摘要：隨著自動化水平的不斷提高及其在社會各個方面的應用越來越廣泛，自動化系統在污水處理這一方面也發揮了其強大的優勢。本文論述了城市污水處理廠自動化系統的結構形式，以及網絡化數據監控系統在處理廠自動化監控的基礎上，實現處理廠全自動化控制管理。

關鍵詞：城市污水處理廠 自動化系統 監控結構模式

0 前言

近數十年來，自動化技術的應用范圍越來越廣泛，應用程度也更加深入。自動化技術的普遍應用，極大地把人類從繁雜的體力勞動和不安全的工作環境中解放出來，顯著地改善了人類的工作環境和提高了人類的生活質量。不僅如此，自動化技術的應用，還明顯地增強了企業的競爭能力，使企業在激烈的市場競爭中立于不敗之地。

隨著計算機技術的快速發展和在各個領域的滲透，使基于計算機軟硬件技術的自動化技術發展到了一個新的水平，并展示出了強勁的生命力和應用前景。特別是信息時代的到來、計算機網絡技術的成熟和迅速普及，給自動化技術提出了新的要求和展示了新的應用前景。可以相信，基于計算機網絡技術的自動控制技術將是今天和明天的應用主流。

在總體技術上與其他的西方國家相比，中國的自動化技術領域是一個起步較晚、水平相對落后但發展較快的一個國家。自動化技術在我國的應用，已經產生了巨大的經濟效益和社會效益。為了進一步增強國家的實力和與發達國家競爭，我們還必須進一步加強自動化技術的基礎研究和深化應用程度。

1 污水處理廠的項目建設總體原則

污水處理廠頂上建設總體原則有如下幾條：

·實用性。以解決現實問題為主，堅持為領導決策服務，又為經營管理服務，為生產建設服務。

·先進性。采用成熟的技術，兼顧未來的發展趨勢，及量力而行，又適當超前，留有發展余地。

·可擴展性。系統便于擴展，以保護前期投資的有效性和后續投資的連續性。

·經濟性。以節約成本為基本出發點，建立一個運行可靠、滿足公司實際需求的監控系統。

·易用性。系統操作簡便、直觀，以利于各個層次的人員使用。

·可靠性。確保系統可靠運行，在關鍵部分應有安全和容錯措施。

·可管理性。系統從設計、器件、設備等的選型都必須考慮到系統的可管理性和可維護性。

·開放性。采用符合國際標準的產品，保證系統具有開放性特點。

2 兩個城市污水處理廠自動化系統的結構形式

2.1 結構形式一

中央控制室和廠區三個現場控制站之間以一個冗余的100Mbps光纖工業以太網環網組成一個有線數據通信網絡系統。現場控制站在現場進行工藝檢測參數、設備運行工況信號的采集、檢測和控制，并通過該站的人機界面對設備運行操作，同時向中央控制室進行實時傳送。中央控制室可監視各現場站的全部運行信息，在中央控制室可通過上位計算機控制現場設備的啟動和停止。

現場控制站在與設備自帶的PLC通訊時，采用Profibus_FMS的方式，其通訊介質為屏蔽雙絞線，其通訊速率最大可達1.5Mbit/s。

現場控制站采用西門子S7 400 PLC，CPU采用4163DP高檔CPU，具有運算速度快，資源豐富等優點。-計算機監控軟件采用西門子WINCC，它具有畫面顯示、趨勢曲線、報警處理、報表處理、數據管理、網上瀏覽等功能。-整個自控系統體現了西門子全廠一體化的先進自控理念，并且網絡結構完全符合現場總線的國際標準。

該模式布置如下所示：

2.2 結構模式二

下面一個系統采用了當前國際先進的計算機技術、自動控制技術，網絡通訊技術，實現了污水處理廠的測、控、管、信息一體化。

該模式布置如下所示：

3 城市污水處理廠自動化系統各個部分的分析

3.1 污水預處理系統/進水泵房

該PLC工作站設在廠區進水提升泵房控制室，負責監控污水處理廠的預處理工段。其主要控制對象為粗格柵間的粗格柵及進水電動閘門、進水泵房的污水提升泵、沉砂池的排砂裝置和砂水分離等設備，此外，還負責進水水質如pH、SS(濁度測量)等參數的在線檢測。

3.2 生物處理系統/配電中心

該PLC工作站一般設在全廠的配電中心控制室，負責監控污水生物處理工段。其主要控制對象為生物池的水下攪拌器、水下推進器和曝氣設備，污泥回流泵房的污泥回流泵、剩余污泥泵，二沉池的刮吸泥機等設備。此外，其還負責生物池DO、ORP、MLSS；污泥泵房pH、MLSS，配電中心的電氣參數如：電流、電壓、有功功率，無功功率、有功電能、無功電能等參數的在線檢測。

若污水廠生物池采用鼓風曝氣時，在系統中還需增設鼓風機房PLC工作站，一般情況下工作站設在鼓風機房配電間控制室，負責監控鼓風機及其輔助設備的運行及風量的調節。

3.3 污水消毒系統/出水泵房

該PLC工作站設在出水泵房控制室。其主要控制對象為出水提升泵、切換井電動閥門以及加氯消毒等設備，此外其還負責出水水質如：余氯、COD、流量等參數的在線檢測。

3.4 污泥處理系統/脫水車間

該PLC工作站一般設在脫水車間配電間控制室，負責監控污泥處理工段。其主要控制對象為儲泥池的攪拌器、電動閥門，脫水車間的進泥泵、脫水機、濃縮機、加藥系統等設備

4 層次化管理模式分析

4.1 集中監視操作層

該層一般設在綜合樓或配電中心的中心控制室，由兩臺工業控制計算機和輸入/輸出設備等組成。在中心控制室設置大屏幕投影儀或模擬屏，以使值班人員更清晰地監視全廠的生產實況。

4.2 廠區生產管理層

該層由中、高檔計算機終端擔當的工廠自動化綜合服務系統和辦公自動化系統組合而成，負責有關的生產管理、成本控制、質量管理、人事管理、財務管理等方面的綜合處理，達到優化組合的目標。

為使廠部管理人員更好、更直接地了解全廠生產情況，在廠部一般設置4個計算機終端，即廠長辦公室、總工程師辦公室、化驗室和廠務辦公室計算機終端作為廠部生產管理層。

4.3 公司調度層

公司調度系統負責全區域污水處理廠的生產調度及與其他管理部門或行政主管部門的聯系，其對內通過對各污水廠的監控來協調各廠的生產，對外可與其他行業及各級行政主管部門進行通信交換信息。

4.4 網絡結構

在污水處理廠自動化系統的各層之間、各PLC工作站之間都是通過計算機網絡進行連接的，通過網絡的物理介質進行通信及信息交換。綜合比較常用網絡的物理結構特點，結合城市污水廠的實際情況，一般污水處理廠廠區面積都不是很大，最長的站點距離為1km左右，工控網的站點為4～7個，管理網的站點為3～5個，同時污水處理廠都又存在擴建、改造、增加或減少PLC工作站的可能，我們在設計工控網時采用總線網結構，其特性能滿足工業控制實時性高、擴展靈活、方便的要求。對于管理網由于其實時性要求不高，同時對其網絡中計算機終端的確切數量及今后的發展無法準確估算，在設計中管理網絡都采用星型結構以滿足靈活性好、擴展維護方便的要求。

4.5 三網絡通信

污水廠自動化系統通常采用三級或四級子網構成復合型網絡結構，要求我們在各級子網中都配置不同的通信協議，以適應不同的通信要求。由于現場測量控制層傳遞過程數據及控制命令，這種信息很短，對實時性要求較高，我們采用周期“I/O”方式通信。其采用的主協議大多為塌縮結構，只有物理層、鏈路層及應用層，而且大多為各PLC公司的專用協議。在設計時應按選擇的PLC型號配置其通信協議。

集中監視操作層主要負責傳遞監控信息，信息長度居于過程數據與管理信息之間，對實時性要求也比較高，其通信協議常用令牌方式控制通信，通信速率為1～100Mb/s。在廠部及公司管理層，由于其需要進行PLC網的互聯，PLC網與其他局域網的互聯，因此，在這兩層中一般采用開發性能好的通用協議。

個人計算機或PLC工作站在加入不同級別的子網時，必須按所連入的子網配置通信模板，并且應按該級子網配置的通信協議編制用戶通信程序。

4.6 系統軟件

在網絡結構設計、操作和維護方面，網絡軟件、支撐軟件、工具軟件和應用軟件起著極其重要的作用，作為工業控制用軟件我們認為其必須能滿足以下的性能和功能方面的要求。

污水廠自動化系統軟件應是能支持系統資源共享，適用于不同的計算機硬件平臺，支持實時多任務、多用戶、多處理性能，支持中文字庫，支持網絡通信和網絡服務，具有良好的組態功能和組態方式，友好的人機界面，支持多種數據庫操作和格式化，支持多媒體，支持系統冗余，有較高的可靠性、實時性，具有良好的開放性和通用性等。

污水處理廠自動化系統軟件必須具有以下功能：數據采集、監控、信息管理、報表、趨勢分析、登錄、動態模擬、報警和事件窗口、自診斷、歷史數據處理、在線組態和安全管理功能等。

應用軟件通常是由系統集成商根據污水處理廠的工藝設計及使用要求，在系統軟件、支撐軟件平臺上組態完成的程序。其屬于非標產品，直接影響整個系統的可用性、安全性，在某種意義上，應用軟件的好壞將會影響操作人員對工作、網絡和組織的感受。

4.7 系統硬件

系統硬件包括站點硬件和網絡硬件兩大類，由于污水處理廠生產過程緩慢、無自動化也可生產的特點，一般常用的PLC產品、網絡產品，個人計算機等在可靠性指標MTBF(平均無故障間隔時間)、技術參數等方面一般都能滿足污水處理廠自動化系統的使用要求。由此，我們在設計中充分考慮軟/硬件相匹配、性價比高等原則選擇系統硬件。

5 污水處理廠系統構成拓撲圖

5.1 網絡拓撲圖及其構成

該裝置采用計算機監控系統，分站用可編程控制器(PLC)的自動化控制系統。軟件為采用太力信息產業有限公司的ISynall平臺開發的專用軟件包。

5.2 人機界面及功能

人機界面是操作者和系統交互聯系的平臺，它直接面向操作者，是用戶認識評價一個系統的首要部分。本系統采用在WINDOWS環境下運行的ISynall軟件包它把實時動態的各種信息量以圖形、文字、畫面的方式有機地結合在一起，立體感強，操作簡便，直觀舒適。操作者可用鼠標完成對軟件的全部操作，包括菜單選擇、畫面切換、實時數據顯示、歷史數據前/后翻頁、報表生成及打印、故障查詢及復位、文件管理、參數設定等等，每頁圖形均固定有即時報警信息欄、向上翻頁、回到主菜單、打開報警顯示屏，操作人員姓名注冊顯示、故障/維修/模擬報警實時顯示等功能。本軟件包采用的是全中文界面更有利于操作者進行操作。

5.3 自動控制過程

1、進水泵 2、粗格柵 3、細格柵 4、刮砂橋和砂泵 5、進水流量和pH計 6、水下推進器 7、羅茨鼓風機 8、回流污泥泵 9、二沉池刮泥橋和浮渣泵 10、剩余污泥泵

5.4 系統運行與維護

該自動控制系統完全能夠滿足工藝運行需要，保證日處理水量、水質達到設計要求。由于生產需要，本系統必須24h連續運行，因此，對設備從選型到安裝，從使用到維護管理都提出了較高要求。

6 結束語

污水廠自動化系統從理論上來講是一個完整的、開放的系統，但在實際設計及工程實施過程中也存在一些問題。特別是一些大型設備如鼓風機、離心脫水機、高壓配電系統綜合智能保護裝置等，其控制系統由設備配套帶來，一般情況下自成網絡，是各自分離的自動化孤島，使日后的自動化運行、管理、維護及再開發變得很困難。如何在工程設計及招投標中協調好各子控制系統，使之能夠與中心控制室的主控機實現安全開放的網絡通信并滿足工業控制實時性的要求，是今后在工程設計中需要進一步研究的新課題。

參考文獻：

1、高大文 彭永臻等主編，污水處理智能控制的研究、應用與發展，中國給水排水，2002，18(6).－35－39

2、崔福義 彭永臻編著，《給水排水工程儀表與控制》，中國建筑工業出版社出版，1999年12月第一版

3、張自杰主編，顧夏聲主審，《排水工程》，中國建筑工業出版社出版，2000年6月第四版

4、崔福義 彭永臻編著，《給水排水工程計算機應用》，中國建筑工業出版社出版，2002年2月第二版