摘要：在污水處理自動控制系統(tǒng)中采用現(xiàn)場總線和冗余技術提高了信號傳輸?shù)木群蜏蚀_性，解決了傳統(tǒng)控制方案中敷線過多的問題，提高了系統(tǒng)的可靠性和擴展性。該系統(tǒng)采用了三層網絡結構：管理級、控制級和現(xiàn)場級；具有設計先進、易于擴展和運行安全可靠等特點。實際運行效果非常明顯。

關鍵詞：Profibus SBR 冗余技術 分布式I/O模塊

0引言

進入21世紀，我國的環(huán)保事業(yè)迅速發(fā)展，工業(yè)廢水、生活污水的凈化處理成為當務之急。投 資少、運行靈活的SBR處理工藝得到廣泛的應用。SBR工藝早在1904年就被開發(fā)，由于當時的 自動化水平比較低，所以沒有得到推廣應用，而近年來隨著自動化技術、設備及在線監(jiān)測儀 表的發(fā)展，使得對污水處理的自動化成為可能。同時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、降低處理能耗的關鍵。SBR反應主要是在反應池內進行的，該工 藝 主要由進水、曝氣、沉淀、排水和閑置等五個階段組成。SBR工藝的處理效果主要取決于其 運行參數(shù)，其中主要參數(shù)包括各反應段時間以及曝氣強度。一般采用以PLC為核心的工藝過 程自動監(jiān)控系統(tǒng)，實時控制鼓風機、水泵、電動閥等設備及各反應段時間，使水質達到 國家規(guī)定的排放標準。

由此可見，污水處理是一個多參量(如液位、水質成分、流量、壓力等)、多任務(如污水輸 送、風量控制、水泵的啟停等)、多設備(如格柵機、水泵、鼓風機、閥門等) 且具有隨機性 、時變性和耦合性的復雜系統(tǒng)。因此，污水處理應由一個智能監(jiān)控與綜合管理系統(tǒng)來進行現(xiàn) 代化的管理，使之安全可靠地運行。

1現(xiàn)場總線技術

在污水處理廠中，現(xiàn)場控制設備分布范圍比較廣，如果采用傳統(tǒng)的控制方案，勢必要敷設大 量的控制和信號電纜，浪費大量的人力和物力，十分不經濟，同時使系統(tǒng)復雜，可靠性降低 。采用目前比較流行的現(xiàn)場總線技術，可以降低成本，同時提高系統(tǒng)的可靠性，使系統(tǒng)易于 擴展和維護。Profibus是Process Fieldbus的縮寫，是一種國際性的開放式的現(xiàn)場總線標準 。目前世界上多數(shù)自動化技術生產廠家都為它們的自動化設備提供Profibus通信接口。Profibus已經廣泛地應用于加工制造、過程控制和樓宇自動化，是一項成熟的技術。Profibus根據 應用特點可分為Profibus DP， Porfibus FMS， Profibus PA等三個兼容版本。Profibus DP是 經過高速優(yōu)化的、廉價的通信鏈路，專為自控系統(tǒng)和設備級分散式I/O之間設 計的接口；使 用Profibus總線模塊用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據傳輸可以取代昂貴的24 V或0～20 mA并行信號線。 ProfibusFMS解決車間級普通的通信任務，提供大量數(shù)據通信服務，提供中等任務的傳輸 速度。

2系統(tǒng)組成及功能設計

現(xiàn)代化的污水處理系統(tǒng)需要實現(xiàn)管理與控制一體化，實現(xiàn)辦公自動化。控制系統(tǒng)不僅與 下層控制設備有良好的接口，而且具有與上層管理系統(tǒng)集成的接口，同時具有可擴展性。所 以現(xiàn)代化污水處理系統(tǒng)要求在底層采用現(xiàn)場總線或者工業(yè)以太網等技術，上層則選用優(yōu)秀的 監(jiān)控組態(tài)軟件。為了加強系統(tǒng)的可靠性，使整個系統(tǒng)能夠長時間無故障地運行，需要采用容 錯技術。 根據全集成自動化（Totally Integrated Automation）的思想，將污水廠 控制系統(tǒng)分為管理級、控制級、現(xiàn)場級。

（1）管理級。管理級是系統(tǒng)的核心部分，完成對污水處理過程各部分的管理和控制 ，并實現(xiàn)廠級的辦公自動化。管理級提供人機接口，是整個控制系統(tǒng)與外部信息交換的界面 。管理級的各臺計算機具有相互通訊的功能，實現(xiàn)數(shù)據交換或共享。考慮到管理層功能結構 的層次性和可分割性，采用客戶/服務器（Client／Server）的體系結構。服務器選用 大型的網絡關系數(shù)據庫，滿足開放、分布式數(shù)據庫管理方式的要求。服務器具有遠程控制操 作功能、狀態(tài)顯示功能、數(shù)據處理功能、報警功能、報表功能、通訊功能和冗余功能等。廠 中心控制室中設備包括：兩臺安裝Siemens公司WinCC監(jiān)控組態(tài)軟件的冗余服務器作為上位機 ，兩臺服務器安裝WinCC組態(tài)軟件的完全版以及冗余軟件包，兩臺服務器互為備用，實現(xiàn)冗 余，提高系統(tǒng)的可靠性。裝有WinCC運行版的PC機作為監(jiān)控工程師操作站。這種配置的最主 要的優(yōu)點是保證數(shù)據的完整性和監(jiān)控操作的連續(xù)性。如果一個WinCC服務器出現(xiàn)故障，該服 務器的客戶機自動從發(fā)生故障的服務器切換到備用的服務器上，使所有的客 戶機 始終可以監(jiān)控生產過程，修復后的服務器回到系統(tǒng)后，自動實現(xiàn)歸檔數(shù)據的匹配。

管理級現(xiàn)場總線選擇ProfibusFMS總線，冗余服務器作為ProfibusFMS現(xiàn)場總線的主站 ，通過CP通信模塊與ProfibusFMS現(xiàn)場總線連接。

（2）控制級。控制級是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的關鍵，也是管理級與現(xiàn)場級之間的樞紐層。 其主要功能是接受管理層設置的參數(shù)或命令，對污水處理生產過程進行控制，同時將現(xiàn)場狀 態(tài)輸送到管理層。控制級要求具有高可靠性，所以在系統(tǒng)的關鍵部分中要采用冗余技術。控 制器是整個系統(tǒng)的核心，所以在控制級中，采用兩個Siemens公司CPU3152DP型PLC組成冗 余 控制器，一個為主站，一個為備用站。兩個PLC之間通過并行總線通訊，進行信息交換，相 互監(jiān)視，實現(xiàn)雙機熱備冗余。每個PLC上安裝一塊ProfibusFMS通信模塊CP與ProfibusFM S現(xiàn)場總線連接，PLC作為ProfibusFMS現(xiàn)場總線的從站，作為控制系統(tǒng)的下位機，通過總 線 與上位機通信。Siemens公司S7 3152DP型號PLC具有ProfibusDP網絡通訊接口，可作為ProfibusDP現(xiàn)場總線的主站。兩個S7 3152DP主站建立冗余配置的Profibus－DP現(xiàn)場總線系 統(tǒng)，與控制現(xiàn)場的遠程分布式智能I／O模塊連接，實現(xiàn)與現(xiàn)場設備和傳感器通信。

（3）現(xiàn)場級。現(xiàn)場級是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎。現(xiàn)場級主要由一次儀表（如液位計、DO 傳感器等）、控制設備等組成。其功能主要是對系統(tǒng)設備的狀態(tài)、傳感器參數(shù)進行監(jiān)測，并 把監(jiān)測到的數(shù)據上傳；接受控制級的指令對執(zhí)行機構進行控制。由于控制設備比較分散，在 傳統(tǒng)的工廠內，輸入／輸出設備連接到一個集中的機架，在設備改變和系統(tǒng)擴展時，導致接 線工作量大，成本高，柔性度低。通過開放的、標準化的現(xiàn)場總線系統(tǒng)來連接部件，應用Siemens公司ET200分布式I/O是解決這些問題的最佳方案。分布式配置意味著可編程序控制 器、I/O模塊和現(xiàn)場設備通過稱為現(xiàn)場總線的信號電纜連接。將輸入/輸出模塊轉換成就地監(jiān) 測器和執(zhí)行器，可就地轉換和處理過程信號。可像集中配置那樣進行程序設計。在控制點比 較集中的控制現(xiàn)場配置一個遠程分布式智能I／O模塊ET200M，現(xiàn)場I／O信號直接輸入I／O模 塊，每個ET200M 模塊上安裝有兩塊IM153－2型號帶有ProfibusDP接口的模塊，與冗余ProfibusDP現(xiàn)場 總線分別 連接。ET200M模塊采用活動總線式底板（Active Bus Module），所有模塊可以帶電熱插拔 ，便于維修。

在以上的配置中，系統(tǒng)重要的部分采用冗余技術，使整個控制系統(tǒng)具有極高的可靠性， 可以實現(xiàn)每天24小時不間斷工作。根據此設計思想和關鍵技術方案分析得出系統(tǒng)總體結構 見圖1。

圖1控制系統(tǒng)結構原理

3智能傳感器

污水處理過程中，需要實時地在線監(jiān)測各種水質參數(shù)以保證準確的工藝運行參數(shù)和及時 顯示處理結果。在本系統(tǒng)中涉及到的傳感器數(shù)量大、種類多，包括溫度、pH、SS（固體懸浮 物)、DO（溶解氧）、COD、液位傳感器以及ORP（氧化還原電位）儀、流量計、壓力計等。 傳感 器全部采用德國Endress+Hauser公司的產品，這些傳感器都帶有ProfibusDP接口，利用智 能接口，這些儀表能與自動化過程控制系統(tǒng)集成，這樣獲得的所有過程參數(shù)可以集中顯示， 同時作為工藝的控制參數(shù)。

由于污水成分比較復雜，具有腐蝕性，因此選用超聲波液位計測量液位，避免直接與污 水接觸，并且反應速度快，帶有總線接口具有遠傳功能，直接輸送到PLC，同時具有就地顯 示的功能，參數(shù)設置簡單、操作方便。 在污水廠的進水總管和出水總管分別安裝SS、溫度 、pH和COD傳感器，測得進水水質參數(shù)用于反應控制，出水參數(shù)用于監(jiān)測工藝的運行效果， 以防止處理后不合格的水排出。

在反應池的厭氧區(qū)內裝有ORP計，測量厭氧區(qū)的氧化還原電位，反映生物硝化脫氮的情 況，同時決定是否需要從好氧區(qū)回流污泥。好氧池內裝有DO傳感器用于控制曝氣量 ，根據污水中的溶解氧含量決定空氣管電動閥的開度，從而控制曝氣量。SS傳感器用于監(jiān)測 污水中固體懸浮物的濃度。在空氣總管上安裝有壓力計，根據空氣總管空氣的壓力來控制 鼓風機的啟停以及實現(xiàn)變 頻調速。在滿足工藝要求的同時可以實現(xiàn)節(jié)能。

4上位機組態(tài)軟件

上位機系統(tǒng)要求：具有與多臺下位機系統(tǒng)通訊的能力，實時監(jiān)控多臺下位機的工作狀態(tài) ，顯示生產過程中的工作曲線；具有遠程控制能力；向下位機采集數(shù)據，對歷史數(shù)據進行存 儲、查詢、顯示、打印等。因此，在一個自動監(jiān)控系統(tǒng)中，投入運行的監(jiān)控組態(tài)軟件是系統(tǒng) 的數(shù)據收集處理中心、遠程監(jiān)視中心和數(shù)據轉發(fā)中心，處于運行狀態(tài)的監(jiān)控組態(tài)軟件與各種 控制、檢測設備（如PLC、智能儀表等）共同構成能快速響應的控制中心。優(yōu)秀的組態(tài)軟件 是實現(xiàn)上位機功能的基礎。

選用Siemens公司WinCC(Windows Control Center)5.0組態(tài)軟件。WinCC具有控制自 動化過程的強大功能，是基于個人計算機，同時具有極高性價比的SCADA級操作監(jiān)視系統(tǒng) 。在兩臺服務器上安裝服務器版和冗余軟件包，客戶機安裝運行版。

圖2組態(tài)軟件結構

該監(jiān)控軟件的結構框圖見圖2。監(jiān)控組態(tài)軟件的功能及特點：

（1）友好的人機界面，控制操作方便。在中心控制室能對全系統(tǒng)被控設備進行實時控制， 如啟停設備，在線設置PLC中程序的某些工藝參數(shù)等。

（2）實時畫面顯示功能。用圖形實時地顯示各現(xiàn)場被控設備的運行工況，以及現(xiàn)場的狀 態(tài)參數(shù)。用模擬儀表、趨勢圖、曲線、柱狀圖動態(tài)顯示參數(shù)的實時變化情況，使生產管理人 員能夠快速、清晰地了解整個系統(tǒng)的生產運行情況。

（3）數(shù)據管理。數(shù)據庫存儲生產過程數(shù)據，供統(tǒng)計分析使用。工作人員可以定期把歷史數(shù)據庫備份到其它存儲介質，以便于歷史數(shù)據的查詢。利用數(shù)據庫中的數(shù)據進行比較和分析 ，得出一些有用的經驗參數(shù)，有利于優(yōu)化SBR工藝的閉環(huán)控制。

（4）報警功能。當參數(shù)超過設定范圍或設備（如電機啟停、閥門開關）發(fā)生故障時，可根據組態(tài)發(fā)出不同等級的聲光報警，如屏幕顯示報警信息、打印機輸出報警信息等。可根據 報警信息自動切換到相應的監(jiān)控畫面。所有的報警信息均被記錄在報警數(shù)據庫中，便于以后 的事故分析使用。

（5）報表打印功能。可以實現(xiàn)報表和圖形打印以及各種事件和報警實時打印。打印方 式分為定時打印和事件觸發(fā)打印。

（6）通訊功能。WinCC是基于標準的Windows平臺開發(fā)的SCADA系統(tǒng)軟件，充分考慮了與其它 系統(tǒng)交換信息的必要性，支持如DDE，OLE，ODBC，OPC和SQL等標準。可以提供多種方式與上 層系統(tǒng)數(shù)據交換。

（7）冗余功能。兩臺裝有WinCC組態(tài)軟件的服務器互為冗余，確保數(shù)據完整。

5控制軟件編程

一套理想的軟件不只限于滿足工藝要求，而且要考慮到現(xiàn)場出現(xiàn)的各種特殊情況，因 此必須可靠、實用、易修改。

5.1控制規(guī)律

軟件編程的主要依據為生產工藝提供的控制規(guī)律。同一種處理工藝可能會有不同的控制 策略，根據目前的研究狀況，SBR工藝的控制可以分為三種：一種是生物濃度法。是指根據 在線測 得的水質參數(shù)與設定參數(shù)形成閉環(huán)控制；第二種是反應時間控制。對于時間控制規(guī)律而言， 它是根據對SBR反應的五個階段所需要的時間進行自動控制的。第三種是流量程序控制。是 根據污水流量的變化來調整各個階段所需時間進行自動控制。后兩種控制方法都不是根據廢 水的水質變化來改變某些運行參數(shù)進行自適應控制的。

生物濃度控制的基本思想是動態(tài)的控制SBR的反應時間使其中的有機物濃 度（用COD或BO D表示）達到允許的排放標準，就停止曝氣。在線測定有機物濃度的BOD或COD傳感器比較貴 ，一般都在幾十萬元，目前還沒有應用報道，而且實時性比較差，反應時間慢。試驗表明： 在SBR法的反應階段在一定混合物濃度和溫度的條件下，對一定的廢水而言，反 應池中的BOD和COD濃度與耗氧速率（OUR）及氧化還原電位（ORP）有密切的關系。一般說來 ，有機物濃度越低，則OUR越低而ORP越高，因此可以通過OUR與ORP來 監(jiān)測有機物濃度的變化，進而通過計算機來自動控制反應過程。[KG)]

時間控制程序是根據對SBR反應池的五個運行階段所需要的時間進行自動控制。該方法 不是根據污水的水質變化來改變某些運行參數(shù)進行自適應控制。對于進水時間、曝氣時間、 沉淀時間、排水時間及閑置時間均可由上位機設定。SBR反應池的各段工藝過程及其執(zhí)行時 間均嚴格按時序進行，每個反應池的任何設備均可通過電氣柜上的手動/自動轉換開關改變 其狀態(tài)，但均不能改變PLC所設定的工作時序，并且一旦切入自動狀態(tài)后便進入PLC所設定的 時序。在自動狀態(tài)下，操作人員在中心控制室可以通過人機界面實現(xiàn)遠程遙控操作。現(xiàn)場設 備的工作狀態(tài)均送上位機顯示。

5.2控制程序

根據以上情況，對應設計了兩種控制程序，可根據實際情況由上位機選擇運行。

（1）生物濃度法控制程序。生物濃度法采用反饋控制，利用在線測得的進水水質參 數(shù)作為輸入，按照預先確定好的控制模型進行運算，然后用計算的結果作為輸出控制現(xiàn)場的 設備，動態(tài)控制反應時間，以達到控制反應的目的。

（2）時間控制程序。①本控制系統(tǒng)嚴格按照時序、按順序工作。②允許在工作過程 中任意進行遙控、自控切換且不影響工作時序。

6結語

在污水處理控制系統(tǒng)中采用現(xiàn)場總線改變了傳統(tǒng)的全模擬量傳輸?shù)姆绞剑诂F(xiàn)場總線級 實現(xiàn)了數(shù)字量傳輸，達到了提高信號傳送精度，增強現(xiàn)場控制靈活性，降低現(xiàn)場儀表初裝費 和設計施工費用，減少電纜敷設，易于維護和擴展的目的。該自動控制系統(tǒng)已經在浙江海寧 污水處理廠投入運行，實現(xiàn)了污水處理SBR工藝的自動控制，提高了污水處理的效率和效果， 同時降低了能耗，取得了良好的經濟效益與社會效益。

參考文獻

1 陽憲惠.現(xiàn)場總線技術及其應用.北京：清華大學出版社，1999

2Liaw ShuLiang， Cheng Wanyuan， Chang ChengNan. Performance enhancement of SBR applying realtime control.Journal of Environmental Engineering.ASCE，2000. 943～948

3馬國華: 監(jiān)控組態(tài)軟件及其應用. 北京：清華大學出版社. 2001

4 Yu RueyFang， Liaw Shuliang， Chang ChengNan， Cheng WanYuan. Applying realtime control to enhance the performance of nitrogen removal in the continuousflow SBR system. Wat Sci Tech，1998，138(3): 271～280

5Valnyr V Lira， P R Barros， J S da Rocha Neto， Adrianus C van Haandel. Automation of an anaerobic aerobic wastewater treatment process. IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference Budapest， Hungary， 2001

6Jamine Moreno.Optimal time control of sequencing batch reactors for industrial wastewaters treatment. Proceeding of the 30th conference on Decision & control Sam Diego， California USA December，1997

7彭永臻，邵劍英，等.利用ORP作為SBR法反應時間的計算機控制參數(shù).中國給水排水， 1997 ，13（6）：6～9