李慕潔 董國(guó)軍 史建華
（甘肅金橋給水排水技術(shù)與工程有限公司設(shè)計(jì)院   730030）

摘  要：通過現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在實(shí)際污水處理工程中的一個(gè)應(yīng)用案例，闡述了基于Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在污水處理工程中的設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用。
Abstract: An example of fieldbus technology system applied in wastewater treatment is given .The method and application of design in wastewater treatment Base on Interbus fieldbus technology is introduced.

關(guān)鍵詞：Interbus  現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)  污水處理 軟件
Key word： Interbus  fieldbus  Control System  Wasteater Treatment  Software

引言

    隨著我國(guó)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(dāng)務(wù)之急。投資少、運(yùn)行靈活的生物曝氣濾池技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。生物曝氣濾池是當(dāng)今世界污水處理研究試驗(yàn)的新技術(shù)。國(guó)外從20世紀(jì)初開始進(jìn)行研究，于20世紀(jì)80年代末基本成型，近年來隨著自動(dòng)化技術(shù)、設(shè)備及在線監(jiān)測(cè)儀表的發(fā)展，使得對(duì)污水處理的自動(dòng)化成為可能。同時(shí)對(duì)污水處理工藝進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)控制是提高污水處理效率，降低加藥量、降低能耗的關(guān)鍵。一般采用以PLC為核心的工藝過程自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)控制鼓風(fēng)機(jī)、水泵、電動(dòng)閥等設(shè)備及反應(yīng)段時(shí)間，曝氣時(shí)間、強(qiáng)度，反沖洗時(shí)間及強(qiáng)度等，使水質(zhì)達(dá)到國(guó)家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。
由此可見，污水處理是一個(gè)多參量（如液位，水質(zhì)成份，溫度、壓力、流量）、多任務(wù)（如污水輸送、風(fēng)量控制、反沖水量控制、水泵的啟停等）、多設(shè)備（如格柵機(jī)、水泵、鼓風(fēng)機(jī)、閥門等）且具有隨機(jī)性、時(shí)變性和耦合性的復(fù)雜系統(tǒng)。因此污水處理應(yīng)由一個(gè)智能監(jiān)控與綜合管理系統(tǒng)來進(jìn)行現(xiàn)代化的管理，使之安全可靠地運(yùn)行。

1、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

    在污水處理廠中，現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備分布范圍比較廣，如果采用傳統(tǒng)的控制方案，勢(shì)必要敷設(shè)大量的控制和信號(hào)電纜，浪費(fèi)大量的人力和物力，十分不經(jīng)濟(jì)。同時(shí)使系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性降低。采用目前比較流行的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，可以降低成本，同時(shí)提高系統(tǒng)的可靠性，使系統(tǒng)易于擴(kuò)展和維護(hù)。InterBus是一種國(guó)際性的開放式的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。目前世界上多數(shù)自動(dòng)化生產(chǎn)廠家都為它們的自動(dòng)化設(shè)備提供InterBus通訊接口。InterBus已廣泛地應(yīng)用于加工制造、過程控制是一項(xiàng)成熟的技術(shù)。使用InterBus總線模塊用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸可以取代昂貴的24V或4～20mA并行信號(hào)線，并解決車間級(jí)普通的通信任務(wù)，提供大量數(shù)據(jù)通信服務(wù)，提供中等任務(wù)的傳輸速度。

2、系統(tǒng)組成及功能設(shè)計(jì)

    現(xiàn)代化的污水處理系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)管理與控制一體化、實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化。控制系統(tǒng)不僅與下層控制設(shè)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(shí)具有可擴(kuò)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(chǎng)總線或者工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)，上層則選用優(yōu)秀的監(jiān)控組態(tài)軟件。為了加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，使整個(gè)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間無故障地運(yùn)行，需要采用冗余和容錯(cuò)技術(shù)。根據(jù)全集成自動(dòng)化（Totally Integrated Automation）的思想，將污水廠控制系統(tǒng)分為管理級(jí)、控制級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)。

（1）管理級(jí)是系統(tǒng)的核心部分，完成對(duì)污水處理過程各部分的管理和控制，并實(shí)現(xiàn)廠級(jí)的辦公自動(dòng)化。管理級(jí)提供人機(jī)接口，是整個(gè)控制系統(tǒng)與控制部分信息交換的界面。管理級(jí)的各臺(tái)計(jì)算機(jī)具有相互通訊功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和共享。考慮到管理層功能結(jié)構(gòu)的層次性和可分割性，采用客戶／服務(wù)器的體系結(jié)構(gòu)。服務(wù)器選用大型的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，滿足開放、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)管理方法的要求。由服務(wù)器、管理部門計(jì)算機(jī)等站點(diǎn)的計(jì)算機(jī)組成的計(jì)算機(jī)辦公局域網(wǎng)。中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)及車間級(jí)現(xiàn)場(chǎng)控制站組成廠區(qū)工業(yè)控制網(wǎng)，完成對(duì)各車間范圍內(nèi)的生產(chǎn)過程、儀表、設(shè)備的監(jiān)控與控制；本系統(tǒng)采用研華公司生產(chǎn)的兩臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)(操作員站及工程師站)互為備用，它們之間通訊協(xié)議是TCP/IP。
（2）控制級(jí)。控制級(jí)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，也是管理級(jí)與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)之間的樞紐層，其主要功能是接愛管理層的參數(shù)或命令，對(duì)污水處理生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)送到管理層。控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，所以在控制級(jí)中采用菲尼克斯公司的ILC350控制器，該控制器本自具有一個(gè)TCP/IP通訊接口，并通過分支模塊與遠(yuǎn)程I／O模塊連接，遠(yuǎn)程分布式I／O模塊與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和傳感器通信。
（3）現(xiàn)場(chǎng)級(jí)。 現(xiàn)場(chǎng)級(jí)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)。現(xiàn)場(chǎng)級(jí)主要由一次儀表、控制設(shè)備組成。其功能主要是完成其范圍內(nèi)的生產(chǎn)過程、儀表、設(shè)備的監(jiān)視與監(jiān)測(cè)及并把監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)上傳；接受控制級(jí)的指令對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。分布式配置意味著控制器、遠(yuǎn)程I／O模塊和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過現(xiàn)場(chǎng)總線的信號(hào)電纜連接。每個(gè)控制點(diǎn)比較集中的控制現(xiàn)場(chǎng)配置一個(gè)遠(yuǎn)程分布式智能I／O模塊IBS IL 24 BK，現(xiàn)場(chǎng)I／O信號(hào)直接輸入I／O模塊，每個(gè)IBS IL 24 BK模塊具兩個(gè)InterBus接口。
根據(jù)此設(shè)計(jì)思想和關(guān)鍵技術(shù)方案分析，在酒鋼集團(tuán)榆中鋼廠污水廠的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)中采用系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。
             圖 1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

3、上位組態(tài)軟件

    上位機(jī)系統(tǒng)要求：具有與多臺(tái)下位機(jī)系統(tǒng)通訊的能力，實(shí)時(shí)監(jiān)控多臺(tái)下位機(jī)的工作狀態(tài)，顯示生產(chǎn)過程中的工作曲線；具有遠(yuǎn)程控制能力；向下位機(jī)采集數(shù)據(jù)，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢、顯示、打印等。因此，在一個(gè)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中，投入運(yùn)行監(jiān)控組態(tài)軟件是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集處理中心、遠(yuǎn)程監(jiān)視中心和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心，處于運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視組態(tài)軟件與各種控制、檢測(cè)設(shè)備共同構(gòu)成快速響應(yīng)的控制中心。
選用北京亞控公司研發(fā)的KingView6.5組態(tài)軟件，該組態(tài)軟件的功能及特點(diǎn)是：
（1）友好的人機(jī)界面，控制操作方便。
（2）實(shí)時(shí)畫面顯示功能：用設(shè)計(jì)或?qū)嵉貓D片的方法生成圖形，實(shí)時(shí)地顯示某參數(shù)，顯示圖表包括：全廠平面圖，全廠工藝流程圖，各構(gòu)筑物的平面圖，各部分主要的工藝及設(shè)備狀況的動(dòng)態(tài)模擬圖，趨勢(shì)分析圖，數(shù)據(jù)棒圖，狀態(tài)表，報(bào)警表，日?qǐng)?bào)表，月報(bào)表。數(shù)據(jù)處理：利用在線數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、顯示。
（3）報(bào)警功能：當(dāng)某一參數(shù)異常或設(shè)備故障時(shí)，可根據(jù)不同的報(bào)警類別，發(fā)出諸如聲、光報(bào)警、屏幕報(bào)警、輸入報(bào)警表、打印機(jī)輸出或播放事先錄制的語音提示，同時(shí)顯示相應(yīng)的提示信息和畫面，記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中，且可分等級(jí)。
（4）報(bào)表功能：生存并存貯年、月、日?qǐng)?bào)表及運(yùn)行參數(shù)報(bào)表。
（5）打印功能：各種報(bào)表打印、各種事件及報(bào)警實(shí)時(shí)打印。
（6）通訊功能：該組態(tài)軟件支持如DDE、OLE、ODBC、OPC和SQL等標(biāo)準(zhǔn)，可以提供多種方式與上層數(shù)據(jù)交換。

4、控制軟件編程

    軟件編程的主要依據(jù)為生產(chǎn)工藝提供控制的控制規(guī)律，同一種處理工藝可能會(huì)有不同的控制策略，根據(jù)對(duì)該污水廠的功能劃分共分三個(gè)功能塊：自動(dòng)加藥控制、澄清池自動(dòng)排泥控制、生物曝氣濾池控制。
（1）自動(dòng)加藥控制：是指根據(jù)在線測(cè)得的水質(zhì)參數(shù)與設(shè)定參數(shù)形成閉環(huán)控制。每座澄清池配兩臺(tái)計(jì)量泵，一運(yùn)一備，當(dāng)任何一臺(tái)泵事故時(shí)，備用泵自動(dòng)投入運(yùn)行，計(jì)量泵配變頻器，根據(jù)進(jìn)水流量、進(jìn)水濁度、出水濁度信號(hào)控制計(jì)量泵沖程及馬達(dá)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制加藥量的目的。
（2）澄清池自動(dòng)排泥控制：是指根據(jù)在線測(cè)的水質(zhì)參數(shù)，澄清池泥界面及出水水質(zhì)實(shí)時(shí)調(diào)整排泥時(shí)間和排泥周期。
（3）生物曝氣濾池控制：根據(jù)近年來對(duì)生物曝氣濾池運(yùn)行控制方式的研究，生曝氣濾工藝控制可分為水頭損失法和時(shí)間控制法，其中以水頭損失來控制生物曝氣濾池的的反沖洗，當(dāng)設(shè)有多格曝氣池時(shí)，配水平衡的準(zhǔn)確度直接影響了反沖洗的效果，在實(shí)際運(yùn)行過程中，要實(shí)現(xiàn)各池嚴(yán)格的配水平衡，難度較大，因此在實(shí)際工程案例中一般采用時(shí)間控制法。并通過上位機(jī)設(shè)置靈活的時(shí)間調(diào)整給定界面，是保證生物曝氣濾池高效運(yùn)行很好的解決方案。

5、結(jié)束語
    在污水處理控制系統(tǒng)中采用現(xiàn)場(chǎng)總線改變了傳統(tǒng)的全模擬量傳輸方式，在現(xiàn)場(chǎng)總線級(jí)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字傳輸，達(dá)到了提高信號(hào)傳送精度，增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)控制靈活性。該自動(dòng)控制系統(tǒng)已在酒鋼集團(tuán)榆中鋼廠污水廠、西北民族大學(xué)污水廠等投入運(yùn)行，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)
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4、崔光亮等《基于Profibus的SBR工藝污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)》。給水排水 2003Vol 29 No 11