及發展趨勢
1 某汙水處理廠自控系統現狀概述
某市某汙水處理廠自控系統是通過使用自動化技術、計算機技術、網絡技術、圖形技術等構成的綜合自動化系統，是在確保達到規定的技術要求及汙水處理過程優質可靠運行、排放達標的目標前提下，將汙水處理廠管理、調度、現場控制等功能集成在網絡環境下，通過PLC和網絡技術，為實現汙水處理過程的管控壹體化及綜合信息處理構建的信息平臺。根據汙水處理廠實際情況及工藝要求，汙水廠自控系統采用集散型控制和現場總線相結合的系統模式，由管理級和現場控制二級控制系統組成，管理級與控制級通過10/100M以太網通信，即自控系統是由中央控制室計算機和現場級各PLC控制單元組成的兩個層次的集散式控制系統(DCS)。集散式控制系統是壹個融合了自動控制技術、計算機技術、通信技術、CRT顯示技術於壹體的高科技控制裝置，是用於生產管理、數據采集和各種過程控制的處於新技術前沿的新型控制系統。通過通信網絡將中央級監控總站和若幹個現場控制總站連接起來，構成集中管理、分散控制的計算機測控管理系統，簡稱集散式控制系統。DCS系統克服了集中控制系統危險度集中、可靠性差、系統不易擴展、控制電纜用量大等缺陷，實現了真正的信息、管理及調度集中，而將功能及危險分散，如中控室計算機故障各現場分站仍能獨立和穩定工作，從根本上提高了系統的可靠性。某汙水處理廠自控系統層次結構見圖1，自控系統構成見圖2。
1.1 現場控制層
現場控制層由現場級各PLC控制單元和現場測控儀表及控制設備組成。控制級由壹號現場PLC站、二號現場PLC站、三號現場PLC站、四號現場PLC站4個現場主站構成。管理級采用工控機，該功能層通過PIC實現汙水處理廠各工藝段所有過程參數預設、設備運行狀態及電氣參數的數據采集、設備的控制。並通過工業以太網向中央控制層傳送數據和接受其控制指令。系統在該層實現了對粗/細格柵、提升泵站、沈砂池、厭氧池、氧化溝、脫水機房等主要生產環節工藝過程參數及電氣設備的控制和保護，確保生產過程安全、穩定、合理、高效的運行。根據工藝控制的要求，對格柵前後壓差、泵池液位、厭氧池及氧化溝溶解氧濃度、PH值、進、出水流量、儲泥池液位等參數同時進行了監測和控制。各PLC站功能如下：
1） 預處理段控制站PLC1。該PLC工作站設在廠區進水提升泵房控制室，負責監控汙水處理廠的預處理工段。其主要控制對象為粗格柵間的粗格柵及進水電動閘門、進水泵房的汙水提升泵、沈砂池的排砂裝置和砂水分離等設備，此外，還負責進水水量、水質如COD、pH、SS(濁度測量)等參數的在線檢測。
主要設備控制方式如下：
粗格柵及細格柵：根據時間間隔PLC自動控制柵耙清除柵渣，同時當格柵前後水位超過給定值時PLC也可自動控制柵耙清除柵渣。並且格柵機、螺旋輸送機要聯動運行，各設備的啟動順序為先啟動螺旋機，後啟動格柵機。停機時也要聯動，順序與啟動時相反。當輸送機有故障時，細格柵停止運行。
進水泵房：進水泵房設三臺潛水泵二用壹備，液位計兩臺，並設液位開關。PLC根據泵池水位自動控制水泵運轉臺數，並根據每臺泵的運行時間，自動輪換運行水泵，使水泵運行時間均等。設有上、下限報警，防止水泵幹運轉。編程中水泵的運行調度就遵循下列原則：保證來水量與抽水量壹致，即來多少抽多少；保持泵池高水位運行，這樣可降低泵的工作揚程，在保證抽升量的前提下，降低電耗；水泵的開停次數不可過於頻繁；保證每臺水泵的投運次數及運行時間基本均等。
旋流沈砂池：包括兩個旋流沈砂系統，鼓風機、沙水分離器及配套設備按操作員設定的周期間歇性聯動運行，任壹臺設備出現故障時，應報警並關閉其聯動的設備。在自動工作方式下，各設備根據PLC預先編好的程序控制各電動機的啟停和各電磁閥的開關。
2） 生物處理系統/配電中心站PLC2。該工作站壹般設在全廠的配電中心控制室，負責監控汙水生物處理工段。其主要控制對象為生物池的水下攪拌器、水下推進器和曝氣設備，汙泥回流泵房的汙泥回流泵、剩余汙泥泵，二沈池的刮吸泥機等設備。此外，其還負責生物池DO、ORP、MLSS；汙泥泵房pH、MLSS，配電中心的電氣參數如：電流、電壓、有功功率，無功功率、有功電能、無功電能等參數的在線檢測。
主要設備控制方式如下：
回流汙泥泵和剩余汙泥泵的控制： 回流汙泥量調節的任務是為了保證生化處理系統混合液濃度維持在壹定的範圍內。被調節量為活性汙泥回流到厭氧池中汙泥量。電磁流量計安裝在回流汙泥官道上。回流泥量調節采用回流汙泥泵運行臺數來實現，根據進水流量比例調節，回流比可在PLC上預設或在中控室計算機上設定。；剩余汙泥泵運行遵循以下原則：A 按時間間隔自動運行。B 汙泥緩沖池低液位時剩余汙泥泵運行。C 汙泥緩沖池高液位時停泵。D 泵閥實現聯運控制。
氧化溝：二座厭氧池設6臺攪拌器、攪拌器連續運行。二座氧化溝分別在外溝安裝8臺曝氣機、中溝及內溝安裝4臺曝氣機。同時分別在外、中、內溝設有1臺溶解氧測定儀，1臺ORP測定儀，中溝設1臺汙濁度測量儀。根據氧化溝中溶氧儀監測的汙水中含氧量，控制曝氣機的運行臺數用以改變充氧量，這樣可節省能源。
3） 汙水消毒系統/出水泵房站PLC3。該PLC工作站設在出水泵房控制室。其主要控制對象為出水提升泵、切換井電動閥門以及加氯消毒等設備，此外其還負責出水水質如：余氯、COD、流量等參數的在線檢測。
4） 汙泥處理系統/脫水車間PLC4。該PLC工作站壹般設在脫水車間配電間控制室，負責監控汙泥處理工段。其主要控制對象為儲泥池的攪拌器、電動閥門，脫水車間的進泥泵、脫水機、濃縮機、加藥系統等設備。
主要設備控制方式如下：
儲泥池：儲泥池攪拌器連續運行，可遠控運行，設有高、低液位報警（0.5米可設定）、可在上位機上設定液位報警限（4.5米可設定）。
汙泥脫水機房：加藥系統加以人工手動制動為主，當加藥池的低液位無報警時可隨時開啟加藥計量泵。加藥系統的運行信號送往PLC。脫水機系統內部的糾編、沖洗由現場控制箱完成，PLC只給出脫水機的啟、停命令，並完成與其它相關設備的聯動。脫水機系統的啟動順序如下：先啟皮帶輸送機，再啟脫水機系統，後啟加藥系統，最後打開進泥螺桿泵，停機順序相反，當運行過程中某設備發生故障或緩沖池液位達到設定低液位時，設備將按停機順序停機，監控管理計算機可對上述設備遠控。
另外，在該層還設有通訊模塊，也叫通訊管理單元。通訊管理單元是自動控制系統的中間層，負責整個控制系統的信息收集和轉發；通訊管理機將PLC、儀表、其它自動控制系統的數據收集整理，然後經光纖傳輸到後臺系統，同時可以將後臺下發的各種控制命令轉發至相應單元。
目前，汙水廠DCS系統的通訊管理單元網絡系統絕大多數都是光釬作為傳輸介質，即中央控制室和廠區若幹個現場控制站之間以壹個冗余的100Mbps光纖工業以太網組成壹個有線數據通訊網絡。
1.2 中央控制層
1） 該層又叫後臺監控系統層，是系統中信息顯示及控制中心，由掛接在工業以太網上的作為操作站的兩臺監控管理計算機、彩色CRT及兩臺打印機等設備構成。監控管理計算機系統通過l0/100M網絡收集汙水處理廠各工藝參數、電氣參數及主要設備的運行狀態信息，對各種數據進行分析，處理儲存，對各類工藝參數做出趨勢曲線，完成對汙水處理廠各工藝段的集中控制、檢測功能，通過簡單的操作，可進行系統功能組態、監視、報警、控制參數在線修改和記錄全廠各工藝流程。
該層通過組態工具和專用監控軟件實現汙水處理全過程的測量數據的集中顯示與管理、現場各控制單元的控制組態、數據顯示的圖文組態、實時數據處理、實時控制指令等功能。
2） 後臺監控系統主要包括工作站和打印機等設備。比如壹個中央控制室最基本的設備配置有：2臺監控主機、顯示器、投影機、UPS系統、打印機、報警裝置等。各設備功能如下：
監控主機：監控計算機通過通訊管理單元收集汙水處理廠各工藝參數、電氣參數幾主要設備的運行狀態信息，再通過後臺監控系統軟件對數據進行分析、處理、儲存，對各類工藝參數做出趨勢曲線，完成對汙水處理廠各工藝段的集中控制、檢測功能，通過簡單的操作，可進行系統功能組態、監視、報警、控制參數在線修改和設置。
CRT、投影機：直觀顯示全廠各工藝流程。
UPS系統：不間斷電源系統，自控系統必須24h連續運行，所以UPS系統包括至少壹組電池和壹個整流器。保障計算機系統在停電之後繼續工作壹段時間以使用戶能夠緊急存盤或及時采取措施，使計算機不致因停電而影響工作或丟失數據。
報警裝置：報警音箱等。
2 DCS系統的優點：
1） 克服了集中控制系統危險度集中、可靠性差、系統不易擴展、控制電纜大等缺陷
2） 實現了正真的信息、管理及調度集中，而將功能及控制分散
3 存在問題
1) 網絡化水平低，其自控系統只是單壹的中央控制監控網絡，無法實現單位局域網用戶和遠程網絡用戶的訪問和控制。
2) 自控水平低，只是完成了對設備簡單的機械性操作，距智能化自控還有根大差距。
4 汙水處理廠自控系統發展趨勢
隨著計算機技術、網絡技術、數據庫技術的發展及向自動化領域的滲透，使得自動化系統的體系結構正進行著壹場深刻的變革，這種變革直接對汙水處理工業的自動化產生了重大影響。自控系統可由原來的單壹過程監控升級為二級網絡——汙水處理運營局域網和過程監控工業以太網構成二級網絡，采用“集中管理、分散控制”的原則，構成“縱向分層，橫向分站”的網絡體系結構。在兩級網絡架構下，以實時歷史數據庫和關系數據庫為中心，實現控制系統的4個功能層，即現場控制層、過程監控層、運營管理層、遠程訪問控制層。自控系統層次結構見圖3，自控系統構成見圖4。
4.l 現場控制層
與上述相同。
4.2 過程監控層
與上述中央監控層相同，另外，在該層可通過安裝專業的智能化控制軟件，使之能對生產過程中出現的各種數據給予計算、分析，得出目前運行狀態是否正常的結論，作為領導層生產調度、工藝調整等參考的依據。
4.3 管理層
該層建立在由管理計算機和數據庫服務器組成的局域網上。系統管理員可以通過權限設置為企業局域網不同用戶分配不同的權限，領導層可通過建立在該層的關系數據庫，查看和調閱汙水廠的各種數據，並可通過安裝專業的智能化控制軟件，使之能對生產過程中出現的各種數據給予計算、分析，得出目前運行狀態是否正常的結論，作為領導層生產調度、工藝調整等提供依據，實現汙水廠的綜合管理等功能；對廠內的壹般用戶只留有訪問部分數據的權限。在該層留有具有網絡安全防護的遠程數據庫用戶訪問接口，實現授權的用戶遠程訪問數據庫。
4.4 遠程訪問控制層
隨著INTERNET的發展和不斷完善，遠程訪問和遠程控制已日益應用到各行各業中，水處理行業的遠程訪問和管理也隨之誕生---遠程訪問控制層。該層使用遠程訪問服務器、遠程監控軟件等工具為有權限的遠程用戶提供服務，實現管理者異地訪問、維護和上級主管部門實時監督。按照權限的劃分可為遠程用戶提供如下服務：遠程服務端關系數據庫訪問，遠程服務端實時數據庫訪問，汙水處理過程參數、實時數據、歷史數據、各種圖文客戶端顯示，實時運行工況畫面遠程調閱，水質參數在線記錄遠程監視，數據庫遠程維護等等。
5 結論
未來汙水處理廠自控網絡系統是集計算機技術、信息技術、自動化技術、網絡技術、智能化技術於壹體的系統，水處理工業自動化控制的網絡化作業、智能化作業將成為未來發展的主導趨勢。