摘要： 文章介紹了江南水廠污水處理自控系統的配置和功能，闡述了其系統網絡結構特點——由計算機、PLC、現場總線、現場在線儀表組成多級的、開放的、模塊化的、實時多任務的、集散型的、可擴展的數據采集和監控系統。

一、概述
北京機械工業自動化研究所成立于1954年，是一家大型自動化技術研究單位。其下屬的自控中心多年來一直致力于水處理、自動生產線和水力電力領域自控系統的研究開發和應用。代表項目有：三峽南北兩岸的大壩自控項目、重慶長安汽車廠生產線自控項目、北京小紅門水廠污水處理自控項目、蘭州水廠供水自控項目、邯鄲鐵溪水廠供水自控項目、張家口水廠污水處理自控項目等。
廣西南寧江南水廠污水處理控制及監控系統為廣西重點工程，建設資金來源于世行。北京機械工業自動化研究所自控中心承擔了該項工程。該工程包括：污水處理廠及城區配套截污干管。水處理能力為24×104 m3/d，處理工藝采用了A2/O生物法。即城市污水 →格柵 →污水泵 →沉砂池 →A2/O生物池→沉淀池→排放。處理后的廢水達到《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)。剩余污泥經過濃縮、脫水后外運填埋或作堆肥。現在常用的污水處理工藝包括氧化溝處理、地表滲漏法、A/O生物法、A2/O生物法。而A2/O生物法作為污水處理行業其中一種成熟、有效的處理方法被業界廣泛應用。
二、工藝描述、系統控制內容
該系統的工藝主要包括污水處理和污泥處理兩個環節。
1、污水處理環節
其作用是將污水經過層層處理后，最終滿足排放要求，污水處理工藝流程如圖一所示。。
1.1、粗格柵
功能：去除污水中較大的漂浮物。
控制方式：時間控制、液位差控制。
1.2、進水泵房
功能：提升污水的水位。
控制方式：根據吸水井液位進行控制。在主站設定幾個液位值，根據測得的液位值與設定液位值比較，自動增、減泵運行臺數，并且自動累計每臺泵運行時間，實現泵的自動輪換運行。
1.3、細格柵
功能：去除污水中較小的漂浮物，特別是絲狀、帶狀漂浮物，保證后續處理系統的正常運行。
控制方式：根據時間及格柵前后液位差控制。
1.4、沉砂池
功能：去除污水中比重大于2.65，粒徑大于0.2mm的無機砂粒，以保證后續流程的正常運行。
控制方式：根據時間進行控制。
1.5、生物池
功能：利用微生物降解和去除污水中的污染物質，達到預期的水質凈化目的。A2/O生物脫氮除磷工藝由厭氧、缺氧和好氧三個生物反應過程組成。
控制方式：水下攪拌器連續運行，并對鼓風機及電動空氣調節蝶閥進行閉環控制
1.6、回流污泥泵
功能：將一定數量的活性污泥回流到生化處理系統，以維持生化系統活性污泥的濃度，保證其生化反應的能力
控制方式：根據生物池的污泥濃度，計算出回流污泥比，再換算成污泥回流量，自動控制回流污泥泵的運行臺數。同時自動累計單臺泵運行時間，實現自動輪換運行。
1.7、 沉淀池
功能：對生化處理后的混合液進行固液分離，以保證出水水質。
控制方式：根據時間及泥位計控制。

圖一、污水處理工藝流程圖
2、 污泥處理部分
其作用是將污泥經過處理后，脫離出來，以便可以外運填埋或作堆肥。
2.1、剩余污泥泵房
功能：將生化系統產生的剩余污泥提升至污泥貯泥池進而至脫水機房。
控制方式：根據進水流量及進水BOD值，計算出總的產泥量，以自動控制剩余污泥泵的運行臺數，自動累計泵單臺的運行時間，實現自動輪換運行。設定吸泥井液位的高低限報警，達到高限報警時自動啟動排泥泵或減小沉淀池排泥量。
2.2、污泥濃縮及脫水系統
功能：降低污泥含水率，減少污泥體積。
控制方式：系統能根據進來的污泥量自動控制設備的運行臺數，根據進來的污泥量及污泥含固率自動控制加藥量，對儲藥罐的液位及藥量進行監測。對濃縮機、脫水機、加藥系統和螺旋輸送器狀態進行遠程監控。
另外，系統還包括沉砂系統、1#除臭系統、鼓風機、2#除臭系統、紫外消毒系統等配套設備。這些配套設備既可以獨立運行，又可以和各PLC控制站進行數據通訊。值得注意的是，由于各成套設備的生產廠家各不相同，所以通訊協議也不盡相同。
上述工藝要求給控制系統提出苛刻的控制要求：
（1）控制系統要采用分散控制
根據系統分散控制的原則，須設置4個PLC現場控制站對總變電所控制站和鼓風機房控制站、脫水機房控制站、出水井分變電室控制站、污泥泵房變電室控制站進行控制。由于設備繁多、功能復雜以及程序大，所選PLC控制系統需具備強大的處理能力。
（2）控制系統要支持多種不同網絡通訊
江南水廠污水處理自控系統是一個集中監視管理、分散控制的PLC控制系統。控制中心、控制站通過有線網絡連接。各有分工，既能獨立工作，又能在統一指揮下協調工作。控制站和其它配套設備也需通過網絡進行通訊。為了實現這些目的所選PLC控制系統必須支持多種網絡協議。
二、系統設計
根據國內外城市水系統的運行管理情況以及我們在該行業中的實踐經驗，依照國際自動控制領域的發展趨勢，本著安全可靠,簡單實用,先進(十年不落后)的原則，我們采用了施耐德的高端PLC控制產品，充分發揮其技術優勢，以施耐德UNITY控制平臺和開放的現場總線網絡體系為核心，采用的控制器、第三方控制設備、智能變送器、網絡架構及工控軟件產品為用戶提供了一個由計算機、PLC、現場總線、現場在線儀表組成的多級的、開放的、模塊化的、實時多任務的、集散型的、可擴展的數據采集和監控系統。
該系統采用集成工業現場總線、控制總線和高速以太網組成的混合三層體系結構，如圖二所示。

圖二、江南水廠污水處理自動控制系統圖
⑴ 信息層：
信息層以網絡交換機為中心，通訊協議為TCP/IP，系統架構為Internet/Intranet，網絡系統對內通信網數據吞吐率100Mbps。
其中信息層硬件部分主要為中控室的生產管理計算機站、服務器，化驗室計算機站及配套網絡傳輸線路、設備組成，完成系統的數據采集、監測、控制、通信、顯示及生產管理調度等功能。軟件系統主要由基于組態軟件開發的江南污水廠生產過程控制、運行監控、調度系統以及生產管理（水質監測、生產數據和系統故障報警信息）信息系統等組成。 該體系結構實現了對江南水廠生產管理系統軟硬件資源的整合和充分利用，使系統具有更高的兼容性、開放性和安全性。
⑵ 控制層：
控制層以施耐德 Unity平臺為控制核心，將分布在各工藝段之間的施耐德 Unity PLC和中央監控計算機通過網絡相連，實現控制信號的高速傳輸。施耐德 Unity PLC自動監測重要設備的運行狀態和工藝參數變化，并對設備進行自動控制。控制層硬件設備主要為施耐德Unity系列PLC（140CPU65150）、操作員面板（XBTG5230）、工業以太網交換機（499NOS17100）
在這里我們要特別提一下控制層的網絡。控制層的網絡體系采用TCP／IP網絡以及環形拓撲結構，以光纖為通信介質，通過以太網環網交換機構成帶寬為100Mbps的工業以太網。該網絡結構為自愈環網，其應用層采用開放的通訊協議。當環網發生一個光纖斷點時，網絡仍能夠正常工作。作為全廠的控制主干網，工業以太網光纖環網能在任何節點接入設備，而不需要更改從前的站號和配置，充分考慮了今后擴展的方便性。在出現故障時，在線增加或刪除任意一個節點，都不會影響到其他設備的運行和通訊。
根據工藝流程，全廠共設4套施耐德Unity PLC控制站：
LCS1控制站－－-總變電所控制站
主要控制粗格柵、進水泵房、轉鼓格柵的設備。LCS1控制站的觸摸屏通過RJ45連接到該站的交換機上。另外，LCS1控制站通過DP網和鼓風機設備廠家配套的PLC進行通訊；通過MB網和沉砂系統PLC、1#除臭系統PLC進行通訊。
LCS11控制站－－-鼓風機房控制站
主要控制鼓風機房的設備。LCS11控制站為LCS1控制站的遠程I/O站。本控制站的觸摸屏通過光纖介質連接到LCS1控制站的交換機上。
LCS2控制站－－-脫水機房控制站
主要控制脫水機房的設備。本控制站的觸摸屏通過光纖介質連接到LCS1控制站的交換機上。
LCS3控制站－－-出水井分變電室控制站
主要控制出水泵房、回流污泥房、剩余污泥泵房、二沉池的設備。本控制站的觸摸屏通過光纖介質連接到LCS1控制站的交換機上。
LCS4控制站－－-污泥泵房變電室控制站
主要控制曝氣池的設備。本控制站的觸摸屏通過光纖介質連接到LCS1控制站的交換機上。
另外，LCS4控制站通過MB網和紫外消毒PLC、2#除臭系統PLC進行通訊。
(3 )設備層：
我們利用施耐德UNITY PLC的MB口，采用MB網絡通訊協議對MCC柜的各智能變送器進行多點通訊。這種不用傳統I/O模塊而直接采用總線電纜連接的通訊方式，在實現現場離散設備和可編程邏輯控制器（PLC）之間的數據數字化傳輸的同時，將成本費用減少到最小，這種用于低層設備的低成本、高效率信息集成模式，已經逐漸成為控制領域的主流。
四、調試體會：
通過親身經歷，我們認為施耐德UNITY確實是新一代自動化平臺上的硬件和軟件產品：新軟件的使用可以大大地減少開發項目的時間，新硬件的使用可以大大地提高系統處理的速度，基于開發平臺和協同工具，施耐德UNITY使得設計、制造、維護的自動化水平達到前所未有的高度，從而大大提高了生產效率。下面是我在實踐過程中的小體會：
1、施耐德UNITY PLC具有超強的處理能力、超大存儲空間，并提供全面開放的通訊解決方案。其中，我們使用的140CPU65150兼容了RS 232/485 Modbus/ASCII端口、USB端口、MB+ 端口、USB 終端口、Ethernet TCP/IP 端口，在實現多種網絡的同時，最大限度節約了成本。另外，140CPU65150提供了一個數顯操作屏我們不僅能監視CPU狀態，而且對重要參數進行操作，這樣極大程度地方便了調試及維護。
2、施耐德UNITY PRO軟件界面友好、操作簡潔、使用方便。通過施耐德UNITY PRO軟件可以編寫多任務；可以通過多種調試語言形式編寫程序（不同調試語言可以在同一程序中混用）；可以使用標準或自建的語句塊，以滿足控制需要；可以根據要求建立各種類型的人性化變量；在IP和MB+通訊過程中，提供兩種通訊編寫方式；在不需要其它輔助軟件的情況下，提供模擬通訊功能以測試程序；可以編制內部畫面，并能模擬監控程序；提供多種診斷功能等。這些功能使我們在調試、維護過程中極大程度地提高了效率。同時這些軟件功能同其它軟件相比也具有領先性。
3、為了使基于施耐德UNITY平臺的控制系統能夠在高速的情況下穩定運行，在選型中一定要選擇施耐德公司的產品或施耐德公司授權設備，一定不能貪圖便宜選用沒有經過施耐德公司認證的第三方產品。
4、在選擇基于施耐德UNITY平臺的支持DP的主模塊時，須選擇PROSOFT公司的第三方模塊PTQ DPM MV1。另外在配置PROSOFT模塊CONFIG軟件時，須注意配置的GSD文件、從站地址、傳輸數據類型、數量必須和西門子從站一致。
5、調試前期，由于施耐德UNITY控制系統不支持MB的主站通訊模式，這樣我們就無法做到在不加網橋的情況下，通過內置MB口對智能變送器進行通訊。在施納德公司大力的幫助下，我們對施耐德UNITY控制系統進行軟、硬件全面升級，使施耐德UNITY的MB口支持232（點對點）通訊，然后通過添加232-485通訊轉換模塊方式，最終實現和智能變送器進行MB協議多點（485）通訊的功能。
五、結束語：
在江南水廠項目論證和實施過程中，我們發現施耐德公司新推出并推崇的施耐德UNITY系統具有高可靠性、高穩定性、以及靈活的可擴展功能、強大透明和對復雜環境及處理要求的適應性，為水廠的少人值守管理模式，提供了良好的技術支持。目前該系統正在調試中，預計年底正式投運，投運后，該廠將能承接相關企業委托的污水處理業務。從而獲得可觀的經濟效益，更重要的是：根治了污水對城市的污染問題，將取得顯著的社會效益。通過江南水廠污水處理自動控制系統項目的實施，我們認為，施耐德電氣公司的UNITY系列產品以其卓越的品質和性能可以為水處理行業提供一個完整的、全面的解決方案：即構造一個基于技術支撐的，由軟、硬件組成的系統。從底層的智能變送器到控制層的PLC和作為工廠神經中樞的控制網絡及現場總線系統，以及輔助操作員進行數據采集、處理和分析的軟件與終端，可以充分滿足水處理自動化領域用戶對系統數據采集、組態和控制的需求。

參考文獻：

1．施耐德UNITY PLC 用戶手冊