论述与分析城市污水处理厂自动化系统的结构形式

摘要：随着自动化水平的不断提高及其在社会各个方面的应用越来越广泛，自动化系统在污水处理这一方面也发挥了其强大的优势。本文论述了城市污水处理厂自动化系统的结构形式，以及网络化数据监控系统在处理厂自动化监控的基础上，实现处理厂全自动化控制管理。

关键词：城市污水处理厂 自动化系统 监控结构模式

0 前言

近数十年来，自动化技术的应用范围越来越广泛，应用程度也更加深入。自动化技术的普遍应用，极大地把人类从繁杂的体力劳动和不安全的工作环境中解放出来，显著地改善了人类的工作环境和提高了人类的生活质量。不仅如此，自动化技术的应用，还明显地增强了企业的竞争能力，使企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。

随着计算机技术的快速发展和在各个领域的渗透，使基于计算机软硬件技术的自动化技术发展到了一个新的水平，并展示出了强劲的生命力和应用前景。特别是信息时代的到来、计算机网络技术的成熟和迅速普及，给自动化技术提出了新的要求和展示了新的应用前景。可以相信，基于计算机网络技术的自动控制技术将是今天和明天的应用主流。

在总体技术上与其他的西方国家相比，中国的自动化技术领域是一个起步较晚、水平相对落后但发展较快的一个国家。自动化技术在我国的应用，已经产生了巨大的经济效益和社会效益。为了进一步增强国家的实力和与发达国家竞争，我们还必须进一步加强自动化技术的基础研究和深化应用程度。

1 污水处理厂的项目建设总体原则

污水处理厂顶上建设总体原则有如下几条：

·实用性。以解决现实问题为主，坚持为领导决策服务，又为经营管理服务，为生产建设服务。

·先进性。采用成熟的技术，兼顾未来的发展趋势，及量力而行，又适当超前，留有发展余地。

·可扩展性。系统便于扩展，以保护前期投资的有效性和后续投资的连续性。

·经济性。以节约成本为基本出发点，建立一个运行可靠、满足公司实际需求的监控系统。

·易用性。系统操作简便、直观，以利于各个层次的人员使用。

·可靠性。确保系统可靠运行，在关键部分应有安全和容错措施。

·可管理性。系统从设计、器件、设备等的选型都必须考虑到系统的可管理性和可维护性。

·开放性。采用符合国际标准的产品，保证系统具有开放性特点。

2 两个城市污水处理厂自动化系统的结构形式

2.1 结构形式一

中央控制室和厂区三个现场控制站之间以一个冗余的100Mbps光纤工业以太网环网组成一个有线数据通信网络系统。现场控制站在现场进行工艺检测参数、设备运行工况信号的采集、检测和控制，并通过该站的人机界面对设备运行操作，同时向中央控制室进行实时传送。中央控制室可监视各现场站的全部运行信息，在中央控制室可通过上位计算机控制现场设备的启动和停止。

现场控制站在与设备自带的PLC通讯时，采用Profibus_FMS的方式，其通讯介质为屏蔽双绞线，其通讯速率最大可达1.5Mbit/s。

现场控制站采用西门子S7 400 PLC，CPU采用4163DP高档CPU，具有运算速度快，资源丰富等优点。-计算机监控软件采用西门子WINCC，它具有画面显示、趋势曲线、报警处理、报表处理、数据管理、网上浏览等功能。-整个自控系统体现了西门子全厂一体化的先进自控理念，并且网络结构完全符合现场总线的国际标准。

该模式布置如下所示：

2.2 结构模式二

下面一个系统采用了当前国际先进的计算机技术、自动控制技术，网络通讯技术，实现了污水处理厂的测、控、管、信息一体化。

该模式布置如下所示：

3 城市污水处理厂自动化系统各个部分的分析

3.1 污水预处理系统/进水泵房

该PLC工作站设在厂区进水提升泵房控制室，负责监控污水处理厂的预处理工段。其主要控制对象为粗格栅间的粗格栅及进水电动闸门、进水泵房的污水提升泵、沉砂池的排砂装置和砂水分离等设备，此外，还负责进水水质如pH、SS(浊度测量)等参数的在线检测。

3.2 生物处理系统/配电中心

该PLC工作站一般设在全厂的配电中心控制室，负责监控污水生物处理工段。其主要控制对象为生物池的水下搅拌器、水下推进器和曝气设备，污泥回流泵房的污泥回流泵、剩余污泥泵，二沉池的刮吸泥机等设备。此外，其还负责生物池DO、ORP、MLSS；污泥泵房pH、MLSS，配电中心的电气参数如：电流、电压、有功功率，无功功率、有功电能、无功电能等参数的在线检测。

若污水厂生物池采用鼓风曝气时，在系统中还需增设鼓风机房PLC工作站，一般情况下工作站设在鼓风机房配电间控制室，负责监控鼓风机及其辅助设备的运行及风量的调节。

3.3 污水消毒系统/出水泵房

该PLC工作站设在出水泵房控制室。其主要控制对象为出水提升泵、切换井电动阀门以及加氯消毒等设备，此外其还负责出水水质如：余氯、COD、流量等参数的在线检测。

3.4 污泥处理系统/脱水车间

该PLC工作站一般设在脱水车间配电间控制室，负责监控污泥处理工段。其主要控制对象为储泥池的搅拌器、电动阀门，脱水车间的进泥泵、脱水机、浓缩机、加药系统等设备

4 层次化管理模式分析

4.1 集中监视操作层

该层一般设在综合楼或配电中心的中心控制室，由两台工业控制计算机和输入/输出设备等组成。在中心控制室设置大屏幕投影仪或模拟屏，以使值班人员更清晰地监视全厂的生产实况。

4.2 厂区生产管理层

该层由中、高档计算机终端担当的工厂自动化综合服务系统和办公自动化系统组合而成，负责有关的生产管理、成本控制、质量管理、人事管理、财务管理等方面的综合处理，达到优化组合的目标。

为使厂部管理人员更好、更直接地了解全厂生产情况，在厂部一般设置4个计算机终端，即厂长办公室、总工程师办公室、化验室和厂务办公室计算机终端作为厂部生产管理层。

4.3 公司调度层

公司调度系统负责全区域污水处理厂的生产调度及与其他管理部门或行政主管部门的联系，其对内通过对各污水厂的监控来协调各厂的生产，对外可与其他行业及各级行政主管部门进行通信交换信息。

4.4 网络结构

在污水处理厂自动化系统的各层之间、各PLC工作站之间都是通过计算机网络进行连接的，通过网络的物理介质进行通信及信息交换。综合比较常用网络的物理结构特点，结合城市污水厂的实际情况，一般污水处理厂厂区面积都不是很大，最长的站点距离为1km左右，工控网的站点为4～7个，管理网的站点为3～5个，同时污水处理厂都又存在扩建、改造、增加或减少PLC工作站的可能，我们在设计工控网时采用总线网结构，其特性能满足工业控制实时性高、扩展灵活、方便的要求。对于管理网由于其实时性要求不高，同时对其网络中计算机终端的确切数量及今后的发展无法准确估算，在设计中管理网络都采用星型结构以满足灵活性好、扩展维护方便的要求。

4.5 三网络通信

污水厂自动化系统通常采用三级或四级子网构成复合型网络结构，要求我们在各级子网中都配置不同的通信协议，以适应不同的通信要求。由于现场测量控制层传递过程数据及控制命令，这种信息很短，对实时性要求较高，我们采用周期“I/O”方式通信。其采用的主协议大多为塌缩结构，只有物理层、链路层及应用层，而且大多为各PLC公司的专用协议。在设计时应按选择的PLC型号配置其通信协议。

集中监视操作层主要负责传递监控信息，信息长度居于过程数据与管理信息之间，对实时性要求也比较高，其通信协议常用令牌方式控制通信，通信速率为1～100Mb/s。在厂部及公司管理层，由于其需要进行PLC网的互联，PLC网与其他局域网的互联，因此，在这两层中一般采用开发性能好的通用协议。

个人计算机或PLC工作站在加入不同级别的子网时，必须按所连入的子网配置通信模板，并且应按该级子网配置的通信协议编制用户通信程序。

4.6 系统软件

在网络结构设计、操作和维护方面，网络软件、支撑软件、工具软件和应用软件起着极其重要的作用，作为工业控制用软件我们认为其必须能满足以下的性能和功能方面的要求。

污水厂自动化系统软件应是能支持系统资源共享，适用于不同的计算机硬件平台，支持实时多任务、多用户、多处理性能，支持中文字库，支持网络通信和网络服务，具有良好的组态功能和组态方式，友好的人机界面，支持多种数据库操作和格式化，支持多媒体，支持系统冗余，有较高的可靠性、实时性，具有良好的开放性和通用性等。

污水处理厂自动化系统软件必须具有以下功能：数据采集、监控、信息管理、报表、趋势分析、登录、动态模拟、报警和事件窗口、自诊断、历史数据处理、在线组态和安全管理功能等。

应用软件通常是由系统集成商根据污水处理厂的工艺设计及使用要求，在系统软件、支撑软件平台上组态完成的程序。其属于非标产品，直接影响整个系统的可用性、安全性，在某种意义上，应用软件的好坏将会影响操作人员对工作、网络和组织的感受。

4.7 系统硬件

系统硬件包括站点硬件和网络硬件两大类，由于污水处理厂生产过程缓慢、无自动化也可生产的特点，一般常用的PLC产品、网络产品，个人计算机等在可靠性指标MTBF(平均无故障间隔时间)、技术参数等方面一般都能满足污水处理厂自动化系统的使用要求。由此，我们在设计中充分考虑软/硬件相匹配、性价比高等原则选择系统硬件。

5 污水处理厂系统构成拓扑图

5.1 网络拓扑图及其构成

该装置采用计算机监控系统，分站用可编程控制器(PLC)的自动化控制系统。软件为采用太力信息产业有限公司的ISynall平台开发的专用软件包。

5.2 人机界面及功能

人机界面是操作者和系统交互联系的平台，它直接面向操作者，是用户认识评价一个系统的首要部分。本系统采用在WINDOWS环境下运行的ISynall软件包它把实时动态的各种信息量以图形、文字、画面的方式有机地结合在一起，立体感强，操作简便，直观舒适。操作者可用鼠标完成对软件的全部操作，包括菜单选择、画面切换、实时数据显示、历史数据前/后翻页、报表生成及打印、故障查询及复位、文件管理、参数设定等等，每页图形均固定有即时报警信息栏、向上翻页、回到主菜单、打开报警显示屏，操作人员姓名注册显示、故障/维修/模拟报警实时显示等功能。本软件包采用的是全中文界面更有利于操作者进行操作。

5.3 自动控制过程

1、进水泵 2、粗格栅 3、细格栅 4、刮砂桥和砂泵 5、进水流量和pH计 6、水下推进器 7、罗茨鼓风机 8、回流污泥泵 9、二沉池刮泥桥和浮渣泵 10、剩余污泥泵

5.4 系统运行与维护

该自动控制系统完全能够满足工艺运行需要，保证日处理水量、水质达到设计要求。由于生产需要，本系统必须24h连续运行，因此，对设备从选型到安装，从使用到维护管理都提出了较高要求。

6 结束语

污水厂自动化系统从理论上来讲是一个完整的、开放的系统，但在实际设计及工程实施过程中也存在一些问题。特别是一些大型设备如鼓风机、离心脱水机、高压配电系统综合智能保护装置等，其控制系统由设备配套带来，一般情况下自成网络，是各自分离的自动化孤岛，使日后的自动化运行、管理、维护及再开发变得很困难。如何在工程设计及招投标中协调好各子控制系统，使之能够与中心控制室的主控机实现安全开放的网络通信并满足工业控制实时性的要求，是今后在工程设计中需要进一步研究的新课题。

参考文献：

1、高大文 彭永臻等主编，污水处理智能控制的研究、应用与发展，中国给水排水，2002，18(6).－35－39

2、崔福义 彭永臻编著，《给水排水工程仪表与控制》，中国建筑工业出版社出版，1999年12月第一版

3、张自杰主编，顾夏声主审，《排水工程》，中国建筑工业出版社出版，2000年6月第四版

4、崔福义 彭永臻编著，《给水排水工程计算机应用》，中国建筑工业出版社出版，2002年2月第二版