滕達

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

據(jù)統(tǒng)計，中國只有40%的城市擁有城市污水處理廠，60%的城市污水沒有經(jīng)過處理就進行了排放，首要原因就是建設資金短缺[1]。市政污水處理的裝置主要為大型構筑物，占地面積廣，檢測儀表分布較為分散。傳統(tǒng)設計中，現(xiàn)場信號主要采用硬線接入控制系統(tǒng)，需要占用大量的I/O卡件，同時相應的電纜敷設工作也提高了材料及施工成本。

在某國外市政污水處理的控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場信號主要以Profibus或Modbus等串行通信方式接入系統(tǒng)，使用環(huán)網(wǎng)拓撲結構增加了通信的可靠性，這不僅減少了控制系統(tǒng)的卡件數(shù)量，而且降低了材料費及施工費。此外，智能儀表的發(fā)展使得通信不僅能監(jiān)控工藝參數(shù)值，還可得到儀表本身的運行信息，將傳統(tǒng)的被動維護轉換為主動維護，對系統(tǒng)平穩(wěn)運行及設備維護有著硬接線方式無法比擬的優(yōu)勢。

1 污水處理控制系統(tǒng)架構

監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)適用于長距離遠程設備的控制，該污水處理廠的自動控制采用PLC-SCADA組合，實現(xiàn)了“集中管理、分散控制”的控制方式，大幅提高了系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)工藝流程及布置需求，將整個污水處理流程分為若干控制區(qū)，各控制區(qū)就近設立現(xiàn)場分控站，現(xiàn)場分控站采用“無人職守”模式，由中心控制室對全廠實行全自動化運行控制和管理。

控制系統(tǒng)包括現(xiàn)場檢測及執(zhí)行層級、區(qū)域控制層級、中央監(jiān)控管理層級，系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 污水處理控制系統(tǒng)架構示意

1.1 現(xiàn)場檢測及執(zhí)行層級

現(xiàn)場檢測及執(zhí)行層級由檢測儀表、氣體檢測儀表、控制閥(閘)門、其他電氣設備等組成。

1.1.1檢測儀表

污水處理廠常規(guī)配置的檢測儀表包括： 溫度計、電磁流量計、熱式空氣質量流量計、雷達流量計、超聲波液位計、超聲波污泥界面儀、雷達液位計、電容式液位計、ORP檢測儀、pH計、溶解氧測量儀、電導率檢測儀、污泥濃度計、MLSS檢測儀、總磷分析儀、氨氮分析儀、硝氮分析儀、TOC分析儀、BOD分析儀、自動取樣器等。

除溫度、壓力、濕度儀表采用4～20 mA兩線信號外，其他國際主流品牌的儀表均支持Profibus/Modbus通信協(xié)議，儀表的類型不同，支持的通信方式也不同。以E+H為例，其溫度、流量、液位、簡單分析儀等簡單儀表支持Profibus PA總線通信；超聲波污泥界面儀、污泥濃度計、總磷/氨氮/硝氮/TOC/BOD分析儀等大型儀表支持Profibus DP總線通信。通信傳遞數(shù)據(jù)可通過1根信號線獲取多個參數(shù)，如pH計內(nèi)置溫度補償，采用PA通信可同時獲得pH值及溫度值，不需要再設置溫度測點。同時，通過配套的軟件可在控制室實現(xiàn)對儀表量程的設定、儀表標定、定位器整定等，大幅減少了工廠維護的工作量[2]。

1.1.2氣體檢測儀表

氣體檢測儀表采用4～20 mA信號接入多通道控制器，控制器自帶聲光報警并通過Modbus RTU協(xié)議與PLC通信。

1.1.3控制閥(閘)門

控制閥布置分散，不宜采用氣動執(zhí)行機構，因而使用智能型電動控制閥，電動控制閥既可以通過直流24 V信號控制，又可以通過Profibus DP總線控制。電動控制閥的常規(guī)控制參數(shù)一般有就地控制、就地停、過熱跳車、相位故障、遠程啟停、急停等。若按國內(nèi)傳統(tǒng)設計采用電信號控制，需要敷設2根多芯電纜，占用7個I/O通道。若采用通信的方式，多臺電動閥可串連后使用1根雙絞線接入控制系統(tǒng)，且獲得的參數(shù)遠不止這7個，還包括過載保護、電機溫度、運行時間、斷線監(jiān)測、位置傳送器的監(jiān)控、力矩感應的監(jiān)控、力矩曲線等所有信號。該項目關鍵位置的閥門采用兩種控制方式并存，這樣既可以獲取全部的設備參數(shù)，又可以保證工藝聯(lián)鎖的安全可靠。

1.1.4其他電氣設備

電氣設備的控制采用智能馬達控制中心(MCC)，變頻器、軟啟、高/低壓綜保、多功能表等智能設備均可以通過Profibus DP與PLC通信，由此SCADA系統(tǒng)可得到電機的所有信息。該方案不僅減少了電氣設備監(jiān)控系統(tǒng)的投入，而且可將全廠信息整合到同一個控制系統(tǒng)中，便于工廠的信息管理。

1.2 區(qū)域控制層級

區(qū)域控制層級由PLC及HMI觸摸屏等組成。污水處理控制系統(tǒng)具有輸入輸出開關量多、模擬量少的特點，這正是PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)勢所在[3]。市政污水處理工藝流程為間斷操作，對系統(tǒng)可靠性的要求遠低于石化企業(yè)，且PLC結構簡單、故障率低，所以CPU采用非冗余型即可滿足要求。

PLC機柜上裝有HMI觸摸屏，可調(diào)取整個區(qū)域的組態(tài)畫面，即使PLC與上層通信中斷，分控站仍可對現(xiàn)場設備進行監(jiān)控。當網(wǎng)絡恢復后，中斷期間的數(shù)據(jù)能夠自動補傳到中心控制室的數(shù)據(jù)服務器上，既保持了數(shù)據(jù)的一致性，又保證了操作的靈活性。

1.3 中央監(jiān)控管理層級

中央監(jiān)控管理層級由冗余操作員站、工程師站、冗余數(shù)據(jù)服務器、冗余歷史數(shù)據(jù)服務器、Web服務器、硬件防火墻、打印機等組成。采用客戶端/服務器模式，冗余的服務器同步運行，當1個服務器發(fā)生故障時，另1個服務器自動切換為主服務器，故障解除后自動同步信息至故障服務器。SCADA系統(tǒng)軟件支持最新的網(wǎng)絡瀏覽器，可通過TCP/IP協(xié)議和硬件防火墻訪問或寫入，出水水質參數(shù)公布在監(jiān)管部門的網(wǎng)站上。

2 網(wǎng)絡拓撲

與國內(nèi)傳統(tǒng)污水處理廠不同，國外污水處理更傾向于使用通信的方式傳遞數(shù)據(jù)，且拓撲結構一般為環(huán)形以保證通信的可靠性。以西門子系統(tǒng)為例，其網(wǎng)絡拓撲設置如下。

2.1 中央監(jiān)控管理層級與區(qū)域控制層級間

中央監(jiān)控管理層級與區(qū)域控制層級間為1 000 Mbit/s環(huán)形光纖工業(yè)以太網(wǎng)。中心控制室及各分控站內(nèi)設有千兆級工業(yè)以太網(wǎng)交換機，每個交換機至少包括2個光口，用于組成光纖環(huán)網(wǎng)。當僅有1處光纖發(fā)生故障時，數(shù)據(jù)鏈路可重新整合為線形網(wǎng)絡，達到冗余的作用。

2.2 區(qū)域控制層級內(nèi)

區(qū)域控制層級內(nèi)，CPU與I/O站間為現(xiàn)場總線Profibus DP，其優(yōu)點為對現(xiàn)場檢測儀表及第三方設備的兼容性遠好于Profinet，雖然Profibus DP本身不支持環(huán)網(wǎng)拓撲，但可利用光電轉換器組成光纖環(huán)網(wǎng)，既擴大了通信距離，又提高了抗電磁干擾性。當僅有1處網(wǎng)絡斷點時，可保證通信不受影響，提高了網(wǎng)絡的可用性。

光電轉換器OLM (optical link module)可將Profibus通信介質由電纜轉化為光纖，其常用的拓撲結構一般有： 點對點連接、線形拓撲、星形拓撲、冗余光纖環(huán)網(wǎng)。OLM冗余光纖環(huán)網(wǎng)拓撲結構如圖2所示，需注意該種拓撲結構必須使用雙光纖端口且型號相同的OLM。當僅有1處光纖中斷時，環(huán)網(wǎng)轉化為線形網(wǎng)絡。如果是OLM模板故障，則連接在該模板上的設備將從網(wǎng)絡中被分割，其他設備變成線形連接。

圖2 OLM冗余光纖環(huán)網(wǎng)拓撲結構示意

2.3 區(qū)域控制層級與現(xiàn)場檢測及執(zhí)行層級間

區(qū)域控制層級與現(xiàn)場檢測及執(zhí)行層級間的網(wǎng)絡按儀表通信方式不同，分以下幾種情況。

2.3.1Profibus DP通信

使用“一進一出”的Profibus RS-485插頭將儀表串連起來，當單個儀表故障時，不影響后續(xù)儀表通信；但若通信線中斷，則后續(xù)所有儀表通信中斷。需要注意的設計原則有： 總線長度與傳輸速率有關，總線長度與傳輸速率的關系見表1所列，由表1可知，傳輸速率越快，總線長度越短；按照RS-485串口通信規(guī)范，當網(wǎng)絡中硬件設備超過32個或通信距離超過表1限制時，需要增加中繼器進行物理網(wǎng)段的擴展；電纜的兩端應該連接終端電阻，以消除通信電纜中的信號反射。

表1 總線長度與傳輸速率的關系

2.3.2Profibus PA通信

因區(qū)域控制級內(nèi)的通信協(xié)議為Profibus DP，要將 Profibus PA的儀表整合到系統(tǒng)中，需要用到DP/PA耦合器及接口模塊等卡件。使用方式有兩種： DP/PA耦合器單獨作為DP從站使用；DP/PA耦合器和接口模塊一起作為DP/PA連接器使用。兩種應用的區(qū)別見表2所列。

表2 DP/PA耦合器與連接器應用區(qū)別

使用2個DP/PA耦合器和有源現(xiàn)場分配器AFD (active field distributor)可組成環(huán)網(wǎng)冗余。需要注意的設計原則： 每臺DP/PA 連接器理論上可掛接5臺DP/PA耦合器，但實際應用中不應超過3臺。每臺DP/PA 連接器和1～8臺AFD組成環(huán)網(wǎng)，理論上可連接64臺PA設備，但實際用于控制目的時，每個網(wǎng)段掛接的PA設備不應超過6臺，且同一網(wǎng)段上掛接的閥門數(shù)量不應超過2臺；用于監(jiān)視等非控制目的時，每個網(wǎng)段掛接的PA設備不應超過12臺。1個網(wǎng)段上的總線電纜總長度(干線+支線)不應超過1 200 m，分支線的最大長度取決于主干線上的分支數(shù)量，見表3所列。

表3 PA總線最大允許的分支線長度

2.3.3Modbus 通信

當現(xiàn)場設備不支持以上兩種通信方式時，規(guī)定其使用Modbus RTU通信組合RS-485接口，連接方式與Profibus DP類似，通過Modbus Link接入系統(tǒng)，同樣需遵循RS-485串口通信規(guī)范，此處不再贅述。

3 結束語

該國外市政污水處理控制系統(tǒng)主要采用通信的方式傳遞數(shù)據(jù)，并通過環(huán)網(wǎng)冗余提高了通信的可靠性，減少了傳統(tǒng)設計中大量的I/O卡件及硬線電纜敷設，降低了系統(tǒng)造價，且通信可獲取智能設備的完整信息，將傳統(tǒng)的被動維護轉化為主動維護，降低了因設備故障導致停車的概率，為污水處理廠平穩(wěn)運行提供了保障。

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