时间：2023-06-02 09:59:19
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇污水处理控制系统，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
中图分类号：U664.9+2 文献标识码：A
环境污染问题关系到人们的生产生活，在污水处理过程中，随着人们对污水处理要求的逐渐提高，传统的污水处理控制方法难以达到控制要求，使得污水处理的现状不容乐观，还存在诸多亟待解决的问题。在新形势下，污水处理自动控制系统的设计，运用现代化自动化控制处理污水满足了污水处理的要求，在污水处理过程中发挥着重要的作用。如何进行污水处理自动控制系统的设计是当前污水处理关注的焦点。因此，研究污水处理自动控制系统的设计具有十分重要的现实意义。鉴于此，笔者对污水处理自动控制系统的设计进行了初步探讨。
1 污水处理工艺流程。近年来，从污水处理的实际需求的环境出发，污水处理的工艺过程也日趋复杂，污水处理工艺流程按处理程度的不同，分为不同的处理阶段。具体说来，污水处理一般可分为五个阶段，即预处理、一级处理、二级处理、深度处理和污泥处理及处置。其中，预处理主要包括：粗格栅、细格栅、沉砂池；一级处理主要包括：初沉池；二级处理主要包括：生物滤池、曝气池和二沉池；深度处理：常用的工艺有混凝沉淀和过滤。污泥处理主要包括浓缩、消化、脱水、堆肥或卫生填埋。通过对需求进行详细的调研，决定污水处理工艺流程应包括粗格栅、沉砂池、细格栅、初沉池、生物滤池、提升泵房、曝气池、二沉池等，结构图如图1所示：
图1 污水处理工艺流程图
2 污水处理自动控制系统设计要求
污水处理自动控制系统，在设计过程中，必须按照一定的要求来进行设计，其具体内容如下：（1）所有的电气和机械设备能够自动或手动操作，控制系统需包括报警、联锁和控制回路。并且上述设备传送的信息应能够在控制面板和过程控制计算机显示器上显示。（2）所有的设定值（液位、流量、温度、PH值、溶解氧量）和计时器可以在控制系统中通过操作面板或键盘更改。（3）通常，过程联锁的设定值不能被未授权的人员通过操作面板修改，只有在输入正确的密码之后，才能进行操作。（4）控制系统负责系统自动化运行的监管，能实现24h全天候连续运转，并按工艺要求进行自动操作。（5）利用工艺参数的反馈，实现过程的稳定控制（液位、温度、流量、PH值和溶解氧），提高反应效率、节约能源，并提高系统的抗冲击性能。（6）实现厌氧处理过程集水井液位与2台入水泵、初沉池液位与2台冷却塔进料泵、均衡池液位与2台调制池进水泵、2台浅液式搅拌机之间的连锁控制。（7）实现冷却塔温度与冷却塔2台风扇、调制池回流管温度与进料阀门XV-401A/B、碱液投加泵、盐酸投加泵、磷酸投加泵以及尿素投加泵之间的联锁控制。（8）实现2台初沉池污泥泵、进料阀门XV-401A/B、厌氧污泥泵、磷酸投加泵以及尿素投加泵的时间控制。（9）实现调制池回流管流量开关与进料阀门XV-401A/B、厌氧污泥泵、碱液投加泵、盐酸投加泵、磷酸投加泵以及尿素投加泵之间的联锁控制。（10）实现好氧处理过程集水井液位与提升泵的联锁控制。（11）实现曝气池溶解氧（DO）与4台罗茨鼓风机的联锁控制。（12）实现液位、温度、流量、PH值和溶解氧（DO）的高低限报警。（13）实现好氧处理过程加药设备的控制。（14）实现脱水机房相关设备的运行状态显示及故障报警显示。（15）对所有带控制点的电机和泵实现启停控制。（16）实现模拟量的历史趋势及趋势图表显示。（17）实现必要的流量累计功能。（18）实现整个污水处理系统所有电机、泵的故障报警。
3 污水处理自动控制系统硬件设计。污水处理控制系统设计是污水处理的重要组成部分，污水处理自动控制系统具有广阔的发展前景。在污水处理系统中，关于污水处理自动控制系统硬件设计，以下将从污水处理系统控制和PLC控制系统硬件的介绍来阐述，其具体内容如下：
3.1 污水处理系统控制介绍。污水处理系统控制对象既有开关量又有模拟量， 污水处理过程的共同特点就是开关量多，模拟量少；与此同时，既有开环控制又有闭环控制，具体在污水处理系统控制中，以逻辑控制为主，闭环控制为辅。污水处理系统控制的控制系统包括两套CPU412控制器，三条通讯链路，三个ET200M从站。工程师站通过上位机监控软件实现对全厂设备的监控、水质数据记录、生产报表等功能。其中，自动控制柜是整个自动控制系统的核心部分，自动控制系统的功能主要是由PLC按照实现编好的程序进行控制。
关键词：PLC；MCGS；污水处理
中图分类号：X703 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）20-0070-02
前言
随着人口的增长，污水的产生越来越多，污水处理技术越来越重要。目前我国很多污水处理系统中都使用了PLC和MCGS的污水处理控制系统。这样能够达到更好的污水处理效果，同时还能提升处理效率。
1 污水理系统的基本要求
1.1 明渠内的格栅
成组的平行金属栅条做成了格栅，通常情况下，格栅呈倾斜状态放置在污水提升泵到集水池的主要渠道上面，对污水里含有的大块固体废弃物进行拦截，例如生活垃圾等，这样能够有效保证阀门、管道及相应的处理设备处于正常的工作状态，防止受到这些物体的损坏。一般来说，污水通过格栅的速度越缓慢，所对应的拦截废弃物的效果越显著，但是如果速度太过于缓慢，那么会对格栅造成阻塞的情况，这样就会减少过水面积，从而导致水流速度加快。所以要确定污水通过格栅的速度，就要做全方位综合性的考虑，污水的主要组成、污水含有泥沙的百分比。对于格栅的间距也由污水的性质来决定，使其技能满足水泵的要求，同时还能满足后续设备的要求。
1.2 平流隔油池
在平流隔油池里面，通常都装有很多设备，通常会有链条式刮泥、刮油机，废水从池子的一边进入，从另外一边向外流出。在池子里的污水水平方向的流动速度非常小，包含在水中的油滴会在水中上下浮动，之后在表面进行聚集，由池子配套的集油管和刮油机把它们收集起来。如果密度较大，那么会下沉到底下，最后收集排出。
1.3 SBR反应池
对于SBR法来说，其处理污水的运行方式是间歇式操作，对污水进行分批处理，在每一个池子里面都会有曝气池和二沉池，在处理系统中，不进行二沉池的单独设置，污泥回流设备也不会单独设置，对于污水的均质调节池也不进行设置。许多的反应器组合在一起构成了SBR法，污水是按照一定的顺序进入到反应池中，在整个污水处理的过程中，其反应工序都是按照一定的顺序进行排列的。
2 污水处理系统的工艺要求
2.1 提升泵启闭控制
在整个对污水进行处理的系统中，设置有6台泵，把其两两归为一组。在安装有污水提升泵的池子达到所需要的液位时候，污水提升泵开始工作，如果水位达不到要求，泵不发生运行。
2.2 除污机控制
在污水处理系统里面除污机的安装非常重要，在明渠里面的粗、中格栅上都要进行安装。如果在格栅的前后会形成一定数值的液位差，那么除污机处于正常运行状态，除此之外，都是处于关闭状态。
2.3 刮油、刮泥机控制
在污水处理系统里面，刮油、刮泥机通常只设置一套，在平流隔油池里面。在它处于正常工作状态的时候是进行连续式作业，只有进行维修时候才停止。
2.4 曝气机控制
在每一个反应池里面都需要配备有曝气机，通常该设备采用变频电机进行启动的控制，通过PLC编写程序，完成对曝气机的自动控制。在不同的反应周期中，曝气机完成相应的运转，并根据实际情况进行自动的调节，达到节能的效果。
2.5 滗水器控制
和曝气机的设置一样，滗水器也是分别存在于反应池中，通过PLC的编程实现自动控制过程。当反应池的各个条件都满足其要求时候，滗水器开始正常运行。
3 污水处理控制系统结构构成
在污水处理控制系统中，工控机IPC、PLC+相关外设电路板、模拟开关量输入输出控制板三大部分组成了主要的系统结构。在进行污水处理的时候，对水压和水流量都有要求，需要两者都保持恒定，要对动态数据进行采集，用来分析。如果压力和流量都采用人工手动控制，那么就会产生很大的工作量，还会给结果带来较大的误差，一定程度上给能源造成浪费。所以在污水处理控制系统中，采用PLC和MCGS方法就能有效对这些问题进行解决，达到工艺上的要求。在控制系统中现场的控制单元选择PLC，把PLC作为控制单元来控制污水处理具有很显著地特点，首先职能分配合理并且清晰，对于现场控制、操作控制、数据管理都有不同的站点与之对应，其次控制功能非常强大、并且具有很高度的可靠性，最后，PLC控制的抗干扰能力明显优于STD等常用控制装置。
4 控制系统软件设计
对于控制系统来说，软件的设计至关重要，主要包括 PLC下位机程序的设计和上位机组态软件的设计。PLC程序的编写是为了功能行的实现，对于编译完成后的梯形图程序借助通讯电缆传输到PLC里。
通过雷达液位计对混合沉降罐的液位信号进行采集，之后将结果送到处理器，处理器进行分析并且与预先设定数值进行比较，利用PID对信号进行控制调节，从而改变变频器的输出情况，达到控制水泵的效果，通过这个过程，能够有效保证混凝沉降罐的液位处于相对平稳的状态。对于流量泵来说要使用变频器，从而实现泵对流速的控制，从而对整个系统处理污水的速度进行控制。运用雷达液位计对粗粒化罐的液位进行采集，将结果传输给处理器，处理器把分析结果和预定值进行比较，控制变频器的输出情况，实现对泵的控制，使得粗粒化罐的液位也处于相对稳定的状态。在对排污泵的控制上，在上位机监控过程中选用MCGS组态软件，这一软件的应用能够快速完成上位机监控系统的组态软件系统的构造与生成。这一系统能够完成从数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案。
5 控制系统设计
5.1 上位机设计
在污水处理控制系统中，上位机的设计包括三个环节，污水处理远程计算机控制系统、整个工程的系统构成及工艺流程、拟定组建工程的总体规划和设想。
首先，污水处理远程计算机控制系统使用的是MCGS组态软件进行控制和管理的，它的作用是构造以及生成计算机监控系统，它的运行平台限制较小，能够在Microsoft的各种32位Windows平台上使用，它能够对现场情况进行监控采集，采集F场数据，对异常情况进行报警，对全部工艺流程进行控制，对统计报表进行输出，能够给客户提供解决问题的可行性方案。
其次，整个工程的系统构成及工艺流程，根据被监控对象特征，找到最重点的监控要求以及相关技术要求。
最后，拟定组建工程的总体规划和设想，这里面包括了系统的具体职能，控制流程具体的实现方式，用户所要使用的窗口界面的显示方式，动画效果的实现方式，在进行实时数据库的各种环节时候如何定义，与此同时，对于工程中设备的数据采集以及相关的定义关系都要进行详细的分析，要对设备与对应变量的关系仔细分别认清，对于对应变量的软件所需要传递的数据能够通过动画形式进行显示。对工程设计里面的整体规划工作要认真完成，这样能够有效避免做一些项目组态过程中的无用功，让工程项目能够快速有效的完成。
5.2 下位机设计
通常情况下机位使用的是日本OMRON公司的C200H系列PLC。它的具体结构是模块式，对于一个单元系统来说它的核心是CPU，包含电源、微处理器、系统存储器等，能够提供现场输入的设备是基本I/O单元以及智能I/O单元，对输出进行控制的设备以及和CPU进行连接的电路。结合具体对系统进行设计中的功能要求环节，对于下机位来说，通常选择使用的设计程序是模块化的程序，这种程序设计的本质就是依照不同的功能，把下位机的程序分解成具有功能性的一系列模块，当这些模块所具有的功能都能得到实现之后，依照系统的要求，把这些具有不同功能的模块按照一定方式进行连接，经过调试之后，就形成了最终的程序。通过这样的方法进行程序编写具有很明显的优势，编制的程序具有很多特性，能够进行扩展同时还能进行移植，此外它的通用性非常良好，在任何一种系统定的功能模块都能够进行运用。针对不一样的污水处理系统来说，对于硬件设计也是不尽相同的，在具体的功能特性上也有一定的差异。在编程中应用模块化的思想，如果要对具有特定功能的污水进行处理，在这个系统中要实现功能就很容易，只需要对相关功能的模块进行选择，之后把它们按照一定顺序进行组合就能够实现它的功能。这样的软件结构类似于积木的拼装，具有很好的使用效果，在软件编程和调试阶段都能够简化具体工作，从客户的角度来说，设备改造能够带来开发周期以及经济效益两方面的好处。
6 结束语
综上所述，随着PLC和MCGS的污水处理控制系统的使用，使得污水处理过程变得更为简单有序。在进行污水处理的时候，每一道工序都能准确完成，减少了人工操作所产生的误差。对于污水处理控制系统设计来说，要对上机位和下机位分别进行合理的设计，要对系统功能进行全面把握，使得设计的控制系统简单易操作。通过这样方式处理之后得到的中水具有更好的回用指标。
参考文献：
[1]郭照新，李超，张学东.PLC在一体化反应器污水处理系统中的应用[J].微计算机信息，2006，22（3）：1-3.
[2]赵芳，李从兵.基于PLC的污水处理控制系统[J].工业控制计算机，2006，19（4）：59-60.
【关键词】污水处理水厂 ；PLC控制系统；仪表系统
中图分类号：U664.9+2 文献标识码：A 文章编号：
前言
污水厂控制系统由中央控制室微机（上位机）和现场PLC终端（下位机）两级组成。上位机采用二台工控机，具有冗余热备功能，上位机完成数据处理，参数设定，报表生成和图形显示监控。下位机用可编程控制器，完成对设备的监控和数据采集。上位机和PLC各站点通过工业快速冗余光纤以太环网连接。采用这种结构形式系统，操作人员能有效方便、快捷地操纵和管理整个系统，可把厂级以太管理网与工控网相连接，在服务器编制数据库，把工控网的历史数据、实时数据在以太网上共享，以便于污水处理厂管理。
一PLC控制站构成
粗格栅控制站（PLC1）
（1）粗格栅
A控制模式
液位差控制方式：格栅前、后设超声波液位差计，根据设定的液位差值判断格栅是否堵塞，当液位差H达到设定值，则格栅机开始连续工作，直到液位差H低于设定值后，恢复正常的格栅机操作，如果液位差H继续增加，则触发报警，格栅机按设置时间工作。
定时控制方式：格栅机的操作是根据时间间隔及持续时间的定时发来控制，时间间隔及持续时间由计算机设定，系统自动调整所有格栅具有相同的时间间隔及持续时间。螺旋输送机与格栅机联动，格栅机工作与否始终作为螺旋输送机的工作条件，螺旋输送机先于格栅机工作，滞后于格栅机停止，时间在0~5分钟内可调。多台格栅机间隔工作。
B监视设备的状态
状态信号：每一格栅除污机有“运转/停止”、“故障”、“自动/手动”信号；格栅螺旋输送机有“运转/停止”、“故障”、“自动/手动”信号。
故障报警内容：每一格栅除污机、螺旋输送机有“故障”报警。
（2）进水泵房
A控制模式
进水泵房水可手动/自动控制，手动状态下，可在就地控制柜上单机起停，在自动控制状态下：
根据集水池液位自动控制变频调速泵的转速及水泵的开/停。
根据集水池最低液位，自动停泵，实现泵的开动转保护。
每一台泵的起动次数和总的运行小时数应均衡。初始设定应使每台泵的动转时间相等。系统根据时间优先原则循环顺序起动水泵，每台水泵的起动次数和总的运行小时数应进行积累，并排出维修计划，应使每台水泵的运行时间大致相等。控制方案为，起泵原则：中液位启动两台水泵，中高液位启动三台水泵，高液位启动四台水泵并有高液位报警。停泵原则：中高液位停一台水泵，中液位停两台水泵，低液位全部关闭并有低液位报警。
控制系统应监视泵的运行过程，如泵故障应报警并自动投入备用泵。
B监视设备状态
状态信号：每台水泵“运转/停止”、“自动/手动”、“故障””漏水报警”信号入PLC。现场显示进水泵房集水池的液位值。
集水池内设一组超声波液位计，超声波液位计用来控制水泵运行，其信号入PLC。变频调速器的转速反馈信号，水泵电流信号，在计算机上显示并有报警。
故障报警：监视进水泵房集水池液位，如果液位低于或高于PLC设定的数值时应触发报警。
（3）细格栅
A控制模式
液位差控制模式：格栅前、后设超声波液位差计，根据液位差值检测格栅是否堵塞，当液位差H达到设定值时，则格栅开始连续工作，直至液位差H低于设定值后，恢复正常的格栅操作。如果液位差H继续增加，则触发报警，除污机按设置时间工作。
定时控制方式：格栅机的操作是根据时间间隔及持续时间的定时法来控制，时间间隔及持续时间由计算机设定，系统自动调整所有格栅具有相同的时间间隔及持续时间。螺旋输送机与格栅联动，格栅工作与否始终作为螺旋输送机的工作条件，螺旋输送机先于格栅工作，滞后于格栅停止，时间在0~5分钟内可调。多台格栅应间隔工作。
B监视设备的状态
状态信号：每一格栅有“动转/停止”、“故障”、“自动/手动”信号；螺旋输送机有“动转/停止”、“故障”、“自动/手动”信号。
模拟信号：液位信号进入PLC并在计算机上显示纪录报警。
故障报警：每一格栅、螺旋输送机有“故障”报警。
二：初沉池污泥泵房控制站（PLC2）
1.曝气沉砂池
A控制模式
沉砂池的鼓风机、搅拌机、砂水分离机自成系统，由所带控制箱控制。
可由现场控制箱手动起停，也可由PLC控制开停。
能够实现设备按预定程序自动运行和各个设备之间的有机协调配合实现设备间的联锁功能。
砂泵将根据定时的控制方式来启/停，并根据时间优先的原则循环起动泵，每台泵的起动次数和总的运行小时数进行累计并排出维修计划，使每台泵的运转时间大致相等。砂水分离器与砂泵联锁。对旋转浆大致转速进行调整，可以有效地去除0.1mm以下的砂粒。
B监视设备的状态
状态信号：每一套设备的搅拌器、砂水分离机有“动转/停止”，“故障”、“自动/手动”信号。
故障报警：每一套设备的搅拌器、砂水分离机有“故障”报警。
三：污泥脱水机房控制站（PLC3）
1：脱水机
A控制模式
污泥脱水机及其辅机由污泥脱水机控制箱控制，当污泥脱水机工作时，其污泥泵、加药装置、投配泵等联动运行。
优先控制：当污泥浓缩池浓度计的浓度达到工艺设定值后，脱水机发出工作指令。
污泥脱水机在自动状态下，且它的辅助设备没有故障，则污泥脱水机自动按顺序启动所带设备。
B监视设备的状态
状态信号：污泥脱水机、污泥泵、加药装置、投配泵等的“自动/手动”、“运行/停止”、“综合故障”信号。
模拟信号：流量计的4―20mA信号入PLC。
故障报警：污泥脱水机、污泥泵、加药装置、投配泵有“综合故障”报警。
2：加药系统
加氯间加氯机的控制根据二沉池出水流量，采用流量比例控制，即根据流量信号按比例自动控制加氯量。
加氯后水进入接触池。接触池设有一套液位计，两套电动阀门（进水、出水），由操作人员在上位计算机控制。
加药采用如下控制方案：控制根据流量测量值、源水浊度进行前馈控制，也可增加根据反应水浊度值进行控制的反馈控制，共同组成复合环控制方案；两组药液池互备，自控系统可实现溶液池的自动切换，确保药液的连续供给；根据流量测量值和浊度信号，调节加药泵加药量。
四：鼓风机房控制站（PLC4）
1：鼓风机
A控制模式
鼓风机可由现场控制箱手动起停，也可由PLC控制开停。
能够实现设备按预定程序自动运行和各个设备之间的有机协调配合实现设备间的联锁功能。
B监视设备的状态
状态信号：每一套设备的 “动转/停止”，“故障”、“自动/手动”信号。前后轴温报警，电流信号均传输至上位系统。
故障报警：每一套设备有“故障”报警。
五：二次沉淀池控制站（PLC5）
A控制模式
二次沉淀池刮吸泥机连续运行，由现场电气控制箱手动起停，或由PLC控制。
B监视设备的状态
状态信号：刮吸泥机的“手动/自动”、“运行”、“故障””漏水报警”信号。
污泥泵房
A控制模式
回流污泥泵的开停及运行时间由PLC根据生物池中检测的混合液浓度反馈及进水流量控制，当浓度低于工艺要求值时开泵，反之停泵或降低转速。
B监视设备的状态
状态信号：剩余污泥泵和回流污泥泵及相关阀门的“自动/手动”、“运行/停止”、“故障””漏水报警”。
模拟信号：超声波液位计、剩余污泥电磁流量计、回流污泥电磁流量计、出水流量计的4―20mA标准信号和脉冲信号入PLC。
六：纤维转盘滤池控制站（PLC6）
1 潜水轴流泵深井泵及电动阀门
A控制模式
潜水轴流泵，深井泵及电动阀门的开停及运行时间由就地控制箱控制及PLC上位机手动及程序自动控制。
B监视设备的状态
状态信号：潜水轴流泵，深井泵及电动阀门的“自动/手动”、“运行/停止”、“故障””漏水报警”。
模拟信号：液位计的4―20mA标准信号和脉冲信号入PLC。
关键词：PLC；自动化控制；污水处理
中图分类号：U664 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）20-0052-02
当前，自动化技术已经应用到各个行业中，污水处理系统对自动化技术的应用也在逐步的提高。随着人们的生活水平的不断提高和进步，人们的用水量也在不断的增加，随之而来的污水排放量也在急剧的增加，加快了水体富营养化的进程，水资源的短缺显得更加的突出。为了减少污水对环境造成的污染，为人们提供更多的水资源，在城市建立了大量的污水处理厂，局部完全统计，截止到2012年，全国设计污水处理能力达到了1.85亿立方米/天，污水的处理能力将会大大的增强，为减少污水对环境的污染做出了贡献。但是，随着污水处理厂的建成，在长期的污水处理过程中产生了巨大的费用，在污水处理过程中由于水质的变化和进水速度的快慢不同，造成了在污水处理过程中要不断地调整相关的数据。PLC自动化系统的使用能有效地控制出水水质的变化，提高出水水质的稳定性，能节约在污水处理过程中的运行费用，从而实现低耗、高效、稳定运行的目的。
1 国内外的发展现状
发达国家污水处理厂已经大量地使用了自动化控制系统，能够很好地实现在污水处理过程中的自动控制和数据的记录。个别地区已经实现了污水处理厂的全自动控制，在污水处理过程中执行无人值守的运行方式。如美国爱阿华污水处理，运用微机自动控制投加药剂，应用直接数字式计算机控制自动加钒，运转一年就降低钒消耗20%，并且提高了管理水平和稳定了水质。除此之外，美国加利福尼亚污水处理厂和日本的东京国立污水处理厂也先后采用了计算机自动控制技术，运行效果也比较理想，目前，国内外的绝大多数污水处理厂都在不同程度上使用了自动化控制系统，通过计算机的控制实现沉淀、过滤、药剂的投放和臭氧的处理等多个环节的多环路的控制。中央控制计算机可以从各个环节的计算机中收集大量的运行数据，通过对数据的分析和汇总，显示污水处理厂的图标和运行曲线，控制设备的运行信息，能对出现的异常情况及时进行预警和报警处理，当出现运行故障时，可以对其中的故障设备进行及时的检查和维修，提高污水处理厂的高效
运行。
2 自动化控制系统的概述
污水处理厂的自动化控制系统可分为两种情况：一种是使用数据监控采集系统，另一种是全自动的控制系统（即所谓的无人值守模式）。数据监控采集烯烃主要是通过数据采集终端对生产过程中的运行参数实时监控，能及时地发现在污水处理过程中出现的数据波动，相对来说投入的费用较少，具有的功能比较简单。全自动控制系统是当前污水处理过程中最先进的技术，其通过数据的采集对污水处理实现自动控制，能提高污水的处理质量和设备的稳定运行。污水处理厂的自动化控制系统可分为PLC可编程序控制系统、集散控制系统和现场总线控制系统三种
类型。
PLC是通过数字的运算进行设备控制的一种自动化装置，它使用可编程系统内部的储存程序，通过数字的输出执行运算，顺序控制、计时、定时等相关的指令，主要是通过模拟量和数字量的输入和输出来控制污水处理设备的运行。PLC可编程序控制系统具有较强的控制能力、简单的编程、可靠的运行、较强的抗干扰能力、有各种接口、方便设备的连接、单独的模块型结构、维修和使用方便、能实现在线维修等多种特点，在污水处理厂广泛得到使用。集散控制系统使用模块化、标准化和系列化的设计，其主要由生产过程数据采集、过程控制管理、生产管理三个级别组成的集中显示操作管理的一种手段，相关的配置比较灵活、控制比较分散的一种局域网的控制系统。其具有独立分散控制、自主性、协调性、集中性，通过共享的网络信息，能很好地协调各个工作点的工作状况，有很好的灵活性、适应性和可靠性的特点。现场总线控制系统是将现场的仪表、设备与通信网络与控制系统进行连接。其具有数据的实时采集、设备的相互连接、分散功能块、开放式总线协议等特点。
3 自动化控制系统的应用
自动化控制系统在污水处理厂内有比较强大的功能，在降低职工劳动强度的同时提高了污水的处理质量，稳定了系统的良好运行，PLC自动化控制系统在污水处理过程中具有数据的采集和管理、实时监控、管理、预警、连锁保护、自动生成报表等诸多功能，能满足在污水处理运行过程中的需要。
（1）在污水处理过程中根据控制的级别不同可以采用自动控制和手动控制两种方式，在正常的运行情况下一般选择自动方式进行控制，这样能提高设备运行的稳定性。当系统出现预警和故障时可以进行人工干扰，进行人工控制操作来保证设备的正常运行。
（2）通过对运行设备的数据采集可以实现在线监视功能，在中控室能从电脑界面上能详细准确地显示现场的智能仪表测量的数据、设备的运行状态和通过数据采集分析管理后部分工艺参数的变化，使操作人员能及时准确地掌握污水吃力过程中的参数和设备的运行状况。操作人员能根据电脑界面显示的数据变化情况，通过计算机控制系统来改变运行参数及设备的运行状况。
（3）在中控室内还可以根据参数的变化、设备的运行、阀位的开度和各种报警信号对污水处理过程实施动态的管理。通过PLC的数据采集能真正实现数据的全监控，通过对历史记录的对比和分析，能对异常的数据进行分析，查找产生异常数的原因，根据产生的原因对生产过程的运行参数进行相应的调整。
（4）通过PLC自动化控制系统能对运行的数据进行及时的采集，对采集的数据能形成很好的保存，只要能及时对保存的历史数据进行及时的备份就能实现历史运行数据的全采集，便于生产运行数据库的管理和数据的分析。
（5）当设备在运行过程中出现故障时，通过自动化程序的设置就能在中控室出现预警提示，以便操作人员能及时地发现污水处理过程中出现的故障，通过报警画面及时提醒操作人员进行相应的处理，经过和历史曲线相对比和数据分析处理完毕后，进行复位处理即能正常的工作。
（6）通过采集的数据在后台进行函数计算能对当前的运行状况进行趋势分析，提示各个设备的运行趋势，以便操作人员能根据运行趋势及时采取相关的措施进行处理。
（7）通过PLC自动化设置还能实现不同级别设备的连锁保护功能，避免一个设备的出现问题造成其他设备的损坏，提高设备的保护能力。
4 水处理自动控制的发展方向
当前，污水处理技术有两个不同的发展方向：一种是深入地研究自动化控制理论和方法，另一种是通过不同的方法进行良好的结合，使其各自发挥各自的功能，获得比较好的控制效果。污水处理控制水平的提高，主要表现在：依赖于控制技术的发展，加强自动控制在实际污水处理过程中的应用，面对污水处理中新的技术需求需要用新的方案进行解决，因此，对污水处理自动控制也相应地提出了更高的要求；依赖于对污水生物处理模型的深入研究，尤其是对污水处理微观机理模型的深入研究、开发或应用新的数学模型，解决污水处理中的复杂问题；对污水处理新的技术市场需求进行研究，并通过数学建模与仿真，将各种智能控制相结合，提出新的控制策略。
5 结语
总之，PLC自动化技术在污水处理厂的应用加快了污水处理的发展速度，提高了污水的处理质量，稳定了设备的运行，自动化技术已经成为污水处理过程中不可缺少的手段。
参考文献
[1] 郭明贤.自动化技术在污水处理过程中的应用[J].市政建设，2012.
污水处理厂的自动控制系统保证了污水出水达标排放。在控制过程中，控制对象有模拟量也有数字量，有开环控制也有闭环控制，模拟量控制对象是pH值、溶解氧、COD5、BOD5、氨氮等，开关量控制对象是格栅、提升泵、搅拌机、鼓风机等。根据工艺要求，在控制过程严格控制各个机电设备和仪表数据，格栅通过液位差和时间控制，提升泵通过时间和液位控制，鼓风机通过溶解氧控制。污水处理厂的自动控制系统能够实现多个功能。它能自动控制设备的启停和显示设备的运行状态；它能显示工艺流程中所需的参数和仪表数据；它能对设备中的各个状态进行保护；它能显示和查询参数数据的趋势图；它能及时报警故障信息；它能显示和查询系统中的水量、消耗物等计量信息；它能自动生成并打印生产报表。
2污水处理厂自动控制系统的总体设计
2.1自动控制系统的设计原则
污水处理厂的自动控制系统的设计原则主要包括可靠性、先进性、实用性、集成性和可扩展性。首先，要保证系统运行的可靠性，它是最关键，它包括软件和硬件的配置质量、要有长的平均故障间隔时间、关键的部件要有备用，这样才能保证整个系统的正常运行。其次，要保证系统的先进性，包括硬件设备如主控设备的先进性和软件部分如监控部分的先进性，尽量实现生产现场无人值班，中央控制室值班的人员要尽量的少。三，要保证系统的实用性，主要是能够满足用户的需要，并能保证设计的尽量减少各种不必要的环节，保证系统在正常运行状态和不正常运行状态下都能得到很好的控制。第四，要保证系统的集成性，提高系统的效率和总体性能。第五，要保证系统的可扩展性，这样为以后控制系统的发展提供一定的扩展空间。
2.2自动控制系统的组成
系统主要由中央控制站、现场控制站和网络系统组成，完成污水处理厂设备运行状态监控、仪表监测、故障报警以及数据处理等工作。当下位某个分站设备故障时，其余分站不受影响；当上位设备故障时，下位各控制设备仍可继续工作而不影响整个工艺过程控制，达到使控制危险分散，提高系统可靠性的目的。
2.3自动控制系统的软件配置
自动控制系统需要有先进的软件配置，这样才能保证其运行的质量。它包括上位机组态软件、PLC编程软件、数据库、OPC软件。其中上位机组态软件用于组态设计中控室监控系统，PLC编程软件用于编写和下载PLC程序。
3自动控制系统的设计分析
3.1系统的总体描述
污水处理厂的自动控制系统在设计时以PLC控制站为核心，利用计算机和上位机组态软件建立中央控制系统，采用分布式控制，集中管理，资源共享，实现计算机、自动化控制、数据库、网络通信等技术的融合，保证在运行时更加的安全、可靠、经济、高效等。其中中央控制系统主要用于数据的监控，现场控制站主要用于设备的控制和数据的现场采集等，通过网络通信进行数据的采集、传输和控制。污水处理厂的自动控制系统分成三种控制模式，即自动控制、遥控控制和现场手动控制。这三种控制模式中有着不同的优先级，首先现场手动控制的优先级最高，其次是遥控控制，最低的是自动控制。根据污水处理厂各位置的工艺需求，选择最合适的控制方式来进行控制。
3.2现场控制站的设计分析
污水处理系统的现场控制站主要采用PLC作为控制来管理和监控相关的工艺设备和工艺参数，并将这些信息传送到中央控制室，并作相应的处理。在控制现场中的仪表、控制箱、开关柜等通过电缆线路相互连接，传输数据，并进行控制运算，然后再输出到相关的设备。现场控制站的信号通过光纤环网传送到中央控制室，而中央控制室也通过光纤环网控制现场控制站。
3.3中央监控系统的设计分析
中央控制室是一个局域网，包括工作站、服务器、打印机、投影仪等设备，通过以太网交换机连接，实现对污水处理厂的管理和控制。中控监控系统对污水处理厂中的各个工艺流程和工艺设备状态进行监测，对现场控制站的信息进行采集，对现场控制站的自动控制，实现了现场无人值班的功能和运行的安全性。
3.4网络通讯的设计分析
污水处理厂各设备之间的通讯都是通过网络来进行的，由于环境比较恶劣，网络通讯就需要保证其传输的质量，首先要保证传输的准确性和可靠性，建立完善的自动化控制系统，保证数据能够实时进行传输。在设计时要求其必须具有很强的容错性，响应速度要快，这样才能保证在很短的时间内建立新的网络通信线路。
4结语
[关键词]污水处理工程 自动控制系统 设计与实现
中图分类号：R123.3 文献标识码：R 文章编号：1009914X（2013）34041701
污水处理是指将污水中的污染物质分离并去除，使有害物质转化为稳定的无害物质，从而使水得到净化，使资源得以更加充分的被利用。随着我国城市建设与现代工业的发展，水污染与水短缺越来越严重，而传统的人工控制污水处理常常导致泵机组磨损严重，甚至污水外溢，严重影响正常生产与生态环境。对污水处理过程进行智能化控制，使机组始终处于最佳状态，保证正常生产，保护生态环境成为污水处理的迫切需求。
一、污水处理工序流程
以某污水处理厂为例。该污水处理厂工程设计污水处理量为30万吨/天，总变化系数1.3。工业废水约占55%，生活污水可占45%，采用A2/O工艺，工序流程如下图所示：
二、污水处理过程自动控制系统
采用PLC+PC监控方式，将仪表测控系统、电气控制系统、PLC系统相结合，三电合一。有一个中央控制室与4个PLC现场控制站，多个I/O分站，采用光纤、以太网交换机、Profibus-DP总线等连接，形成工业以太网系统。
该系统分为管理层、控制层与执行层，实现污水处理的数据采集、显示，过程控制、报警，历史记录，数据查询等功能。操作方式有就地控制、自动控制与集中手动三种。
1.中央控制室
中央控制室配置两台计算机操作员站与1台打印机，连接以太网系统。两台计算机操作员站组成双机热备，一台正常监控，一台备用。操作员站有以下功能：
1）显示系统设备的运行状态，存储并显示工序流程的相关参数及其运行趋势，以及历史记录与历史数据。
2）打印处理工艺流程控制的日报表、月报表、参数报表及报警记录。
3）实现控制室集中操作――屏幕上设有设备的选择、启动、停止等操作选项。
4）设有报警优先级管理，任何异常情况均在屏幕上显示。
5）进行编程、组态与修改，装有功能丰富的组态软件，可直观进行组态、编程、设定和管理网络系统。
两台计算机均可提供数据采集与处理，流程控制与报警及打印报表等功能。图形界面包括主画面与各工艺流程、报表、参数、报警等分画面。主画面包括所有厂房、设备与管道流向，以不同颜色、形状表示。分画面显示各工艺流程的具体参数及测量值。在线过程参数（SS、DO、MLSS、ORP、PH等）实时监测，COD、TN、TP、NH4-N等分析仪每2小时检测一次数据。
2.PLC控制站
近年来，国家对污水处理监控的要求更加严格，从监控进出口指标提高到全面监控，污水处理也不再是以开关量为主，而是增加了大量模拟量和数据通讯控制。PLC系统对这些模拟量和通讯数据进行实时采集分析，再传输到中控室管理系统。不仅实现了污水处理系统运行情况的实时监控，也为设备自动化运行提供重要条件。
在本工程的设计中，有4个PLC现场控制站，5个I/O分站，PLC现场控制站与I/O分站通过总线相连接。按照如下方式对现场控制站进行划分：
①.PLC1――进水泵房
在进水泵房自动控制过程当中，需要通过监控的方式完成对以下操作单元的自动控制工作：（1）进水井（包括进水泵房在内）；（2）细格栅、以及旋流沉淀池反应装置；（3）预曝气池以及水解酸化池反应单元；（4）进水仪表间。在该现场控制站当中配有3个I/O分站，1-1*I/O分站设于沉砂池，控制沉砂池上的设备（含仪表），1-2*I/O分站设于预曝气池，控制预曝气池与初沉池，1-3*I/O分站设水解酸化池，控制进水、进气阀门。
②.PLC2――鼓风机房配电间
在鼓风机房配电间的自动控制过程当中，需要通过监控的方式完成对以下操作单元的自动控制工作：（1）生化反应池；（2）鼓风机房；（3）污泥泵房；（4）二次沉淀池。该现场控制站设有PLC操作员终端，可监视并控制PLC运行与显示状态，并设有报警功能。PLC工作方式采用循环法，每个周期扫描一次输入端口，读取输入模拟量与数字量，存储到指定的存储单元。
③.PLC3――排海泵房
在排海泵房的自动控制过程当中，需要通过监控的方式完成对以下操作单元的自动控制工作：（1）排海泵房；（2）雨水泵房。
④.PLC4――脱水机房
在脱水机房的自动控制过程当中，需要通过监控的方式完成对以下操作单元的自动控制工作：（1）储泥池；（2）污泥浓缩池反应装置；（3）脱水机房。该现场控制站当中配有两个I/O分站，3-1*I/O分站设于污泥浓缩池，控制排泥系统，3-2*I/O分站设于脱水机房，控制离心机、加药系统等运行。
3.现场测量仪表
主要测量与分析仪表包括电磁流量计、超声波液位计、pH计、超声波液位差计、污泥浓度计、悬浮物浓度计、超声波泥位计、溶解氧分析仪、压力变送器、TOC分析仪、总磷分析仪、总氮分析仪、氨氮分析仪等。
所有信号均就近输入PLC控制站或分站，并及时传输至中控室计算机操作员站，由系统软件处理后显示到界面，参与系统控制。
4.传输网络
由于污水处理厂因传输距离受限及故障检修不便等因素，没有采用投资比较大的光纤环网系统，也未使用单纯Profibus-DP总线连接的网络系统，而是将两种方式相结合，在中央控制室与PLC控制站配备1台工业以太网交换机，交换机之间通过光纤连接成线性主干网，中央控制室工控机与PLC控制站通过RJ45口连接至以太网交换机，PLC控制站与分站通过Profibus-DP总线连接，共同组成工业以太网系统。该系统的特点主要包括：
1）以光纤为主干，能避免传输中的信号干扰，且光纤与工业交换机成本较低，因而既能满足数据传输需要，又能节省投资。
2）通过网络系统实现数据共享，不局限于根据工艺系统设置PLC，而是通过PLC控制站与I/O分站，测控点就近连接网络。极大的减少了管线的数量，只在局部采用电缆桥架与电缆沟，能显著减少施工量。
3）系统扩展性与开放性较高。通过交换机与总线能方面连接设备配套控制系统，更加适合中小型污水处理厂需求。可通过中控室连接外网进行远程控制。此外，网络权限设定也实现了系统的分级控制。
结语：
总而言之，在我国当前水资源矛盾加剧的情况下，采用自动控制系统提高污水处理效率与质量是迫切需求。本文所探讨的污水处理工程自动控制系统具有投资少、设计简单、控制效果好、易于维护的优点，尤其适合在中小型污水处理厂中推广使用。
参考文献
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[2] 吴兴波，李金凯.污水处理计算机监控系统设计与开发[J].设备管理与维修，2008（08）
[3] 罗向阳.基于PLC及WinCC的控制系统在化工污水处理中的应用[J].机械与电子，2010（S1）
关键词：PCS7 污水装置
0引言
炼油污水是炼油化工行业生产、运行过程中产生的不可直接利用的污染水，其污染的种类多、浓度高，对环境的危害大。炼油污水处理和回收利用一直都是石化领域的关键问题。在炼油过程中由炼油污水引起的环保问题已成为炼油厂向规模化发展的制约因素之一，因此炼油污水处理装置控制系统设计尤为重要[1]。
1 系统工艺介绍
炼油厂厂区内各工艺装置排出的含油污水进入集水池，由泵送至旋液分离罐进行初步油水分离。处理后的污水流入涡凹气浮系统，对含油污水作破乳处理，经涡凹气浮系统处理的出水确保水质达标后送至水厂作生化处理。不合格污水通过回流管线回流到污水调节池静置，等水质好转后进系统处理。系统处理过程中回收的污油集中在污油槽，然后用污油泵送至污油脱水罐脱水处理。系统处理过程中产生的油泥和浮渣集中在油泥槽和浮渣槽里，再用油泥泵及浮渣泵送至浮渣贮存池装车外运。工艺流程如图1所示。
2基于PCS7的控制系统设计
2.1基于PCS7控制系统的设计准则
1）项目创建时，PCS7自动在BLOCKS 中加入系统组织块OB1：循环处理组织块OB35：监视中断；OB80：故障响应；OB82：诊断中断；OB85：过程输入映像诊断；OB100：重新启动块OB121：同步错误响应；OB122：I/O访问错误诊断。这样在出现冗余或其它错误时能及时调用系统中断，而不会导致CPU停机。这项功能方便、实用，排除了很多编程时可能发生的问题，因为单独安装的STEP7中，是需要手动加入这些系统中断块的。
2）在工程的程序设计中，用的最多是CFC程序组态。CFC程序组态是一种图形式的组态，方便、直观，操作简便。PCS7将许多逻辑、运算功能形成了功能块，在进行程序组态时，如需用到某种逻辑、运算功能，就可在PCS7的功能块库中找到与之相应的功能块，将其直接拖放至CFC组态画面即可。CFC程序中的大多参数可以在线修改， 非常方便。
3）上位监控系统的控制菜单是通过Plant View建立，编译后自动生成，而不需要再动手一一建立；PCS7 拥有良好的用户界面及强大的系统功能块库，大大节省系统编程组态的时间和费用。该项目调试时，选择在线监控，很直观地看到程序运行情况，可随时修改程序再试，通过查看诊断缓冲区信息，很快判断出故障原因，使程序调试和寻找问题变得容易，提高了效率。本系统是一个冗余系统，当冗余丢失时，上位只报一个冗余丢失的错误，但这时我们把诊断缓冲区打开，同时将各个站的模块在线信息读出，则可以判断出是哪个站的冗余出了问题，可以非常明确的去目的地处理问题。这样充分享受到PCS7提供的完善的调试手段所带来的好处。
2.2控制器
设计时充分考虑系统的安全可靠性， 系统采用S7-414为主控制器构成的PCS7冗余控制方案，S7-414H 是一个容错（冗余）的PLC，可有效减少生产的停机危险，适用于需尽量避免故障停机时间的场合。容错性通过两个并行中央控制器实现，其CPU通过光纤连接，并通过冗余Profibus-DP总线对I/O进行控制。错误发生时，将会出现一个无扰动传输控制，热备单元将在中断处继续执行而不丢失任何信息[3]。
2.3电源设计
电源采用了冗余的SITOP 电源，保证了系统的兼容性和供电部分的安全可靠。
2.4 上位监控及上位与CPU 之间的工业以太网
上位监控采用1台操作员站，1台工程师站，每个站配备有Siemens的CP1613工业以太网卡，以实现上位机同CPU及其他现场设备之间的以太网通信。上位机的以太网口和CPU414H集成的以太网口通过MOXA交换机连接在一个网络上，完成数据的交换。
2.5 CPU 与现场站之间的通信
由于污水装置占地面积广，系统运用带冗余通讯接口模ET200M远程站。各ET-200M站是经PROFIBUS -DP总线串联起来的。PROFIBUS-DP总线采用屏蔽双绞线电缆，把现场的测量值，用数字通讯的方式送到控制器中。这样可以省掉大量的电缆和桥架与安装、调试工时，仅硬件线缆及接线就比传统的集中控制节省40%的费用。现场一次仪表检测的各种工艺参数经变送器送至支持热插拔导轨机架上安装的I/O模块。
3 污水装置控制系统的设计案例
3.1 操作界面
流程图在WINCC编辑画面下组态设计完成。该污水的工艺流程控制画面，并可随意切换：污水总图、污水进料图、涡凹气浮图、污油浮渣系统图、罐区图、超声脱水图、集中参数图、历史趋势图。
3.2 重要参数的显示和报警
完成对污水进料、涡凹气浮、污油浮渣系统、罐区、超声脱水等各部分的温度、压力、流量和液位等重要参数的显示和报警。系统共有近100 个的模拟量测点， 对这些测点的上下限报警使用传统的组态方法是很麻烦的，需要一个一个的来做画面，而在PCS7中，这些工作可以通过PCS7 中的block icon 批量实现，PCS7 能够将用户做的程序块和监控程序WINCC中的@PCS7TEPYICAL 画面中的图标映射在一起，用户只需做好程序块的接口，然后在@PCS7TEPYICAL画面中做一个图标，将图标中的对象属性定义为程序块中的变量即可。这样在PCS7 进行编译时，会在画面上自动生成块对应的图标。在该污水总图中，利用图标颜色标识模拟量的上下限报警。报警信息可按报警产生顺序在Alarm log 中查阅、打印。
3.3 历史趋势和报表
PCS7 中有便利的变量归档机制， 不需要一个一个的定义归档变量， 仅在编程时定义好变量的Archive 属性，这样在程序编译时，系统可以自动的将具有归档属性的变量进行记录，用户所需做的只是根据现场情况调整WINCC 中变量采集和归档的周期。如下图2所示为历史趋势图。
4、总结
本次控制系统采用完全无缝集成的自动化解决方案——西门子PCS 7系统，其结合了传统DCS和PLC 控制系统的优点。与常规的DCS和PLC相比，西门子PCS7突出的优点在于：系统完整且开放灵活，支持100MB ETHERNET TCP/IP、集成现场总线技术PROFIBUS，拥有全局关系数据库SYSBASE，具有较强的诊断功能，不仅提供系统诊断，而且提供智能设备诊断，组态软件丰富、使用方便，控制器采用多任务处理器，同时实现大量负载回路控制和快速逻辑控制。
选用SIMATIC PCS7 实现污水装置系统控制，达到设计控制要求，使污水处理控制过程安全可靠，并具有良好的可操作性。强大的通讯功能使各独立的生产单元设备协调统一，集中监控，故障查询方便，集成度高，扩展方便，达到了污水处理过程集中监测的目的。
参考文献
[1] 梁立伟.炼油污水处理厂运行过程中PH值的控制方案研究[J].石油化工安全环保技术，2010，26（2）：63-64.
关键词: PLC 污水处理 自动控制
Solution of Automation System Base on PLC in yuhang Waste Water Tr eating Company
Abstract : This paper mainly introduces the component and function of automation system used by Sewage Treatment Company and how to use PLC to achieve automation control on whole company, as well as the issues and their solutions which have been met in the process of implementing the system. And the usage of the automation system can also save money and increase the efficiency of sewage treatment.
Key words: PLC ； waste water treating ； automation control
中图分类号：U664.9+2文献标识码：A 文章编号：
近年来，污水处理厂已成为各个城市最重要的基础设施之一。尤其是中小城市，新建或扩建污水处理厂已成为当地政府改善人民生活水平的头等大事。而随着自动化技术、计算机技术的不断发展、完善，污水处理厂的自动化水平也相应提高。目前在污水处理行业中多采用PLC进行现场控制[1]，上位计算机进行运行工艺参数显示及设置的SCADA系统控制模式，本文以杭州余杭水务有限公司余杭污水处理厂为例进行系统组成、功能等介绍。
1 污水处理厂的污水处理工艺介绍
杭州余杭水务有限公司余杭污水处理厂污水处理量6万吨，厂区工艺有污水一级处理、污水深度处理及污泥脱水三大工艺。
污水一级处理由粗格栅、提升泵房、细格栅、旋流沉砂池、厌氧池、氧化沟、二沉池、污泥泵房组成。污水深度处理对经过一级处理后的污水进行深度处理，达到国家一级A排放标准。
深度处理由曝气生物滤池、活性砂滤池、消毒接触池组成。
污泥脱水是对污水中的污泥进行处理的工艺，由污泥泵房、贮泥池及污泥脱水机房组成。
2 基于PLC的自控系统
随着技术的创新和不断发展，污水处理厂的自控系统发挥了越来越重要的作用，管控一体化技术不断在污水处理厂实现和发展。光纤以太环网技术已经成为主流，具有速度快，扩展性好，兼容性好等优点，下图本厂自控系统结构图。
PLC采用施耐德公司的ModiconPremium系列PLC，在曝气生物滤池分站配有触摸屏，以方便操作人员的现场操作。中控室设有4台操作计算机，其中两台为全厂工艺控制计算机，相互备用；另外两台为曝气生物滤池控制计算机，也相互备用。中控室计算机操作系统为WindowsXP，监控软件选用itouch，调度中心后台数据库选用SQL Server2003，已完成对工艺运行状态参数的数据存储，并根据需要生成相应的报表。
3 监控功能
系统采用中控室集中控制、控制柜手动控制及现场手动控制三级控制方式。在现场为远程控制时，中控室可以集中控制，当现场为手动控制时，中控室只作为监测而不能控制。在中控室，由itouch二次开发成强大的生产监控控制系统，实现对各工艺生产过程的数据采集，并通过友好直观的画面显示出来。主要可实现
（1）画面动态显示现场设备的运行状态，各工艺的运行参数。
（2）各工艺参数历史趋势的显示。
（3）实时报警显示，历史报警查询。
（4）各种报表的生成及打印。
（5）各控制参数的设置。
（6）各设备的自动，中控启/停操作。
4 控制实现
4.1 PLC1中控室分站
中控室分站主要负责控制活性砂滤池，回用水泵，出水仪表间，标准排放口控制及数据传输。活性砂滤池有4台搅拌机，6组滤池，3台空气压缩机及空气干燥机。4台搅拌机根据进水量通过频率调节控制搅拌强度，滤池通过控制气管电磁阀控制滤池的开停。通过控制储气罐压力合理安排3台空气压缩机的自动开停，使储气罐压力在标准范围之内。标准排放口前安装2台回用水泵，一台变频一台工频。变频根据工艺要求设定为压力控制方式[2]。通过PID调节提升回用水管中的压力，使管道压力在设定的要求。出水仪表间数据通过PLC1上传数据，可以在监控计算机监测到出水水质。
4.2 PLC2进水泵房分站
进水泵房分站主要负责控制粗、细格栅，进水提升泵，旋流沉砂设备的控制。
4.21粗、细格栅控制
通过对粗、细格栅的控制实现污水杂物的捞取。为保证格栅在不被阻塞的前提下尽量减少耗电量必须根据工艺要求尽量减少格栅的运行时间。因此，可根据格栅前后的液位差，判断格栅的阻塞情况对格栅进行启停操作。还可根据设定的间隔时间及运行时间对格栅进行控制。通过人机界面可对格栅运行方式(时间、液位差)及运行液位、停止液位、运行时间、间隔时间等工艺参数进行设定。
4.22提升泵的控制
污水厂提升泵房内共有4台提升泵、2台变频泵(一用一备)、2台工频泵。变频泵可根据工艺要求设定为液位控制方式和流量控制方式[2]。在流量控制方式下，通过PID调节提升泵出口流量，使出口流量在设定流量范围内。在液位控制方式下，由于提升泵房蓄水量很大，当进行液位调整时，势必出现液位响应缓慢，从而引发变频泵频率的振荡。在这种情况下，传统的PID调节方式将无法进行控制。考虑到实际情况及对工艺的理解，编制程序使变频泵频率变化不仅依赖于实际液位与设定液位的差值，而且将液位的变化率也作为一项控制依据。根据工艺实际情况修改设定液位差及相应的设定变化率后，液位在整个调节过程中没有出现大的振荡，运行良好。在自动方式下，当变频泵频率超过设定高限时应该启动一台软启动泵，同时将变频泵频率降到初始值，以保证液位或流量不会出现振荡。反之，当变频泵频率低于设定低限时停止一台软启动泵，同时将变频泵频率升高到初始值。
4.23旋流沉砂控制
旋流沉砂系统主要是根据时间进行控制，鼓风机、洗砂阀、提砂阀、砂水分离器根据工艺设定的间隔时间及运行时间自动启停。
4.3 PLC3，PLC4氧化沟分站
关键词：污水处理厂；曝气过程控制；控制性能评价；应用
良好的污水处理工艺自动控制系统，既能保障污水处理厂设备连续稳定运行，又可实现节能降耗在工艺升级改造中得到关注和应用。由于我国城市污水处理厂活性污泥法曝气供氧能耗占全厂总能耗的60%以上，因此，如何控制好曝气过程，确保污水处理厂的稳定运行和节能降耗具有重要的意义。
1 污水处理厂概况
某污水处理厂，采用二级生化处理加深度处理工艺，处理能力为10万m d，采用改良型同步脱氮除磷工艺，每组包括预缺氧区、厌氧区、缺氧区和好氧区。其中好氧区为接近完全混合状态的氧化沟型，由5根空气干管和阀门控制5个曝气区域。该污水处理厂出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》9（GB 18918―2002）一级A排放标准。
2 曝气系统控制性能评价方法
2.1在线数据来源
从中央控制系统的数据库中以5min为间隔，选取溶解氧浓度、气体流量等实时动态数据；由污水处理厂提供工艺运行数据和出水水质数据。实时动态数据采用统计分析方法，通过计算平均值和相对标准偏差等指标，反映曝气控制系统的性能和运行状况。
2.2 性能评价指标
曝气系统的性能评价指标应满足数据易获取、计算简单、可横向比较等要求。本文从溶解氧控制效果、能耗水平和工作效率3个方面衡量曝气系统的性能。
2.2.1溶解氧控制效果
溶解氧控制效果指标包括均值偏差和相对标准偏差。均值偏差指溶解氧仪实际读数的平均值偏离溶解氧设定值的大小，反映控制系统的准确度；相对标准偏差指溶解氧仪读数标准偏差与实际读数平均值的比值，反映控制系统的精确度。计算公式如下：
3 结果和讨论
3.1出水水质影响
曝气控制过程主要影响生化系统COD和氨氮的去除。由于COD的利用途径多，且去除COD的异养菌在活性污泥中浓度与活性较高，所以一般情况下，可溶性COD比氨氮更早降解完全。因此，本文主要讨论曝气控制对出水氨氮的影响。
3.2溶解氧控制效果
根据实施曝气过程控制系统前后半个月的溶解氧变化情况，数据来源于好氧池在线溶解氧仪表（HACH，0～20 mg L），5min 间隔的在线数据。可以看出，在控制以前，溶解氧波动范围比较大，在0.5～6mg L变动；实施控制系统以后溶解氧被控制在一个更稳定的范围，在0.5～2.5mg L变动.因此，曝气过程控制系统可以达到溶解氧稳定控制的目标，避免了溶解氧波动造成活性污泥微生物生存条件的剧烈变化。
3.3能耗水平
3.3.1气水比
根据实施曝气过程控制前后，气水比的变化情况，计算数据分别来源于气体流量计（E+H，0～3000m h）和超声波流量计（E+H，0.75m s）。可以看出，曝气系统将溶解氧控制在1.0～1.5mg L后，气水比为1～2平均值为1.34±0.17，低于控制前的气水比1.61±0.22和A O 工艺的常见值3～4。这说明通过控制曝气，达到了降低污水处理曝气强度、节约气量的效果。
3.3.2曝气单耗
实施曝气控制后，鼓风机曝气单耗在0.07～0.17KW・h m内变化平均，值为（0.096±0.021）KW・h m，低于控制前的曝气单耗（0.120±0.029）KW・h m，也低于A O工艺的常见值0.267KW・h m。这说明通过曝气过程控制，能够在工艺优化的基础上进一步降低曝气能耗。
曝气单耗直观表达了处理单位体积污水的能量消耗，是衡量曝气过程控制的定量指标。曝气单耗的影响因素包括进水污染物浓度、曝气设备的充氧性能、总风机效率等。进水污染物浓度越高，需氧量越大；曝气设备的充氧性能越低，需要风机提供的风量也越大，曝气单耗也就升高。同时，风机的运行效率也是影响曝气单耗的关键因素，总风机效率越低，损失的能量越多，曝气单耗就越高。
4 影响工程实施效果的因素分析
通过该污水处理厂实际运行曝气控制系统的情况来看，影响系统性能的主要因素包括风机选型、阀门性能、进水负荷和在线仪表的质量等。
4.1风机选型
鼓风机是整个曝气控制系统的核心设备，若鼓风机选型不合理，风机风量与曝气强度不匹配，将导致实际工况与最优工作点之间差距较大，造成能耗浪费。
4.2阀门性能
阀门的性能决定了曝气系统PID副回路的控制质量。常用的工业阀门都具有良好的理想特性曲线，但在实际工作中，由于管道阻力和水深压力的存在，工作曲线往往发生畸变。
该污水处理厂10根空气干管阀门就发生了不同程度的畸变，其中有四个阀门最严重。实际工作曲线已进入阻塞流状态，开度在低于10%和高于50%时基本不能改变流量，导致阀门可调节区间变小，曝气控制效果减弱。因此，良好的阀门控制性能是曝气控制系统正常运行的保证。
4.3进水负荷
进水负荷的快速和大幅度变化会影响曝气过程控制的效果。 由于泵的启停是离散变化，造成的进水冲击负荷会让生化处理的需气量迅速升高，鼓风机加大供气量，但溶解氧反应具有一定的延迟性，因此容易出现溶解氧的超调现象。因此，需要增开1台泵后，控制系统调节气体流量逐渐升高，但溶解氧仍出现较大幅度震荡。
4.4在线仪表
曝气控制系统的正常运行依赖于在线仪表（如解氧仪、水质仪表等）的准确可靠读数，因此在线仪的质量和日常维护工作会影响到控制系统的性能现。针对污水处理的特性，应该选择响应快、测量准确、抗污染能力强的仪表，如选用新型的LDO溶解氧仪。同时还应加强定期维护，包括每天巡视、每月清洗探头、每季度标定仪表等，保证在线仪表正常工作。
5 结论
综上所述，本文阐述了曝气控制系统在实际污水处理厂应用的效果，从某污水处理厂运行效果可见，控制系统能够实现溶解氧浓度的稳定控制，保障出水稳定达标，降低曝气单元的能耗。同时，对于污水处理厂优化曝气控制系统的设计和运行具有借鉴意义。
参考文献
Abstract: This paper introduces the Siemens Industrial Ethernet in the sewage treatment control system. The use of Industrial Ethernet realizes centralized control of the entire system of sewage treatment plant field devices, monitoring and data acquisition, saves running cost, and achieve enterprise integrated automation management.
关键词：工业以太网；网络配置；硬件系统；污水处理
Keywords: Industrial Ethernet; network configuration; hardware system; sewage treatment
中图分类号：TN711 文献标识码：A 文章编号：
水是人类生存、生活的重要物质。随着工业不断发展与人口不断增加，造成水资源的污染和短缺。近年来，工业以太网在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息集成中广泛应用，可以极大的提高地域跨度大、设备部署相对分散的污水处理行业的经济效益，进而提升其社会效益。
1、污水处理工艺
城市污水处理系统由格栅、沉砂池、初沉池、二沉池、曝气池、污泥浓缩池、污泥消化池、消毒间等组成。首先采用物理法对污水进行1级处理，去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质。1级处理主要包括粗格栅、细格栅、沉砂池。1级处理完成后进入2级处理过程。该过程一般采用生物处理法，利用活性污泥法或生物膜法使污水中的有机物被微生物吸收或分解氧化为无机物，污水得到进一步净化。2级处理主要包括生物滤池、曝气池和二沉池。二沉池的出水经过消毒排放进入3级处理，常用的工艺有混凝沉淀和过滤。污泥处理主要包括浓缩、消化、脱水、堆肥或卫生填埋。
2、基于工业以太网的污水处理控制系统的设计要遵循以下两条设计原则：
①与污水处理工艺紧密结合起来，满足该污水处理厂运行管理和安全监控的需求，提高运行效率，降低运行成本。对污水处理厂的各系统工艺流程的现场设备运行状况、故障报警等信息能够实时监控。②控制系统的设计备有适当的余量，便于系统的维护和升级，有利于污水处理新工艺、新设备的顺利应用。控制系统为主系统与子系统相互结合，便于调试和维护。
3、控制系统的结构设计
本文所涉及的工业控制系统，现场设备数量众多、部署地域分散、使用工况复杂，各工艺单元的功能相对独立。针对这种现状，采用中控室控制模式来建立自动化工业控制系统。中控室对全厂的工艺流程信息进行监控，并发出控制命令，利用现场的控制单元，分散地控制现场设备，使各工艺单元独立的、安全的、自动的运行。
设计需要考虑系统的建设成本以及网络的兼容性和可扩展性等因素，所以采用工业以太网作为过程监控层的通信方式。而在现场设备层，则根据现场设备的实际情况，采用各种接入方式将现场设备接入工业以太网，利用工业交换机和分布式I/O端口实现与现场设备间通信。该设计可以实现上位机、PLC和工业以太网所组成的分布式工业监控系统。
4、控制系统网络配置
污水处理厂监控层网络主要用于过程监控、优化、调度等方面信息的传输。其信息传输的特点是具有一定的周期性和实时性，数据吞吐量较大。因此，要求网络具有较大的带宽。现场设备层网络处于工厂综合自动化系统的最底层，用于连接工业现场变送器、执行机构、远程I／O、数据采集器等现场设备。本系统采用以太网和现场总线混合型结构。现场层采取现场总线控制，管理层、监控层、现场层之间通过工业以太网相联。现场层的通讯采用PROFIBUS-DP主／从协议，使用屏蔽双绞线作为传输介质，不同的子网和不同介质之间通过耦合器或接口模块连接。其他层使用以太网协议，通过通讯处理模块进行通讯协议的转换。因此，本系统中PLC既是现场总线中的一个站，又是以太网上的一个站点。控制系统网络配置简图，见图1。
图1控制系统网络配置简图
4.1现场总线配置
以PLC作为主动站，控制电机的变频器以及工艺中应用的智能传感器和远程I／O设备作为从动站。本系统所选用西门子S7-300系列PLC，型号为CPU315-2DP。其CPU本身集成了PROFIBUS-DP总线的端口，可直接接入现场总线网络。
污水处理系统中控制电机的变频器及测量设备，如DO仪、温度计、pH计、液位计等在接入PROFIBUS网络时，除智能型可直接接入外，其他需接入远程I／O后再通过ET200接入网络，利用STEP 7软件对硬件进行组态。
4.2工业以太网配置
西门子S7-300系列PLC接入以太网时，配置了CP343-1通讯模块，它具有独立处理经过工业以太网的数据业务。通过配置统一的网络地址，利用交换机实现工业以太网的接入。
4.3数据采集和控制模块
采用西门子的S7-300系列输入输出模块。
(1)数字量输入（Digital Input，DI)模块
将现场设备传输过来的数字信号电平转换成PLC内部信号电平。现场的控制柜设计考虑到交、直流不能混用的情况，所有的数字量输入模块都采用西门子SM321的16点直流输入。
(2)数字量输出（Digital Output，DO)模块
将PLC内部信号电平转换为控制现场设备开启或停止的外部信号电平。可以作为小型带载继电器，直接驱动接触器、指示灯及小型电动机等。根据现场的实际情况，釆用西门子SM322的16点继电器直流输出模块。
(3)模拟量输入（Analogy Input, AI)模块
模拟量传感器测得的物理信号，经过变送器转变为电信号传入PLC的模拟输入端口。这些物理信号一般包括：温度、液位、流量、压力等。通过A/D转换部件，将其转换为PLC内部可以使用的数据，为系统控制提供方便。依据现场的实际情况，采用西门子SM331 (16X12bit，16路12位）模拟量输入模块。
4.4通信模块
在西门子S7-300系列所釆用的工业以太网模块为CP 343-1通信处理器。通过它可以将P L C接入工业以太网。交换机在元器件的选用中采用了工业级，与商业级的交换机相比，它具有良好的抗干扰性，具有防潮、防雷、防静电、防干扰、防震、防尘等功能，防护等级高。因此，在恶劣环境下具有商业级芯片或元器件所不具备的高可靠性。
结语：在污水处理控制系统中采用西门子工业以太网控制系统，既可以简化各种现场总线间的连接，又可以少使用相关的网关设备连接现场总线和管理层以太网，对办公自动化网络访问工业自动化网络的提供了新途径。
参考文献
[1] 曾云.工业以太网的系统设计与应用研究[D]. 武汉大学 2005
关键词：污水处理；自动化控制系统；工业以太网
中图分类号：C931.9 文献标识码：A文章编号：
引言
污水处理是一个非常复杂的系统，整个过程的可变因素很多，如：水量、浓度、温度、机械设备运行情况等，因此需要一种高级的控制系统，使之能对生产过程出现的各种数据给予采集、计算，得出运行状态是否正常的结论，并能给操作人员以有益的提示。而自动化控制技术、计算机技术、工业自动化组态软件等相关技术的快速发展使污水处理系统实现真正的自动化成为可能。
本文浅析PLC组成的控制系统，对粗格栅、污水提升泵房、细格栅渠、曝气沉砂池、生物除臭装置、改良型 A2/O生化池、消毒池、二沉池及配水井、储泥池、脱水机房等各处理工艺段的参数进行采集、处理，对现场设备进行实时操作，并根据污水处理工艺要求对生化池反应进行控制，实现全过程的自动控制。
1 目前污水处理存在的不足
随着现代科学技术的发展，城市污水处理也经历了迅速发展的过程，总的来看，城市污水处理还存在一些不足：
（1）城市污水处理厂决策时，缺乏准确、及时的原始数据和情况分析；
（2）城市污水处理厂管理中的信息冗余、准确性差、不畅通；
（3）城市污水处理厂计划能力差，生产不均衡，影响出水水质和能源的合理利用。
2 污水处理厂自动化控制系统的实际应用
2.1 设计原则
（1）自动化控制系统应综合考虑生产、管理、安全、经济等诸多因数，各工艺生产过程和相关设备均应纳入自动化控制系统网络，使系统达到技术先进、性能可靠、价格合理。“集中监控和管理、分散控制、数据共享”以保证整个污水处理厂运行协调一致。
（2）满足污水处理厂生产管理、污水处理工艺对自动化控制的要求，保证自动化控制系统在配置上的完整性和适应性。集成化原则，应选择高效集成的设备，便于控制、管理和维护。模块化原则，应在软、硬件上都采用商业化、通用化、模块化结构的设备，使系统具有较强的扩展能力。
（3）硬件配置应符合国际工业标准，可靠性高、适应能力强、扩展灵活、操作维护简便。配置具有开放性结构、良好的人机界面、完整的系统平台软件；管理软件、监控软件、现场控制软件的编制从方便管理、控制最优的角度进行。
2.2 控制系统结构
本控制系统按参与生产程度级别划分为：管理级、控制级、现场级三个级别。
（1）管理级—中央控制室
中央控制室负责监控全厂水处理过程中各工艺参数变化、设备工作状态及运行管理。由于污水处理是一个连续的生产过程，一旦发生故障会对生产造成严重的影响，因此，在中央控制室配置二台工业用计算机，互为热备工作状态，确保数据的完整、准确。工程师站可对整个组态系统进行开发、调试、控制、参数修改以及采集数据、监控等。操作员站可通过各种画面监视全厂工艺参数变化情况、各设备的运行情况及故障发生情况等。
（2）控制级—现场控制站
现场控制站采用可编程控制器（PLC），它的主要功能是进行开关逻辑运算，对现场设备进行顺序控制、逻辑控制，接收由现场设备送来的信号，对采集的模拟量进行运算，并与上位机或同级的控制站进行信息数据的交换，从而实现对整个生产过程的自动控制。
（3）现场级—现场控制箱及仪表
现场设备一般位于被控生产过程的附近，主要包括各类传感器、变送器和执行设备以及就地控制箱等。其中，传感器和变送器采集现场数据，并将所采集的物理量转换成标准的电信号送往各现场控制站PLC。PLC将控制信号送给执行器，从而实现对现场设备的启停、开关控制。污水处理厂主要用到的仪表有：电磁流量计、超声波液位计、溶解氧测定仪、压力变送器、浊度仪等。
2.3 控制方式
污水处理厂自动控制方式有三种：就地手动控制、远程手动控制、远程自动控制，其控制级别按此顺序由高到低排列。
其中，就地手动控制的优先级别最高，当现场控制箱上的状态选择开关打到“就地”档时，由现场操作人员手动控制设备运行，上位机只能监视设备的运行情况而不能对设备进行操作；当状态选择开关打到“远程”档时，由PLC控制站或上位机的信号控制设备运行。远程控制又包括手动控制和自动控制。当现场控制箱上的状态选择开关打到“远程”档时，远程控制起作用。当设备处于“远程手动”时，操作人员可通过中央监控室的监控画面对现场设备进行启停、开关控制。远程手动控制一般用于测试单个设备的工作是否正常、测试通信网络的畅通与否、并辅助“自动控制”在自动控制出现故障时及时调节设备运行。当设备处于“远程自动”时，整个系统无需工作人员的参与，设备的运行完全由各现场控制站的PLC根据污水处理厂的实际工况及生产要求进行控制。
3 现场控制站监控范围和主要功能
3.1预处理系统控制站（LCU1）
LCU1站主要负责对污水预处理阶段即粗格栅间、污水提升泵房、细格栅、曝气沉砂池、生物除臭装置、进水参数等处的数据采集及设备监控。
本子站实现以下主要功能:根据粗格栅前后液位差或时间周期控制格栅机的启停，无轴螺旋输送机与格栅机连锁运行；根据液位控制潜污泵的启停台数，按照运行时间，先开先停某台水泵；根据液位差或时间周期控制细格栅机的启停，无轴螺旋输送机与细格栅机的联动；实现砂水分离器与排砂泵控制和联动运行；各个设备状态信号采集；各个生化参数采集；实现对鼓风总风量的监测。
3.2 1#变配电室控制站（LCU2）
LCU2 站监控范围为：1#鼓风机房、改良型A2/O 生化池、污泥泵房、消毒接触池、二沉池、二沉池配水井、中水处理装置、流量计井、1#变配电室范围内的设备、仪表以及出厂水质参数的检测。
本子站实现以下主要功能：对整个污水处理厂高、低压供电系统进行监视和报警;根据好氧池上的DO仪检测值，通过控制进气调节阀，实现对好氧区域DO的调节，达到最佳处理效果；DO的设定值可人工任意设定，控制范围在设定值的上下区间内；根据进水流量和污泥泵站液位控制回流污泥泵的启动，从而达到根据工艺要求控制回流污泥量；控制二沉池吸刮泥机的运行；回流和剩余污泥流量监测；远程手动控制潜水搅拌器等设备；各个设备状态及仪表信号的采集。
3.3 污泥脱水间控制站（LCU3）
LCU3 的控制范围为：储泥池、冲洗水池、污泥脱水间、絮凝剂投配系统。
本子站实现以下主要功能：检测离心脱水系统、絮凝剂投加系统等设备的运行、故障等状态信号。
4 主要设备的控制原理
4.1粗、细格栅的控制
在粗、细格栅机的前后位置安装一套超声波液位差计，通过格栅前后的液位差来反映格栅阻塞程度，并传输到PLC控制器，进行分析计算。当液位差超过预设的数值，控制格栅运行，清除垃圾，保障正常过水。同时，为了保证设备正常运行，当检测到格栅机一定时间没有运行，则强制设备运行，防止设备长时间不运行而出现问题或是由于液位差传感器的错误信号导致设备不能正常运行。
4.2污水提升泵的控制
为实现进水提升泵的自动控制，在提升泵房安装了2台超声波液位计，用以测量泵房的液位，实时传输到PLC控制器及上位机，进行系统分析，通过PLC中设置的参数对提升泵的运行自动控制，泵房共设置4台提升泵，三大一小，根据提升泵房的液位值，与预设的值进行比较，自动判断决定启动泵的类型和台数。根据泵累计运行时间，确定备用泵的启动，以均衡泵的耗损。
4.3曝气系统的控制
生化池好氧段内不同位置共安装了4台溶氧仪，PLC根据溶解氧DO实测值与设定值间的偏差和变化趋势调节风管调节阀的开度，使好氧段的溶解氧DO保持在一个理想的范围中。同时，鼓风机根据风管压力的变化调节前后导叶开度，保持出口压力的恒定。
4.4回流泵的控制
PLC根据进水流量和污泥泵站液位，与预设的参数进行比较，自动判断决定启动泵的台数，控制回流污泥量，保证生化池中的混合液浓度在一定的范围内。
4.5剩余污泥泵的控制
剩余污泥量是根据污泥脱水机的运行需要来进行控制的，通过测量贮泥池的液位来控制剩余污泥泵的运行台数，使得剩余污泥量满足脱水机的需要。
5 结 语
本文对自动化控制系统的设计原则、系统结构、现场控制站监控范围和主要功能以及控制原理等作了简略的介绍。通过采用先进的控制技术应用于污水处理，调控系统运行过程中相关参数的变化，使其保持良好的工作状态，系统运行更具安全性、稳定性，提高了工作效率，也降低了能耗和工人的劳动强度。随着科学技术的不断进步和发展，提高污水处理的自动控制程度已成为污水治理工程中一个广阔的拓展领域。
参考文献
关键词：现场总线 工业以太网 分散控制 水处理
概述
随着网络化、信息化概念向自动化领域的不断渗透，水处理自动化控制理念和技术也在不断发展。在上世纪末新型的现场总线控制系统突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统实现所造成的缺陷，试图将基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案。此后，上位机、PLC和现场总线构成的集散监控系统逐步成为水处理自动化的主流。但由于不同行业不同应用派生出的不同的总线系统，加之经济利益的冲突，各种不同的现场总线标准之间的互不兼容严重束缚了不同厂商设备之间的互连，使得现场总线成为受厂商限制的专用网络。而随着以太网技术的不断发展，它不仅在办公自动化领域而且在工业自动化场合得到了广泛应用，许多控制器、PLC、智能仪表和执行器，乃至DCS系统已经带有以太网接口，这些都标志着工业以太网已经成为真正开放互连的工业网络的发展方向，它将对水处理自动化技术产生很大的影响。 在嘉兴市污水处理工程中，成功地应用了上位机+PLC+工业以太网构成的分布式监控系统。实践证明，这样的控制系统对水处理工业来说是安全、可靠和经济适用的，它将成为水处理自动化控制技术的主流。
系统网络结构 图1 嘉兴污水处理系统通信网络结构图
整个网络方案如图1如示，主监控中心、沿线各泵站和污水处理厂采用德国Hirschmann公司的卡轨式工业以太网交换机构成100M bps以太网光纤环（大环），污水处理厂内部的中央控制室和第一、第二分控站也采用同样的交换机构成工业以太网光纤环（小环）。大环与小环之间用两条屏蔽双绞线形成冗余连接。所以，整个网络实际上是一个网状结构。考虑传输距离长，大环和小环线路均采用单模光纤。交换机分别带有两个内置的100Mbps单模光纤口，传输所用的光波波长为1300nm。在各网络节点，采用星形拓扑结构将本地设备，如计算机、PLC、VIP发射器、IP电话等连接到本地的以太网交换机。整个网络方案具有如下特点： 交换式以太网，保证了系统的确定性。对于实时控制来讲，其网络必须是一个确定性的网络。所谓的确定性是要求网络传输的延迟不超过系统所允许的最大值。传统的以太网是基于载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）的介质访问机制，因而本质上不保证传输的确定性。但以太网可通过三种方式获得确定性，一是限制流量，二是使用主-从通信方式，三是采用以太网交换机。本系统采用交换机将整个网络分成多个冲突域，从而消除了冲突，实现了确定性。
环形冗余方案，保证了系统的可靠性。过去由于没有其他可供选择的方案，冗余网络大都采用双总线方式实现。随着以太网和交换技术的发展使得建立冗余环网成为可能。在同样冗余度的情况下，冗余环比双总线方式减小了风险的集中和降低了实现成本。如果系统中大环或小环的光纤发生故障，环形结构将在小于500ms时间内切换成具有全部传输能力的总线结构。在大环和小环之间有两条双绞线通道，一条作为主线，一条作为备用线，实现冗余连接。当主线发生故障时，备用线在500ms内自动启用，从而确保了环与环之间的可靠通信。
以太网允许系统不断扩展。与现场总线相比，以太网具有向下兼容性。对于双绞线或光纤介质，如果将传输速度从10Mbps提升到100Mbps，在大多数场合不需要改变现有的布线，只需更新网络设备即可。同样，如果将本系统主干网从100Mbps以太网提升到千兆以太网，只需升级网络传输设备，而无需重新铺设光缆。
数据、语音、视频“三网合一”。在本系统中，网络不仅用于控制数据的传输，同时也作为语音和视频的传输平台。每个泵站均设有一台带有云台的摄像头，其视频输出和音频信号以及云台控制信号经过VIP发射器压缩并转换成符合H.323标准的数字多媒体信号接入到以太网上，在监控端通过专门的解码软件对远程视频实现监视和记录，并可远程控制云台的动作。
基于MODBUS/TCP的应用层协议的透明网络系统。MODBUS/TCP即基于TCP/IP的MODBUS协议，它在传输层选用标准的传输控制协议TCP，它能在收到经网络传来的错误数据的情况下，通过应答与重传机制来保证可靠地传输，从而保证了传输过程中的可靠性。MODBUS本身就是一个开放的协议，为众多的供应商所支持。目前MODBUS/TCP已经成为一个事实上的标准，为其它工控设备提供了通用的接口。网络层采用IP协议，用户只需了解控制设备的IP地址即可实现设备之间通信，而与低层网络地址和硬件无关，对用户来说具体的某个网络单元（硬件和软件）的存在仿佛不存在一样，整个网络可以看成一个透明网络。
控制系统的具体实现
传统的现场总线控制系统（FCS）是建立在各种各样现场总线基础上的网络集成式全分布控制系统，嘉兴污水控制系统则是一个典型的基于工业以太网平台的集成式全分布控制系统。该系统借鉴了现场总线控制系统的特点，按照集中管理分散控制的原则，大环和小环均采用两级控制。一级为管理控制站，位于主监控中心和污水处理厂中央控制室，由微机、显示器、打印机、UPS电源、PLC0及模拟屏等组成，目的是对主要工艺设备的控制和调度，对生产过程中的工艺参数进行数据采集、监控、优化和调整，对主要工艺流程进行动态模拟和趋势分析，以及对整个系统的音视频监视。二级为现场控制站，在每个泵站以及污水厂的水区（第一分控站）和泥区（第二分控站）都配置了独立的PLC控制器，实时采集流量、压力等工艺参数并控制水泵以及其它设备的运行；各泵站的PLC控制器之间通过以太网通信实现动作的互锁和联动。
由于最远的两个站之间的距离较大，约60公里，为了使节点间距离保持均衡，不必采用大功率的光收发器，在光缆铺设过程中，采用跳跃式的布线方式，从而使相邻节点间距离不大于20公里。
因为大环与小环是同质网络，在实现时将大环与小环直接互联，而不采用污水处理厂中央控制室的上位机作为网关，使得主监控中心的上位机既可以直接采集污水厂的PLC数据，也可以通过污水处理厂中央控制室的上位机查看污水厂的实时控制数据和历史数据，从而使得整个系统可以独立于污水处理厂中央控制室正常运转。同时，也使污水处理厂中央控制室作为备用的监控中心在主监控中心发生故障的情况下控制整个系统的运行。
与现场总线通信相比，工业以太网平台支持SNMP简单网管协议，具有实时的网络状态监视功能。在实现时通过网管软件与上位机软件的数据交换，将实时的网络状态数据和报警集成到上位机监控系统中，从而实现了系统对网络故障的实时报警和诊断功能。
上位机软件与PLC之间的通信及其与网络管理软件之间的通信均采用标准的OPC（OLE for Process Control）通信方式。OPC（OLE for Process Control）是现场设备级和过程管理级进行信息交互的开放的接口标准和技术规范，其目的是允许自动化和控制应用程序、控制设备以及商业和办公应用软件之间相互操作。基于这一标准我们将来自不同硬件供应商的不同类型数据转化为统一的OPC数据格式，以OPC接口的方式提供给客户应用程序，从而实现系统的集成。
考虑到所选用的PLC本身带有WEB服务器，在系统实现过程中可以通过网页游览器查看PLC中的实时数据，使系统具有简单方便的WEB监控功能。
结束语
嘉兴市污水处理工程所采用的基于工业以太网的集成式全分布控制系统，集中应用了当今计算机、通信、CRT显示、控制工业（4C）的最新技术，是现场总线控制系统的最新发展。由于它采用了开放和通用的网络技术和标准的通信接口，同时实现了数据、语音和视频的“三网合一”，为污水处理提供了一个技术先进、功能完善、监控可靠的实例。同时随着自动化系统的发展，越来越多的场合要求将自动控制系统、企业信息系统和视频监控系统相结合，所以本控制方案也对交通、治金、化工、电力等行业的工程应用具有广泛的参考价值。
阳宪惠主编，现场总线技术及其应用，北京：清华大学出版社，1999
Ray Horak著，徐勇等译，通信系统与网络，北京：电子工业出版社，2001
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Distributed Water Treatment Control System Implemented on Industrial Ethernet
Gao Gengxi, Hu Jun
