由圖可知，城市污水從進(jìn)入工廠到凈化水排出工廠及污泥處理各個工段都具有相對的獨立性，同時它們之間又有一定的聯(lián)系，很適合組成具有分布式結(jié)構(gòu)的計算機(jī)自動化控制系統(tǒng)。以下就城市污水處理廠計算機(jī)自動化控制系統(tǒng)在系統(tǒng)構(gòu)成、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)通信、系統(tǒng)軟件和硬件等方面作一簡要介紹。
一 系統(tǒng)構(gòu)成
根據(jù)城市污水處理廠工藝流程、廠區(qū)布置、生產(chǎn)和管理體制等方面的具體要求，污水處理廠自動化系統(tǒng)大致可由現(xiàn)場測量控制層、集中監(jiān)視操作層、廠部生產(chǎn)管理層和公司生產(chǎn)調(diào)度層組成，如圖2。
1. 現(xiàn)場測量控制層
該層是污水廠計算機(jī)自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ)，直接完成生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)采集、調(diào)節(jié)控制以及實現(xiàn)反饋控制或順序控制等功能。其過程輸入信息是面向傳感器的信號，如模擬量、開關(guān)量、電能、時間、脈沖等，其輸出是驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運行或停止工作。
構(gòu)成現(xiàn)場測量控制層的裝置有PLC、過程檢測儀表和機(jī)電控制設(shè)備等。根據(jù)廠區(qū)平面布置及工藝流程的特點，該層一般可由污水預(yù)處理系統(tǒng)/進(jìn)水泵房、生物處理系統(tǒng)/配電中心、生物處理系統(tǒng)/鼓風(fēng)機(jī)房、污水消毒系統(tǒng)/出水泵房、污泥處理系統(tǒng)/脫水車間等工段PLC工作站組成。
(1)污水預(yù)處理系統(tǒng)/進(jìn)水泵房
該P(yáng)LC工作站設(shè)在廠區(qū)進(jìn)水提升泵房控制室，負(fù)責(zé)監(jiān)控污水處理廠的預(yù)處理工段。其主要控制對象為粗格柵間的粗格柵及進(jìn)水電動閘門、進(jìn)水泵房的污水提升泵、沉砂池的排砂裝置和砂水分離等設(shè)備，此外，還負(fù)責(zé)進(jìn)水水質(zhì)如pH、SS(濁度測量)等參數(shù)的在線檢測。
(2)生物處理系統(tǒng)/配電中心
該P(yáng)LC工作站一般設(shè)在全廠的配電中心控制室，負(fù)責(zé)監(jiān)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(jìn)器和曝氣設(shè)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(jī)等設(shè)備。此外，其還負(fù)責(zé)生物池DO、ORP、MLSS；污泥泵房pH、MLSS，配電中心的電氣參數(shù)如：電流、電壓、有功功率，無功功率、有功電能、無功電能等參數(shù)的在線檢測。
若污水廠生物池采用鼓風(fēng)曝氣時，在系統(tǒng)中還需增設(shè)鼓風(fēng)機(jī)房PLC工作站，一般情況下工作站設(shè)在鼓風(fēng)機(jī)房配電間控制室，負(fù)責(zé)監(jiān)控鼓風(fēng)機(jī)及其輔助設(shè)備的運行及風(fēng)量的調(diào)節(jié)。
(3)污水消毒系統(tǒng)/出水泵房
該P(yáng)LC工作站設(shè)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(shè)備，此外其還負(fù)責(zé)出水水質(zhì)如：余氯、COD、流量等參數(shù)的在線檢測。
(4)污泥處理系統(tǒng)/脫水車間
該P(yáng)LC工作站一般設(shè)在脫水車間配電間控制室，負(fù)責(zé)監(jiān)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(jìn)泥泵、脫水機(jī)、濃縮機(jī)、加藥系統(tǒng)等設(shè)備。
2. 集中監(jiān)視操作層
該層一般設(shè)在綜合樓或配電中心的中心控制室，由兩臺工業(yè)控制計算機(jī)和輸入/輸出設(shè)備等組成。在中心控制室設(shè)置大屏幕投影儀或模擬屏，以使值班人員更清晰地監(jiān)視全廠的生產(chǎn)實況。
3. 廠部生產(chǎn)管理層
該層由中、高檔計算機(jī)終端擔(dān)當(dāng)?shù)墓S自動化綜合服務(wù)系統(tǒng)和辦公自動化系統(tǒng)組合而成，負(fù)責(zé)有關(guān)的生產(chǎn)管理、成本控制、質(zhì)量管理、人事管理、財務(wù)管理等方面的綜合處理，達(dá)到優(yōu)化組合的目標(biāo)。
為使廠部管理人員更好、更直接地了解全廠生產(chǎn)情況，在廠部一般設(shè)置4個計算機(jī)終端，即廠長辦公室、總工程師辦公室、化驗室和廠務(wù)辦公室計算機(jī)終端作為廠部生產(chǎn)管理層。
4. 公司調(diào)度層
公司調(diào)度系統(tǒng)負(fù)責(zé)全區(qū)域污水處理廠的生產(chǎn)調(diào)度及與其他管理部門或行政主管部門的聯(lián)系，其對內(nèi)通過對各污水廠的監(jiān)控來協(xié)調(diào)各廠的生產(chǎn)，對外可與其他行業(yè)及各級行政主管部門進(jìn)行通信交換信息。
由以上描述可看出污水廠自動化系統(tǒng)其實是有多個網(wǎng)段組成的一個區(qū)域性的局域網(wǎng)，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。
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二 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
由圖2可知，在污水處理廠自動化系統(tǒng)的各層之間、各PLC工作站之間都是通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接的，通過網(wǎng)絡(luò)的物理介質(zhì)進(jìn)行通信及信息交換。綜合比較常用網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合城市污水廠的實際情況，一般污水處理廠廠區(qū)面積都不是很大，最長的站點距離為1km左右，工控網(wǎng)的站點為4～7個，管理網(wǎng)的站點為3～5個，同時污水處理廠都又存在擴(kuò)建、改造、增加或減少PLC工作站的可能，我們在設(shè)計工控網(wǎng)時采用總線網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其特性能滿足工業(yè)控制實時性高、擴(kuò)展靈活、方便的要求。對于管理網(wǎng)由于其實時性要求不高，同時對其網(wǎng)絡(luò)中計算機(jī)終端的確切數(shù)量及今后的發(fā)展無法準(zhǔn)確估算，在設(shè)計中管理網(wǎng)絡(luò)都采用星型結(jié)構(gòu)以滿足靈活性好、擴(kuò)展維護(hù)方便的要求。
綜上所述污水處理廠自動化系統(tǒng)可以由不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組合而成，各個網(wǎng)段適應(yīng)各自不同的網(wǎng)絡(luò)需求。污水處理廠完整的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成如圖3所示。
三 網(wǎng)絡(luò)通信
由圖3可知，污水廠自動化系統(tǒng)通常采用三級或四級子網(wǎng)構(gòu)成復(fù)合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，要求我們在各級子網(wǎng)中都配置不同的通信協(xié)議，以適應(yīng)不同的通信要求。由于現(xiàn)場測量控制層傳遞過程數(shù)據(jù)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(xié)議大多為塌縮結(jié)構(gòu)，只有物理層、鏈路層及應(yīng)用層，而且大多為各PLC公司的專用協(xié)議。在設(shè)計時應(yīng)按選擇的PLC型號配置其通信協(xié)議。
集中監(jiān)視操作層主要負(fù)責(zé)傳遞監(jiān)控信息，信息長度居于過程數(shù)據(jù)與管理信息之間，對實時性要求也比較高，其通信協(xié)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(jìn)行PLC網(wǎng)的互聯(lián)，PLC網(wǎng)與其他局域網(wǎng)的互聯(lián)，因此，在這兩層中一般采用開發(fā)性能好的通用協(xié)議，例如MAP規(guī)約、Ethernet協(xié)議等，通信速率100～1000Mb/s。在廠部及公司網(wǎng)絡(luò)主要傳遞管理信息，同時應(yīng)考慮異種網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，其中的通信協(xié)議大多為OSI 7層協(xié)議。
個人計算機(jī)或PLC工作站在加入不同級別的子網(wǎng)時，必須按所連入的子網(wǎng)配置通信模板，并且應(yīng)按該級子網(wǎng)配置的通信協(xié)議編制用戶通信程序。
四 系統(tǒng)軟件
在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計、操作和維護(hù)方面，網(wǎng)絡(luò)軟件、支撐軟件、工具軟件和應(yīng)用軟件起著極其重要的作用，作為工業(yè)控制用軟件我們認(rèn)為其必須能滿足以下的性能和功能方面的要求。
1. 軟件性能
污水廠自動化系統(tǒng)軟件應(yīng)是能支持系統(tǒng)資源共享，適用于不同的計算機(jī)硬件平臺，支持實時多任務(wù)、多用戶、多處理性能，支持中文字庫，支持網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，具有良好的組態(tài)功能和組態(tài)方式，友好的人機(jī)界面，支持多種數(shù)據(jù)庫操作和格式化，支持多媒體，支持系統(tǒng)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。
2. 軟件功能
污水處理廠自動化系統(tǒng)軟件必須具有以下功能：數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、信息管理、報表、趨勢分析、登錄、動態(tài)模擬、報警和事件窗口、自診斷、歷史數(shù)據(jù)處理、在線組態(tài)和安全管理功能等。
根據(jù)以上要求，系統(tǒng)操作軟件在現(xiàn)階段采用具有真32位的Microsoftr WinNT、Win95以及Win98等軟件，同時根據(jù)PLC品牌的不同，配置不同的通信軟件、支撐軟件、人機(jī)界面軟件等專用軟件。要求專用軟件與現(xiàn)今流行的Microsoft產(chǎn)品共享信息。
應(yīng)用軟件通常是由系統(tǒng)集成商根據(jù)污水處理廠的工藝設(shè)計及使用要求，在系統(tǒng)軟件、支撐軟件平臺上組態(tài)完成的程序。其屬于非標(biāo)產(chǎn)品，直接影響整個系統(tǒng)的可用性、安全性，在某種意義上，應(yīng)用軟件的好壞將會影響操作人員對工作、網(wǎng)絡(luò)和組織的感受。因此，我們建議在工程招標(biāo)中應(yīng)選擇有污水處理廠自動化系統(tǒng)工程經(jīng)驗的系統(tǒng)集成商、專業(yè)軟件公司承擔(dān)污水處理廠硬件、軟件的安裝和編程、調(diào)試工作。
五 系統(tǒng)硬件
系統(tǒng)硬件包括站點硬件和網(wǎng)絡(luò)硬件兩大類，由于污水處理廠生產(chǎn)過程緩慢、無自動化也可生產(chǎn)的特點，一般常用的PLC產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，個人計算機(jī)等在可靠性指標(biāo)MTBF(平均無故障間隔時間)、技術(shù)參數(shù)等方面一般都能滿足污水處理廠自動化系統(tǒng)的使用要求。
由此，我們在設(shè)計中充分考慮軟/硬件相匹配、性價比高等原則選擇系統(tǒng)硬件。
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六 結(jié)束語
污水廠自動化系統(tǒng)從理論上來講是一個完整的、開放的系統(tǒng)，但在實際設(shè)計及工程實施過程中也存在一些問題。特別是一些大型設(shè)備如鼓風(fēng)機(jī)、離心脫水機(jī)、高壓配電系統(tǒng)綜合智能保護(hù)裝置等，其控制系統(tǒng)由設(shè)備配套帶來，一般情況下自成網(wǎng)絡(luò)，是各自分離的自動化孤島，使日后的自動化運行、管理、維護(hù)及再開發(fā)變得很困難。如何在工程設(shè)計及招投標(biāo)中協(xié)調(diào)好各子控制系統(tǒng)，使之能夠與中心控制室的主控機(jī)實現(xiàn)安全開放的網(wǎng)絡(luò)通信并滿足工業(yè)控制實時性的要求，是今后在工程設(shè)計中需要進(jìn)一步研究的新課題。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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