0 前言
現(xiàn)代化的企業(yè)對污水處理的要求越來越高，不僅要求安全而且增加了實時性、精度、節(jié)能等更多的需求。對污水處理工藝進行自動化監(jiān)測和實時控制是提高污水處理效率、降低處理能耗的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的控制將逐步被智能總線控制取代，這將成為一種趨勢。
水處理控制一般按工藝流程配置必要的液位、流量和水質(zhì)分析等檢測儀表。根據(jù)電氣設(shè)備的運行要求及主要工藝參數(shù)的控制要求，設(shè)置自動控制和自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。按照集中監(jiān)測管理和分散控制的原則建立3級計算機監(jiān)控系統(tǒng)。
應(yīng)用于污水和污泥處理現(xiàn)場的控制設(shè)備應(yīng)具有在同類工程中長期可靠、穩(wěn)定運行的要求。要求功能實用、穩(wěn)定可靠、易操作、易維護、耐腐蝕、壽命長，能長期連續(xù)運行。使用的材料、安裝形式、電源等應(yīng)適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境，特別應(yīng)具備硫化氫防護能力。PLC控制器應(yīng)具有統(tǒng)一的開放的現(xiàn)場總線接口，通過配置不同的現(xiàn)場總線接口模塊，能連接自成系統(tǒng)設(shè)備控制柜。

1 生態(tài)循環(huán)處理工藝簡介
水生態(tài)循環(huán)利用工程采用“沉砂－水解酸化－循環(huán)式活性污泥法（CAST）” 處理工藝，本工程工藝流程如圖1所示。

水循環(huán)工程將鋼鐵廠的廢水以及其它非常規(guī)水源進行處理，滿足環(huán)保排放的要求，同時作為企業(yè)的安全水源，為企業(yè)提供合格水質(zhì)。首先，將鋼鐵廠現(xiàn)有的塘系進行了改造利用作為調(diào)節(jié)塘，對污水廠的進水水質(zhì)、水量進行調(diào)節(jié)，減少了水質(zhì)、水量波動對系統(tǒng)運行造成的影響，保證后續(xù)生化和深度處理系統(tǒng)的正常運行。然后，采用水解酸化工藝對處理工藝進行強化，利用水解和產(chǎn)酸菌的反應(yīng)，將不溶性有機物水解成溶解性有機物、大分子物質(zhì)分解成小分子物質(zhì)，使出水BOD/COD的比值得到了提高，增加了污水的可生化性。其次，經(jīng)CAST反應(yīng)池按進水-曝氣、沉淀、潷水、進水完成一個周期，循環(huán)上述運行周期，從而去除掉污水中的污染物。最后，通過CMF連續(xù)膜過濾系統(tǒng)和RO反滲透系統(tǒng)的膜組件，水分子在一定的壓力驅(qū)動下透過膜，而懸浮物、膠體、大分子有機物及微生物等則被阻截，從而達到凈化分離的目的。處理后的中水作為企業(yè)煉鋼過程的循環(huán)冷卻水源。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計
2.1 設(shè)計原則
考慮本工程的建設(shè)規(guī)模，自控系統(tǒng)及設(shè)備應(yīng)達到先進水平，系統(tǒng)構(gòu)成應(yīng)適應(yīng)今后計算機發(fā)展的趨勢，實現(xiàn)生產(chǎn)管理的自動化，保障水生態(tài)循環(huán)利用工程安全、可靠。
自動化系統(tǒng)應(yīng)綜合考慮生產(chǎn)、管理、安全等因素，各工藝設(shè)備均應(yīng)納入自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。“分散控制、集中管理”，保證整個水生態(tài)循環(huán)利用工程運行協(xié)調(diào)一致。
硬件配置應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，可靠性高、適應(yīng)能力強、擴展靈活、操作維護簡便。軟件完整，并具有開放的結(jié)構(gòu)，以便用戶今后的二次開發(fā)。人機界面力求方便、直觀。根據(jù)工藝要求和設(shè)備特點，對主要機械設(shè)備的控制采用就地手動控制、自動控制、中央控制室監(jiān)控的3種操作模式。滿足工藝專業(yè)對自動控制的要求，保證控制系統(tǒng)配置上的完整性和適應(yīng)性。
2.2 設(shè)計范圍
（1）根據(jù)電氣設(shè)備的運行要求及主要工藝參數(shù)的控制要求，設(shè)置自動控制和自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
（2）按工藝流程配置必要的液位、流量和水質(zhì)分析等檢測儀表。
（3）全部檢測儀表及電氣設(shè)備的運行信號的傳送和顯示。
（4）按照集中監(jiān)測管理和分散控制的原則建立3級計算機監(jiān)控系統(tǒng)。
2.3 系統(tǒng)組成
從工程的實際情況及工藝要求出發(fā)，本設(shè)計采用目前國內(nèi)外先進并成熟的集散型控制系統(tǒng)。實現(xiàn)3級計算機管理，即信息層、控制層和現(xiàn)場設(shè)備層。它集計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)以及顯示技術(shù)于一體，通過工業(yè)以太網(wǎng)將中央級監(jiān)控站和若干分控站連接起來，現(xiàn)場控制級采用現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)集中監(jiān)測管理和分散控制。這樣克服了集中控制系統(tǒng)危險度集中、可靠性差、不易擴展和控制電纜用量大等缺陷，實現(xiàn)了信息、調(diào)度、管理上的集中和功能及控制危險上的分散。當(dāng)中控室微機出現(xiàn)故障，各分控站都能獨立、穩(wěn)定工作，從根本上提高了系統(tǒng)可靠性。采用PLC為主體構(gòu)成的集散系統(tǒng)主要有以下幾個特點：
（1）提高設(shè)備利用率，保證水處理質(zhì)量。通過安裝在現(xiàn)場的儀表，連續(xù)監(jiān)測各種工藝參數(shù)。自控系統(tǒng)可以根據(jù)這些參數(shù)，協(xié)調(diào)各工段水處理工藝之間的關(guān)系，保證設(shè)備的充分利用，并根據(jù)儀表檢測到的數(shù)據(jù)，及時糾正偏差，從而保證了水處理質(zhì)量。
（2）保證系統(tǒng)運行可靠。由于在各工藝流程段設(shè)置了相應(yīng)的水質(zhì)監(jiān)測儀表，中控室設(shè)二套冗余監(jiān)控管理計算機，可以監(jiān)測到全廠各設(shè)備的運行參數(shù)和運行狀態(tài)，隨時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，并及時報警。
（3）由于實行微機優(yōu)化控制，節(jié)省人力和減輕人工勞動強度，節(jié)省日常運行費用，降低污水處理成本。
2.3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
水生態(tài)循環(huán)工程的自動控制系統(tǒng)采用3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：即信息層、控制層和現(xiàn)場設(shè)備層。3層網(wǎng)絡(luò)必須是完全開放的、成熟的、先進的技術(shù)，必須能夠與企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)完全集成。
三層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該保證一致的應(yīng)用層，信息的共享、訪問應(yīng)避免任何特殊的編程和特殊的網(wǎng)關(guān)設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)保持功能的集成。在任何一級網(wǎng)絡(luò)上，都應(yīng)能夠在同一介質(zhì)上實現(xiàn)系統(tǒng)透明瀏覽、編程組態(tài)、實時控制、數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)診斷。網(wǎng)絡(luò)上一般性的信息訪問不應(yīng)影響系統(tǒng)實時控制性能。
（1）信息層
即中控室與各分控站間的信息層網(wǎng)絡(luò)必須是基于100Mb/s以太網(wǎng)的開放網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，擁有廣泛的廠商支持。所有的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)和附件（交換機、集線器、線纜、接頭、工具等）必須能夠從第三方購得而非廠商專有。信息管理部分由通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和監(jiān)控計算機、工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備及相關(guān)的軟件通過基于TCP/IP的以太網(wǎng)組成，以太網(wǎng)貫穿于各管理職能部門。連接在以太網(wǎng)上的個人終端能夠以Web瀏覽器的方式獲得他權(quán)限以內(nèi)的數(shù)據(jù)。連接在以太網(wǎng)上的工程師站通過賦予一定權(quán)限后可通過網(wǎng)關(guān)進入控制層，對控制系統(tǒng)進行監(jiān)控。信息管理系統(tǒng)必須能夠支持遠程登錄進行數(shù)據(jù)存取。
分控站與中控室之間的連接必須通過交換機進行，連接介質(zhì)選用光纖；中控室以太網(wǎng)設(shè)備采用五類雙絞線接入交換機。系統(tǒng)通過自愈式光纖環(huán)網(wǎng)方式實現(xiàn)以太網(wǎng)冗余連接，即骨干網(wǎng)上任何一點的光纖連接意外斷開，系統(tǒng)都能通過反向環(huán)的方式提供后備以太網(wǎng)鏈路，保證系統(tǒng)可用性的同時兼顧經(jīng)濟性。系統(tǒng)應(yīng)能夠在同一介質(zhì)鏈路上同時支持數(shù)據(jù)采集、編程上/下載、I/O控制等功能。
（2）控制層：即分控站與I/O站之間的通信采用現(xiàn)場控制總線網(wǎng)。
（3）設(shè)備層：自控系統(tǒng)與設(shè)備配套控制箱柜之間的通信，須采用開放的國際上認可的Profibus-DP現(xiàn)場控制總線。
2.3.2 中央監(jiān)控系統(tǒng)
中央控制室設(shè)在水生態(tài)循環(huán)利用工程的綜合辦公樓內(nèi)，集中監(jiān)視、控制、管理全部生產(chǎn)過程和工藝過程。對生產(chǎn)過程中的自動控制、報警、自動保護、自動操作、自動調(diào)節(jié)以及各工藝流程中的重要參數(shù)進行在線實時監(jiān)控，對工藝設(shè)備的工況進行實時監(jiān)視。
（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
在綜合辦公樓中央控制室內(nèi)設(shè)置2臺中央操作工作站，以中央操作工作站為核心，構(gòu)成100Mb/s交換式局域網(wǎng)絡(luò)。中央操作工作站熱備冗余配置，以提高數(shù)據(jù)安全性。中央控制室和廠內(nèi)的分控站PLC控制系統(tǒng)采用光纖環(huán)網(wǎng)連接，網(wǎng)絡(luò)形式為工業(yè)以太網(wǎng)，傳輸速率為10~100Mb/s。2臺中央操作工作站雙機熱備，正常情況下，一臺用于工藝監(jiān)控，另一臺作為備用，隨時可以代替故障設(shè)備。2臺操作工作站的硬件和軟件的配置必須相同，功能和監(jiān)控的對象應(yīng)可以互換。
（2）中央控制室的監(jiān)控
除了由中央控制室直接控制的關(guān)系到全廠運行調(diào)度的設(shè)備，中央控制室一般不直接參與設(shè)備的控制，而主要進行對水廠各工藝流程段的集中操作、監(jiān)視和控制功能。通過簡單的操作，可進行系統(tǒng)功能組態(tài)、監(jiān)視報警、控制參數(shù)在線修改和調(diào)整；同下級終端微機進行傳輸、通信，收集各終端微機送來的監(jiān)測信息、運行狀態(tài)和水質(zhì)參數(shù)；進行匯總、運算、處理、報警、故障分析最終完成對現(xiàn)場設(shè)備的優(yōu)化控制。中央控制室向分控站分配所在單體或節(jié)點的運行控制目標(biāo)，控制工藝設(shè)備投入或退出運行，監(jiān)控全廠生產(chǎn)過程。對于中央控制室允許投入運行的設(shè)備或設(shè)備組，其具體的控制過程由分控站管理；對于被中央控制室禁止投入運行的設(shè)備或設(shè)備組，由所在分控站控制其退出運行，并被標(biāo)記為不可用設(shè)備，不再對其啟動。
中央控制室內(nèi)設(shè)大屏幕投影系統(tǒng)，可直觀地顯示工藝流程和各工段的實況及各工藝參數(shù)趨勢畫面，并可隨時進行在線修改，使操作人員及時掌握運行情況，并通過計算機網(wǎng)絡(luò)向各分控站發(fā)布指令，協(xié)調(diào)各環(huán)節(jié)正常工作，保證安全經(jīng)濟運行。
（3）SCADA系統(tǒng)軟件
中央控制室計算機負責(zé)監(jiān)控各個工藝過程，運行在這些計算機上的軟件必須是成熟的并在國內(nèi)外有過廣泛的應(yīng)用。監(jiān)控軟件除了具有圖形監(jiān)控的功能之外，還應(yīng)有報警、趨勢、報表等功能。
采用圖控軟件組態(tài)設(shè)計中控室的運行監(jiān)控程序，具有中文界面、操作提示和幫助系統(tǒng)。操作界面主要以流程圖方式表示，從總體流程圖直到每個單體的局部流程圖。在流程圖上顯示的設(shè)備均可以點擊進入，以了解該設(shè)備的進一步細節(jié)數(shù)據(jù)或?qū)ζ溥M行控制。工藝過程、運行參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)均以圖形方式直觀表示。運行參數(shù)和目標(biāo)控制參數(shù)可以點擊進入，了解其屬性或進行設(shè)定修改。中控室的運行控制通過操作終端實現(xiàn)，主要是對生產(chǎn)過程進行調(diào)節(jié)和對產(chǎn)品的質(zhì)量進行控制。中央控制室主要進行運行調(diào)度、參數(shù)分配和信息管理，亦可控制全廠主要設(shè)備的運行。
中央控制室向各單體控制系統(tǒng)分配所在單體或節(jié)點的運行控制目標(biāo)，根據(jù)實際的水量和水質(zhì)狀況，命令某組工藝設(shè)備投入或退出運行。對于中央控制室允許投入運行的設(shè)備或設(shè)備組，其具體的控制過程由所在單體控制系統(tǒng)管理；對于被中央控制室禁止投入運行的設(shè)備或設(shè)備組，由所在單體控制系統(tǒng)控制其退出運行，并不再對其啟動。
（4）通信軟件
系統(tǒng)提供完善的、成熟的軟件套件進行網(wǎng)絡(luò)瀏覽、網(wǎng)絡(luò)診斷、通信組態(tài)、軟件驅(qū)動和數(shù)據(jù)通信服務(wù)，以及基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的數(shù)據(jù)庫事務(wù)處理軟件。對于各層網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)均提供現(xiàn)成的通信驅(qū)動軟件，以進行接口配置、實時透明網(wǎng)絡(luò)瀏覽、編程上/下載、在線診斷等。對于上位HMI、批處理和企業(yè)MIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫接口等軟件，軟件提供成熟的數(shù)據(jù)通信服務(wù)器功能（Data Server），在PC系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間提供高吞吐量的、穩(wěn)定的雙向數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。軟件必須支持OPC、DDE等數(shù)據(jù)傳輸方式，并針對控制系統(tǒng)提供優(yōu)化的通信服務(wù)。
（5）數(shù)據(jù)庫事務(wù)處理軟件
為了和用戶MIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫以及其他企業(yè)級應(yīng)用軟件接口，本系統(tǒng)提供成熟的可選數(shù)據(jù)庫事務(wù)處理軟件，在企業(yè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間提供高吞吐量的、穩(wěn)定的、實時的雙向數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。面向控制系統(tǒng)支持OPC、DDE等數(shù)據(jù)傳輸方式并能與HMI軟件接口，同時面向MIS系統(tǒng)和企業(yè)應(yīng)用軟件提供主流數(shù)據(jù)軟件如微軟MS SQL Server的OLE-DB接口、Oracle公司OCI數(shù)據(jù)庫接口，同時具備支持通用ODBC的數(shù)據(jù)庫接口能力。要求具備未來ERP系統(tǒng)的接口能力，并具有已經(jīng)認證的接口能力。
首先，完成日常的數(shù)據(jù)管理。對采集到的各種數(shù)據(jù)經(jīng)計算、處理、分類，自動生成各種數(shù)據(jù)庫及報表、供實時監(jiān)測、查詢、修改、打印以及生成后的報表文件的修改或重組。軟件系統(tǒng)的可靠性應(yīng)能保證數(shù)據(jù)的絕對安全，防止數(shù)據(jù)的非法訪問，特別是對原始數(shù)據(jù)的修改。按操作等級進行管理，一般情況下，至少應(yīng)設(shè)置3個操作級，即觀察級、控制操作級、維護級。每一級都需有訪問控制，具有日常的網(wǎng)絡(luò)管理功能，維持整個局網(wǎng)的運行，定時對各接口設(shè)備進行自檢、異常時發(fā)出報警信號。
其次，完成設(shè)備管理功能。能對組成系統(tǒng)的所有硬件設(shè)備及運行狀態(tài)進行在線監(jiān)測及自診斷，能對實時監(jiān)控的所有對象的運行狀態(tài)進行監(jiān)測及自診斷，能對各類設(shè)備運行情況（如工作累計時間、最后保養(yǎng)日期等）進行在線監(jiān)測，并存入相應(yīng)文檔，以備維護、保養(yǎng)，并能對設(shè)備故障提出處理意見，以供參考。
2.3.3 PLC分控站、遠程I/O站
根據(jù)工藝特點，構(gòu)筑物的布置和現(xiàn)場控制的分布情況，設(shè)置5個PLC分控站。PLC現(xiàn)場分控站選用可編程序控制器，PLC為模塊化結(jié)構(gòu)，硬件配置較靈活，軟件編程方便，并且PLC子站與相應(yīng)的MCC置于同一地點，可節(jié)省其間電纜。各子站劃分如下：
（1）旋流沉沙池及水解酸化池、集水泵房分控站：PLC1
PLC1置于集水泵房：負責(zé)集水泵房、旋流沉沙池、巴氏計量槽及水解酸化池內(nèi)設(shè)備的自動控制和數(shù)據(jù)采集。在旋流沉沙池內(nèi)設(shè)置現(xiàn)場控制PLC子站，水解酸化池上設(shè)置WAGO的遠程I/O站。
（2）鼓風(fēng)機房及CAST池分控站：PLC2
PLC2置于鼓風(fēng)機房控制室：負責(zé)鼓風(fēng)機房、變配電室及CAST池內(nèi)設(shè)備的自動控制和數(shù)據(jù)采集。每組CAST池設(shè)置單獨控制PLC子站，CAST池上設(shè)置WAGO的遠程I/O站。
（3）加藥車間、加氯車間、中間水池分控站：PLC3
PLC3置于加藥車間控制室：負責(zé)加藥車間、加氯車間、中間水池內(nèi)設(shè)備的自動控制和數(shù)據(jù)采集。分別設(shè)置加氯車間、中間水池單獨控制PLC子站。
（4）污泥脫水車間分控站：PLC4
PLC4置于污泥脫水車間控制室：負責(zé)污泥脫水車間、污泥濃縮池分控站內(nèi)設(shè)備的自動控制和數(shù)據(jù)采集。每臺脫水機設(shè)置單獨控制PLC子站。
（5）膜濾車間分控站：PLC5
PLC5置于中控室：負責(zé)膜濾車間、RO回用水泵房、熱交換車間及CMF循環(huán)供水泵的自動控制和數(shù)據(jù)采集。
基于遠程I/O從站的選擇要求，選取了模塊化結(jié)構(gòu)、體積小、獨立于現(xiàn)場總線的德國萬可公司的WAGO-I/O-SYSTEM 750系列分布式I/O系統(tǒng)。采用可以自由組合數(shù)字量、模擬量和特殊功能I/O模塊的現(xiàn)場總線節(jié)點設(shè)計，既可節(jié)省費用又可節(jié)省空間。
WAGO的遠程I/O是基于現(xiàn)場總線獨立節(jié)點設(shè)計的，每個模塊具有1、2、4或8個通道。按照IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，帶PLC功能（控制器）的現(xiàn)場總線適配器分布在控制網(wǎng)絡(luò)上。數(shù)字量/模擬量、輸入/輸出及帶有不同電壓等級和信號類型的特殊功能模塊可以被組合在同一個現(xiàn)場總線節(jié)點中。
水生態(tài)循環(huán)利用工程自控系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.3.4 自控系統(tǒng)的儀表
現(xiàn)場檢測儀表在計算系統(tǒng)控制中是不可缺少的重要部分?？紤]到工作環(huán)境條件的適應(yīng)性，特別是傳感器直接與污水、污泥介質(zhì)接觸，極易腐蝕和結(jié)垢，因此傳感器參量選用隔膜式、非接觸式、易清洗式。兼顧到維修管理容易、方便，盡可能選用不斷流拆缺式和維護周期較長的儀表。全部儀表均選用帶有現(xiàn)場顯示變送器的智能儀表，并帶有4～20mA直流輸出，信號通過現(xiàn)場終端及通信網(wǎng)絡(luò)傳送至中心監(jiān)控計算機，在計算機CRT上和模擬屏上顯示。
各種儀表的基本類型如下：
（1）流量檢測儀表：細管道中流量計要采用電磁流量計，粗管道中采用超聲波流量計。氣體流量計采用熱值式流量計。
（2）液位檢測儀表：在需要給出連續(xù)測量信號的環(huán)節(jié)，采用超聲波液位計或一體化超聲波液位計，一般環(huán)節(jié)的水位測量需給出位式信號，采用浮球液位開關(guān)。
（3）溫度檢測儀表：采用傳感器和變送器一體化的溫度測量儀。熱敏元件為鉑熱電阻（Pt100)。
（4）溶解氧測定儀：選用無隔膜固體電極傳感器，并帶自動清洗裝置。
（5）酸度測定儀：采用玻璃電極式酸度計，懸浮物測定儀，選用光電式傳感器。
（6）在線COD測定儀：采用專利光方法測定。

3 結(jié)束語
隨著電子信息技術(shù)的進步和自控產(chǎn)品成本的降低，水生態(tài)循環(huán)利用工程的智能化自控系統(tǒng)也日趨成熟，并在該領(lǐng)域發(fā)揮出明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。實踐已經(jīng)證明，水生態(tài)循環(huán)利用工程的自動監(jiān)測和控制，能夠在解放生產(chǎn)力、提高生產(chǎn)效率并在降低能耗的前提下保證出水水質(zhì)。因此，既經(jīng)濟又合理的自控系統(tǒng)，對整個水生態(tài)循環(huán)利用工程安全、可靠、科學(xué)地運行起到了重要的作用。