国内水处理自动控制主要状况

国内水处理自动控制主要状况

辛儒斌

北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044

摘要：介绍了水处理自控系统的应用现状，包括系统网络结构、系统结构与配置以及系统控制模式，并分析了水处理自控系统存在的问题，指出自控系统未来发展的主向。

关键词：水处理；自动控制

1水处理自控系统应用现状

目前，我国污水处理的能力和技术水平，已远远落后于日益发展的国民经济水平和社会需要。有超过百分之八十的污水仍然未经处理便排入江河。针对目前存在的现状，国家相关部门逐步增强对水污染的整治力度，但对于如此大比重的未处理污水，目前采取的措施和整治力度仍是杯水车薪。为了减少对自然环境的破坏，保证人民的身体健康，水处理能力和效率的提高成了迫切需要解决的问题。

通过将计算机网络、通信技术和自动控制等技术与水处理工艺、技术相结合，使水处理自控系统进入到了一个飞速发展的阶段。当前我国水处理自控系统方案介绍如下。

1.1系统网络结构[1]

水处理自动控制系统采用简明、高效、开放的网络体系结构，采用三层通讯结构：管

理层、控制层和设备层。管理层网络采用Ethernet网络；控制层网络采用总线网络；设备层可选择多种网络：串行总线、Ethernet、Profibus-DP等，设备层通讯网络用于实现现场设备(开关﹑仪表和人机界面等) 与PLC之间的通信; 控制层采用总线网络，主要负责各个控制器与IO模块的通讯，不同厂家的PLC 有不同的网络协议，例如西门子、和利时应用Profibus- DP总线协议、AB应用DeviceNET、施耐德应用S908和MB+总线协议等; 上层的Ethernet网络实现PLC与PLC、PLC与上位机以及与第三方Ethernet设备的数据通信，整个通讯形成了具有优异通信功能的三层网络。

1.2系统结构与配置

根据水处理工艺的控制要求，水处理工程自动化控制系统分为三级管理，包括生产管理级(控制室)、现场控制级(PLC控制站)及就地控制级。现场各种数据通过PLC系统进行数据采集，并通过主干通讯网络工业以太网传送到控制室的监控计算机进行集中监控和管理，传输介质为光纤，通讯速率为100Mbps。同样，控制室监控计算机的控制命令也通过上述网络通道传送到PLC，实施对各单元的分散控制。

1.3系统控制模式

水处理控制系统采用控制室集中监控方式，集中监控系统安装于综合办公楼内，用于实现全站的集中控制和管理。监控管理计算机通过工业控制网络与PLC控制系统等现场级电控设备、仪表进行数据通讯。全厂的水流量、pH、浊度、余氯、溶解氧等参数及设备的运行状况通过PLC进行数据处理，同时与上位操作员站工控机进行数据交换，上位机监控画面上即可显示整个水厂各主要工艺工段的设备运行状态及水质状况，操作人员根据这些状态参数，监控水处理状况。控制系统设计为就地手动控制、远程手动控制、远程自动控制三种控制方式。三种方式的级别由高到低依次为就地手动、远程手动、远程自动。

⑴就地手动模式

设备的现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“就地”方式时， 通过现场控制箱或MCC控制柜上的按钮实现对设备的启停、开关操作。设备的急停按钮或其他保护和安全联锁装置(如过载保护、温度及液位保护等)全部是硬线连接至电气控制回路， 不受方式选择开关的。现场控制箱(柜)开关在“手动”位置时，设备为离线方式，PLC不能对设备进行任何控制。就地手动模式运行方式是设备控制层的最高优先级。

⑵远程手动模式

设备的现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式时， 操作员可以在远程对单个设备实现启停等控制。操作人员通过操作终端(HM I)或中控系统操作员站的监控画面用鼠标器或键盘选择“手动”方式并对设备进行启停、开关操作。

⑶远程自动模式

远程自动模式是在无人值守的情况下，利用PLC的逻辑控制程序或者外部一些触发条件，自动控制设备或装置的运行状态。如果设备发生故障无法正常启动运行，在上位监控画面内会发出报警并实时记录设备的详细报警情况，现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式，且上位管理监控系统上面的“自动/手动”设定为“自动”方式时，完全由各PLC根据水质工况的要求自动完成对设备的运行或开关控制，而不需要人工干预。

2水处理自控系统主要存在的问题

通过在污水处理系统中引进自动控制系统，在减少操作人员的劳动强度，加强污水处理系统的运行能力和管理方面，起到了极其积极的作用。不过考虑到污水处理行业的特殊环境以及其自身的特殊性，关于污水处理自动系统的应用也需要面对一些问题：

一是由于我国目前关于污水处理方面的监控不到位，仍然存在只监不控或监强控弱的情况，因此，在系统控制方面，各种信息不能得到较好的、有效的利用。

应对措施: 合理加强监控，有效采集信息，及时反馈信息。

二是关于污水处理过程中水质的监测及采取的相应控制，存在滞后的情况。以监测好氧池中DO值与鼓风机风量调节之间的滞后情况为例。如果鼓风机风量调节滞后与好氧池DO值监测情况，就可能导致鼓风机不能准确地根据好氧池中实际溶解氧的浓度提供曝气量，从而不能够实现节能目标。

应对措施: 通过改善自动化控制技术，加强监测过程中的及时性，提高自控仪器的使用效率，从而提高污水水质处理的有效性和准确性。

三是关于在线仪表在污水处理过程中的养护。在线的仪表探头需要长期探入污水环境，从而导致仪表探头极易被各种缠绕性的杂质包裹，因而，影响探头数据的敏感性、数据的准确性，导致仪表探头的损坏的几率也大大增加。由此造成的定期养护成本增加，以及设备系统维护的成本增加。

应对措施: 规范管理目前的仪表系统使用规程，加强有关仪表的配置及使用标准。进一步研发能够更好地长期地适应污水处理中的特殊环境的仪表探头。以达到维护便捷，成本低的目的。

四是具体操作人员的综合业务水平的提高在自动控制系统共组中的重要性。自动控制系统在污水处理中的应用涉及广泛的知识领域，甚至外语水平也有所要求，因为一定比重的设备及硬、软件来自国外。因此从业人员的专业性培训就非常重要，避免操作失误的出现。

应对措施: 加强人员专业技能培训，引进符合需求的技术性人才。

3水处理自控系统的发展前景

为适应水处理行业的发展趋势，满足水处理行业对自控系统的需求，水处理行业的自控系统在未来发展的主要方向包含以下几个方面。 [2]

⑴冗余的控制系统结构

由于水处理项目自动化控制系统对安全性的要求比较高，而现在通常应用的冗余系统中， 多数为双机架冗余，成本相对单机系统会提高一倍，而低成本、高可靠性的单机架冗余方案将是PLC在水处理行业发展的一大趋势。采用单机架冗余方案中，每套PLC选用一个冗余的机架，两个支持冗余系统的CPU，冗余背板有两个CPU插槽。两个CPU互为热备， 当一个CPU出现故障，或与上位组态软件通讯故障时，系统切换到热备的CPU上，CPU切换的时间短，保证控制系统不中断。除了CPU冗余，冗余解决方案还应包括电源冗余、网络冗余以及总线冗余。控制系统为PLC系统提供了冗余的电源系统；控制系统支持网络冗余功能，每个CPU配置双网卡，具有两个IP段地址，一个IP地址热备防止系统网络故障；同时， CPU与IO模块的通讯应可选为冗余的总线通讯，实现IO模块信号到CPU的可靠、稳定传输。冗余系统配置主要目的是提高PLC设备运行的可靠性和稳定性，保证水厂不间断的正常运行，保证出水水质。

⑵PLC合理的通讯端口设置

在污水处理厂自动化控制系统中，常用的通讯方式包括：与上位机及各站之间通过Ethernet通讯；与现场控制仪表及第三方PLC通过串口Modbus、Profibus- DP和自由口通讯。PLC的CPU集成Ethernet端口，能够支持ModbusTcp和OPC等开放式协议；集成串口，支持ModbusRTU和自由口协议；集成Profibus- DP接口。而对于PLC控制系统通常配置的CANopen、Dev-iceNet、AS - i等端口，由于在污水厂中应用较少，减少这些通讯接口的配置，可以大大降低PLC无效的系统消耗和内存消耗，提高CPU的运行效率。如果需要以上端口，可以通过增加通讯扩展模块来实现通讯功能。在水处理厂智能仪表与现场设备集成的PLC分布比较分散，通讯扩展接口应该可以通过在主站以及从站任意槽位上增加通讯接口模块实现。即通讯接口模块的使用，不能受到本地背板或远程背板的。

⑶组态软件丰富的驱动程序

组态软件应开发各种厂家的PLC、仪表、移动通讯设备以及其他具有通讯功能的自控设备的驱动程序，以方便在项目改造、扩建过程中上位组态软件与下位自控设备兼容，使水处理项目可以通过一个组态软件实现对现场的所有工艺进行监控，提高系统的集成度和现场工作人员的工作效率，同时降低项目成本。

⑷专业程序模板

由于水处理工艺多样， 在项目调试过程中， 一个工程师不可能全部掌握各种控制工艺的控制逻辑。而不同污水处理厂在相同的处理工艺的情况下，控制逻辑相似。基于这种特点，针对不同规模、不同工艺的水处理厂应开发专业的程序模板。例如污水处理厂在下位具有进水泵、粗格栅、细格栅、初沉池、鼓风机、污泥脱水、加氯、加药等程序模块，

使编程成为积木式的工作。现场调试的工程师只需将控制条件及控制内容输入到各模块的输入端即可，这样就可以大大提高现场调试的工作进度。针对污水处理、净水处理和中水回用项目，上位组态软件厂家应开发水处理行业版。水行业版组态软件应集成污水处理、净水处理和中水回用所需的常用组态画面、设备符号和控制块。画面组态工程师只需将常用设备控制块拖入到组态画面即可实现一个设备的组态，而不需每个工程都进行重新组态。常用的报警画面和趋势画面只需将定义的变量添加到报警变量和趋势变量即可完成对报警画面和趋势画面的组态。在PLC以及组态软件功能日趋完善， 产品质量也日趋接近的情况下，谁能够为客户提供更加完善的服务将成为成败的主导竞争方式。PLC以及组态软件的生产厂家除了能够为客户提供自控产品外，为客户提供专业的行业支持就成为自控产品发展的趋势之一。

⑸数据分析、决策支持

在污水厂管理层， 除了要能够支持远程监控， 还要将现场IO服务器采集的现场数据较长时间地存储， 并对全厂历史数据进行存储，存储时间可长达几年， 要求使用专业数据分析软件对现场数据进行分析，从而得出污水厂在不同的进水条件下的最佳运行参数，根据这些数据修改现场控制站程序，并可将高级控制算法应用到现场的控制系统中，例如专家系统、变结构控制算法等，从而实现对现场控制的优化处理，提高水厂的运行效率，提高出水水质，降低的服务将成为成败的主导竞争方式。PLC以及组态软件的生产厂家除了能够为客户提供自控产品外，为客户提供专业的行业支持就成为自控产品发展的趋势之一。

⑹数据分析、决策支持

在污水厂管理层，除了要能够支持远程监控，还要将现场IO服务器采集的现场数据较

长时间地存储，并对全厂历史数据进行存储，存储时间可长达几年，要求使用专业数据分析软件对现场数据进行分析，从而得出污水厂在不同的进水条件下的最佳运行参数，根据这些数据修改现场控制站程序，并可将高级控制算法应用到现场的控制系统中，例如专家系统、变结构控制算法等，从而实现对现场控制的优化处理，提高水厂的运行效率，提高出水水质，降低运行成本，并使水处理过程更加环保。对于更高层管理机构(例如水务局等) ，可以通过调用各水厂的历史数据，对各水厂的生产数据、运行效率、运行管理情况等进行统计、比较， 为各水厂提供决策支持，宏观调度各水厂的运行。并可根据各水厂的数据分析结果，为新建水厂提供优化设计方案。

⑺远程监控

在水厂控制中心通过Web发布软件实现监控界面及监控数据的Web发布是水处理的另一个发展趋势。操作人员可以在任何能够登陆Internet的地方实现远程监控水厂的功能。将来PLC编程软件实现远程登录也是一个发展趋势，编程人员可以在任何能够登录Internet的地方修改PLC的程序，进行远程调试。该功能的实现，为水厂实现在紧急情况下的专家诊断和故障排除提供了方便。

4总结

自控系统是水处理行业保证出水水质、提高水处理效率、提高水处理厂管理效率的最直接有效的途径，如何使自控系统更好地为水处理厂服务，提高生产效率是水处理自控系统发展趋势的决定因素。通过计算机控制、多媒体监控体系、信息管理在自动化控制中的应用，水处理也发展到整个流程自动化控制。自动控制系统应用于水处理后，提高了工作效率，以及水处理数量和质量，降低了人工等各方面的成本。虽然如此，但水处理自动控制系统的应用技术、扩大使用范围、降低投出入成本等几个方面都有待提高，以适应经济

水平的发展，实现经济的双赢。

参考文献

[1]石连东，张开尔.水处理自动控制系统的应用现状及发展前景[J].中国给排水，2010，26（22）：22-27

[2]霍立绒.水处理自动控制系统的应用现状及前景展望[J].中国给排水，2013，12（7）：136-137