李波

（中鐵建發(fā)展集團(tuán)有限公司北京水務(wù)分公司，北京 100043）

0 引言

自動(dòng)控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，其中分散控制系統(tǒng)（distributed control system, DCS）和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（fieldbus control system, FCS）在大型電廠和化工廠等流程行業(yè)中比較普遍，PLC 在離散型制造業(yè)中比較流行。一般污水處理廠中，使用PLC 的比較多[1]。但位于西北某市的X 大型污水處理廠采用了常規(guī)循環(huán)活性污泥工藝法（cyclic activated sludge system,CASS）對(duì)生活污水進(jìn)行處理，最大處理量為5 萬t/d。鑒于其規(guī)模比較大，對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)定性的要求較高，故采用了冗余的DCS 系統(tǒng)，對(duì)全廠生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控。從污水廠投產(chǎn)以來，這套DCS 系統(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定，有效提高了全廠生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，降低了人員數(shù)量和勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 污水工藝介紹

生活污水處理主要是居民日常排出的污水，主要包括清潔污水、排泄污水和廚房污水，廢水中包含脂肪、尿素、蛋白質(zhì)和碳水廢物等，處理方法為預(yù)處理+生化處理，常見工藝有上流式厭氧污泥床（Up-flow Anaerobic Sludge Bed/Blanket, UASB）、缺氧/好氧（Anoxic/Oxic,A/O）工藝、序批式活性污泥法工藝法（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process, SBR）、CASS、生物濾池、膜生物流花床、活性污泥、水解酸化+好氧池、微電解法等處理工藝，將廢水中有機(jī)污染物氧化降解成無害物質(zhì)[2]。CASS 工藝是在間歇式活性污泥法的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，主要過程分成曝氣、沉淀、排水、閑置四個(gè)階段，周期循環(huán)進(jìn)行。污水連續(xù)進(jìn)入預(yù)反應(yīng)區(qū)，經(jīng)隔墻底部進(jìn)入主反應(yīng)區(qū)，在保證充足供養(yǎng)的條件下，在分解池中將有機(jī)物降解。具有占地較小、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低、技術(shù)成熟、工藝穩(wěn)定的特點(diǎn)，具體有格柵井、CASS 池、鼓風(fēng)機(jī)房、加藥間、儲(chǔ)泥池、脫水機(jī)房、分解消毒池組成[3]。其四階段細(xì)節(jié)如下。

（1）曝氣階段：邊進(jìn)水邊曝氣，活性污泥從主反應(yīng)區(qū)回流，回流量約為污水量的20%。曝氣裝置向反應(yīng)池中充氧，既滿足好氧生物的需求，又利于有機(jī)物與活性污泥混合與接觸。

（2）沉淀階段：停止曝氣，澄清上清液和濃縮污泥，微生物利用溶解氧（dissolved oxygen, DO）進(jìn)行氧化分解，反應(yīng)池也由好氧狀態(tài)轉(zhuǎn)向缺氧狀態(tài)，開始進(jìn)行硝化反應(yīng)?；钚晕勰喑恋剿祝蠈铀兦?。

（3）排水階段：沉淀結(jié)束后，反應(yīng)池末端潷水器開始工作，從上到下逐漸排出清水。潷水器是整個(gè)CASS 工藝的關(guān)鍵設(shè)備。

（4）閑置階段：閑置階段是潷水器上升到原始位置階段。主要目的是周期結(jié)束轉(zhuǎn)為下個(gè)周期，為反應(yīng)池提供時(shí)間以完成它的整個(gè)周期。

2 DCS 控制介紹

2.1 DCS 系統(tǒng)的選型

該DCS 系統(tǒng)是新華控制的Nexus，細(xì)節(jié)如下：①共4 對(duì)分布式控制單元（distributed processing unit, DPU）電源柜和網(wǎng)絡(luò)柜一共8 個(gè)柜子，總點(diǎn)數(shù)在1200 點(diǎn)內(nèi)?？刂七壿嫴粡?fù)雜，基本以單體設(shè)備操作為主，有簡(jiǎn)單的邏輯關(guān)系。②上位控制站的畫面組態(tài)色彩豐富，組態(tài)便捷，控制器邏輯由可視化的模塊搭建，模塊功能強(qiáng)大，邏輯實(shí)現(xiàn)方便，可在線修改邏輯。③包含一個(gè)遠(yuǎn)程輸入輸出（input output, IO）控制柜，方便就地安裝，節(jié)省了電纜敷設(shè)距離[4]。④系統(tǒng)價(jià)格比較優(yōu)惠，是這個(gè)系列產(chǎn)品在大型污水處理中的首次使用。

與常規(guī)PLC 控制方案比較，此DCS 控制系統(tǒng)具有更強(qiáng)大的功能和穩(wěn)定性，在滿足實(shí)際生產(chǎn)需求的同時(shí)，價(jià)格也比較優(yōu)惠。

2.2 Nexus DCS 系統(tǒng)的特點(diǎn)

Nexus 是新華控制最新一代的DCS 控制傳統(tǒng)，由高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和連接在網(wǎng)絡(luò)上的人機(jī)交互計(jì)算機(jī)（man machine interface, MMI）與DPU 三部分組成。DPU面向被控制對(duì)象，進(jìn)行快速數(shù)據(jù)輸入和輸出處理，以及閉環(huán)控制計(jì)算，完成報(bào)警檢測(cè)、接收操作指令和邏輯修改指令[5]。

MMI 包括操作員站（operation unit, OPU）、工程師站（engineer station, ENG）、歷史數(shù)據(jù)站（historian unit,HSU）。面向操作員以流程圖、棒狀圖、曲線、表格、按鈕等方式提供數(shù)據(jù)，解釋操作指令并送到DPU 中進(jìn)行執(zhí)行。

Nexus 控制系統(tǒng)采用兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)模式，包括連接全局的UDH 全局高速工業(yè)以太網(wǎng)和IO 總線，中央集控室設(shè)置3 臺(tái)操作員站，機(jī)房有7 個(gè)控制柜，包括電源柜、網(wǎng)絡(luò)柜以及5 個(gè)控制柜，在現(xiàn)場(chǎng)電氣配電間有1 個(gè)遠(yuǎn)程IO 柜。

通過現(xiàn)場(chǎng)控制、集中監(jiān)視的方式來實(shí)現(xiàn)信息的傳遞和交互，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了提升泵、CASS 池、鼓風(fēng)機(jī)房、加藥間、儲(chǔ)泥池、脫水機(jī)房、分解消毒池的控制，控制范圍包括電氣設(shè)備的啟停及保護(hù)、生產(chǎn)參數(shù)監(jiān)控等[6]。信息監(jiān)控主要以集控室為主，實(shí)現(xiàn)了操作員站與大屏幕顯示信息的聯(lián)通與互動(dòng)。

2.3 DCS 系統(tǒng)配置及構(gòu)成

Nexus 系統(tǒng)具有冗余容錯(cuò)的系統(tǒng)架構(gòu)，包括冗余的網(wǎng)絡(luò)，冗余的控制器，冗余的電源，冗余的IO 總線；靈活分散的系統(tǒng)布置，強(qiáng)大的現(xiàn)場(chǎng)總線，先進(jìn)的優(yōu)化控制算法。其中，總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

冗余高速全局網(wǎng)絡(luò)：包括A 網(wǎng)和B 網(wǎng)兩個(gè)冗余的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，將DPU 各控制器和MMI 站（包括操作員站、工程師站和歷史站）連接起來，網(wǎng)速為100/1000M自適應(yīng)；A/B 兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)工作，同步傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行報(bào)警提示，同時(shí)不影響另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行。冗余DPU 控制器：所有控制器成對(duì)出現(xiàn)，互為備用，任何一個(gè)時(shí)間，其中一個(gè)為主控制器，另一個(gè)為備用控制器，兩個(gè)控制器同時(shí)接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和操作指令，但同一時(shí)間，只執(zhí)行其中的一個(gè)指令，當(dāng)主控制器故障時(shí)，將備用控制器自動(dòng)切換成主控制器。冗余電源則是在每個(gè)機(jī)柜同時(shí)輸入兩路220V 交流電源，同時(shí)機(jī)柜內(nèi)安裝有兩套5V 和24V 的直流電源，冗余的電源間互為備用，當(dāng)其中一路缺電或故障時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，但不影響系統(tǒng)使用。冗余IO 總線如圖2所示，每對(duì)控制器下可以掛多個(gè)工作站，A/B 控制器與工作站間的IO 模塊通信也是冗余的，通信接口的單一故障不影響系統(tǒng)通信[7]。

圖2 OC 6000e Nexus IO 通信系統(tǒng)

#1DPU 冗余控制單元主要負(fù)責(zé)控制范圍包括污水格柵井、提升泵、污水沉砂池、#1CASS 池、#2CASS 池、#3CASS 池、#4CASS 池等所有主要設(shè)備、附屬設(shè)備，以及各種測(cè)量參數(shù)。#2DPU 冗余控制單元主要負(fù)責(zé)控制范圍包括鼓風(fēng)機(jī)房、污水儲(chǔ)泥池、流量井流量測(cè)量裝置、接觸消毒池等所有的主要設(shè)備和附屬設(shè)備，以及各種測(cè)量參數(shù)等。#3DPU 冗余控制單元主要負(fù)責(zé)控制范圍包括加藥間的電磁閥、隔膜泵、攪拌器、氣動(dòng)門、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以及電流、電壓等測(cè)量參數(shù)[8]。遠(yuǎn)程IO 站，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)離主控系統(tǒng)的所有外圍設(shè)備的監(jiān)控。

3 DCS 系統(tǒng)軟件

DCS 軟件主要包括上位MMI 畫面組態(tài)軟件、DPU邏輯控制軟件，以及安全監(jiān)控軟件。

3.1 邏輯控制軟件

圖形化邏輯工具SystCFG，具有豐富的控制算法庫(kù)（基本控制/高級(jí)控制/診斷），具有如下特點(diǎn)：①在線、自動(dòng)維護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)；②增強(qiáng)的安全功能-邏輯加鎖、口令保護(hù)；③在線組態(tài)/調(diào)試，無須編譯/重啟控制器；④支持虛擬控制器及IO 通道仿真。

3.2 操作員軟件和趨勢(shì)顯示工具

過程控制畫面顯示工具FigView，具有人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)的過程顯示元素，結(jié)構(gòu)化的流程框圖設(shè)計(jì)及菜單系統(tǒng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)備操作面板，豐富的過程狀態(tài)信息及操作指導(dǎo)。

趨勢(shì)顯示工具Trend，具有歷史、實(shí)時(shí)顯示能無縫銜接，多光標(biāo)截取，可隨時(shí)隱藏或顯示選中的曲線，并且具有趨勢(shì)導(dǎo)出功能。

3.3 歷史收集及報(bào)表

Nexus 系統(tǒng)歷史收集功能強(qiáng)大，無點(diǎn)數(shù)的限制，將1000 多外接入的信號(hào)和系統(tǒng)中的中間信號(hào)點(diǎn)共計(jì)2500 多都成功收集；主要特點(diǎn)及功能：①可定義的采集死區(qū)和周期，有效控制數(shù)據(jù)采集量。②可選擇抽取、生成數(shù)據(jù)文本文件。③快速、高保真壓縮存儲(chǔ)，滿足長(zhǎng)時(shí)間歷史數(shù)據(jù)收集需求。④支持周期性、事件型、觸發(fā)型等多種報(bào)表工具。⑤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，對(duì)生產(chǎn)過程中重要設(shè)備的工藝參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)等進(jìn)行儲(chǔ)存，需要時(shí)能及時(shí)調(diào)取查看。⑥操作記錄，對(duì)生產(chǎn)過程中操作人員的操作指令實(shí)時(shí)記錄，如調(diào)節(jié)設(shè)備操作，電機(jī)的啟停操作等等，并且支持實(shí)時(shí)按節(jié)點(diǎn)或設(shè)備查找及篩選[9]。⑦歷史數(shù)據(jù)記錄及展示，對(duì)所有保存記錄的歷史數(shù)據(jù)，支持以曲線或數(shù)據(jù)的方式展示或?qū)С觥＂嗝艽a保護(hù)，各操作員站、歷史站、工程師站、DPU 控制器等都有密碼設(shè)置，需要輸入密碼后才能獲得相應(yīng)的權(quán)限。⑨打印功能，曲線打印、報(bào)表打印、圖形打印、操作記錄打印。

4 系統(tǒng)使用情況

該工程于2016 年3 月份運(yùn)行以來，DCS 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定無故障情況，此系統(tǒng)在污水廠的有效落地使用，大幅提升了全廠自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)了操作遠(yuǎn)程化，控制集中化，全廠所有的設(shè)備和生產(chǎn)過程在一個(gè)系統(tǒng)中得以全部監(jiān)控，有效支撐了生產(chǎn)的持續(xù)性和高負(fù)荷。并且Nexus 系統(tǒng)上手方便，操作人員及工程技術(shù)人員無須經(jīng)過復(fù)雜長(zhǎng)期的培訓(xùn)，即可勝任崗位。該污水廠生產(chǎn)以及工藝水平得到了各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)部門的良好的評(píng)價(jià)。

5 結(jié)語

常規(guī)PLC 控制算法簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，污水生產(chǎn)工藝的要求不高，因此在污水處理廠中得到了廣泛應(yīng)用。隨著污水處理廠的規(guī)模越來越大，工藝要求越來越高，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制邏輯的完備性也提出了更高的要求，DCS 作為做成熟的，面向復(fù)雜流程的控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)、控制器、電源等往往都采用一備一用的冗余技術(shù)，來保證控制的高效實(shí)時(shí)和系統(tǒng)穩(wěn)定性。DCS 的這些特點(diǎn)，很好的契合了大型污水處理廠的自動(dòng)化需求，同時(shí)工程造價(jià)相比PLC 也不貴，具有良好的應(yīng)用前景。