場總線主要有ControllerLink、LonWorks、Inetrtbus、Profibus、Can和Modbus.他們的共同特點是高速、高可靠，適合PLC與計算機、PLC與PLC及其它設備之間的大量數(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)絡結構多采用環(huán)網(wǎng)的方式組成，包括線纜型和光纖作為傳輸介質，具體組網(wǎng)將在后面作出實例說明。
??????? 第三層為設備層，這一層用于PLC與現(xiàn)場設備、遠程I/O端子及現(xiàn)場儀表之間的通訊，它們有DeviceNet、Modbus以及Profibus/DP等，其中DeviceNet已經(jīng)成為工業(yè)界的標準總線而得到了廣泛的應用，而Profibus/DP雖然沒有成為標準，但是它的應該也相當廣泛。
??????? 值得指出的是，近來年以太網(wǎng)的廣泛應用使得人們把目光投向了現(xiàn)場總線上來，工業(yè)以太網(wǎng)是否最終將取代現(xiàn)場總線仍然是一個爭論的話題。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上仍然無法具有現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)勢。從本質上來講，以太網(wǎng)的載波幀聽沖突監(jiān)測CSMA/CD的訪問方式，實時性并沒有現(xiàn)場總線采用的令牌總線和令牌環(huán)的訪問方式高，不論人們采用何種方式，如協(xié)議封裝、分時訪問控制等，都只能改善以太網(wǎng)的實時性，起不到本質的改變。在當前技術還未完全成熟之前，現(xiàn)場總線應用于控制層，是一個積極和穩(wěn)妥的選擇。隨著以太網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，今后其取代現(xiàn)場總線而用于控制層也是很有可能的。
??????? 監(jiān)控分中心及上位監(jiān)控軟件：
??????? 監(jiān)控分中心一般將設置多臺SCADA工作站(工控機)。分別用于水廠調度系統(tǒng)、加藥間(加氯間)、濾站、送水泵房等監(jiān)控，完成污水廠內各種設備的狀態(tài)顯示、自動控制、半自動控制、打印報警、分析報表等工作。同時，監(jiān)控分中心還將設置了多臺服務器，為其它計算機提供支援和與監(jiān)控總中心進行通信。
??????? PLC的選擇：
??????? 施奈德(Schneider)、西門子(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域，其中在污水處理自動化系統(tǒng)的應用方面，又以羅克維爾、歐姆龍和施奈德的應用最為廣泛。
??????? 污水處理自動控制系統(tǒng)對PLC的性能提出了更高的要求，作為污水處理自動控制系統(tǒng)的核心控制器，其必須具備以下幾大功能特點：首先本身必須穩(wěn)定可靠，并具有預先處理數(shù)據(jù)和集中傳輸數(shù)據(jù)的能力，具有較高的故障保護能力;其次，控制分站本地控制器可以獨立承擔控制分區(qū)的基本控制任務，即使監(jiān)控站或者監(jiān)控中心因故障停止運行，相鄰區(qū)域的控制器也能交換數(shù)據(jù)信息;再次，當某控制站的控制量出現(xiàn)變化時，可按預定方案和程序采取相應的算法，對相關區(qū)域的控制對象，比如泵或者加藥系統(tǒng)等做出相應的調整。因此，它必須至少有如下功能模塊，數(shù)據(jù)采集存儲處理功能(實現(xiàn)集中和獨立工作方式，尤其是在獨立控制時能與相鄰控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換);通信功能、容錯功能、自動診斷功能和本地操作功能(即能帶觸摸屏)。
??????? 必須綜合考慮整個監(jiān)控系統(tǒng)的性能要求和自然條件以及運營周期對設備的要求進行選擇，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)是在一個底板上實現(xiàn)，而Siemens等是兩個底板通過光纖連接，會在一定程度上占用控制柜的空間，但他們的配置都很靈活，可以任意實現(xiàn)雙CPU雙電源、雙CPU單電源、單CPU單電源多種冗余結構。
??????? 在一般的環(huán)境狀態(tài)的時候或較小規(guī)模的污水處理廠，多采用標準的機型作為現(xiàn)場控制器，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)場總線，控制方式采用遠程帶CPU的智能分布式結構，系統(tǒng)開放性和兼容性強，豐富的I/O及高功能模塊，完全滿足污水處理自動控制系統(tǒng)對信號處理的要求。