邱文貴

中聯(lián)環(huán)股份有限公司，福建廈門，361001

0 引言

隨著人們生活用水和工廠工業(yè)用水幅度的提升，污水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性面臨著極大的考驗。如今，全球自動化控制水平和物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)快速發(fā)展，從工業(yè)1.0到現(xiàn)在的工業(yè)4.0，現(xiàn)場總線控制技術(shù)也越來越廣泛地運用在工業(yè)控制領(lǐng)域。傳統(tǒng)的自動化控制系統(tǒng)，經(jīng)過不斷演變、更新，經(jīng)過傳統(tǒng)復(fù)雜的繼電器控制，再到PLC可編程控制技術(shù)，到如今廣泛使用的遠(yuǎn)程I/O分布式以及現(xiàn)場總線控制，系統(tǒng)也越來越先進(jìn)合理、智能化。

1 技術(shù)背景

一般情況下，傳統(tǒng)的污水處理控制系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)置多個遠(yuǎn)程I/O站，在污水處理工藝的各功能車間配置電氣控制站，且在設(shè)備的機(jī)旁設(shè)置按鈕控制箱來控制現(xiàn)場設(shè)備，各種儀表需要有電源線，信號電纜接入PLC模擬量輸入模塊。遠(yuǎn)程I/O站點的PLC采集現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)信號及儀表模擬量信號。傳統(tǒng)的控制方式，現(xiàn)場的電氣線路異常復(fù)雜，工程施工量大，現(xiàn)場可能存在強(qiáng)電弱電交叉情況，干擾大，也會給系統(tǒng)控制準(zhǔn)確度以及后續(xù)的運營造成較大的故障因素。本文在污水處理實際項目工藝控制及檢測過程中運用了現(xiàn)場總線控制技術(shù)，改善了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，節(jié)省了工程承包成本，實現(xiàn)了一條電纜連接多臺設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡單，傳輸質(zhì)量可靠[1]。

各種現(xiàn)場總線技術(shù)不斷推陳出新、標(biāo)準(zhǔn)化，程序逐漸模塊化。地埋式污水處理系統(tǒng)也需要對控制系統(tǒng)進(jìn)行升級，不斷改進(jìn)、優(yōu)化，使控制系統(tǒng)具備更高的靈敏性和靈活性，滿足社會要求。

2 地埋式污水處理系統(tǒng)

由于地埋式污水處理中需要的控制設(shè)備多，污染物的控制指標(biāo)多，需要的儀表也多，污水處理過程中我們通常先使用格柵設(shè)備去除粗大塊狀物質(zhì)，然后通過沉淀及其他生化反應(yīng)系統(tǒng)去除其他有機(jī)物，這都需要設(shè)備及相關(guān)儀表來實現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)就需要繁雜的控制線路來實現(xiàn)，這就需要綜合采用各種控制方法、手段，來實現(xiàn)工藝控制要求，實現(xiàn)出水各項水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到相關(guān)部門及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求[2]。

地埋式污水處理控制系統(tǒng)應(yīng)盡可能采用集中管理，能夠共享數(shù)據(jù)的設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備應(yīng)采用集中分散相結(jié)合的控制方式?？刂葡到y(tǒng)需要同時具備過程控制的實時響應(yīng)及過程檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和實時、設(shè)備操作簡便、控制穩(wěn)定、界面友好易懂和設(shè)備自動故障報警停止的功能。特別是水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)必須穩(wěn)定、實時、準(zhǔn)確傳輸，保證污水處理達(dá)標(biāo)要求等。

2.1 控制網(wǎng)絡(luò)選擇分析

地埋式污水處理控制系統(tǒng)應(yīng)該具備很好的可靠性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性以及設(shè)備的故障狀態(tài)下的自動報警及恢復(fù)等系統(tǒng)的安全聯(lián)動。在現(xiàn)有的一些網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)條件下，其采用不同的傳輸標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使得在信號的傳輸過程中，各種傳輸設(shè)備、信號類型、信息量大小和傳輸?shù)乃俣?、校驗類型、信息編碼、協(xié)議以及系統(tǒng)反應(yīng)的時間不盡相同，從而可能導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。所以需要構(gòu)建一個整體的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，運用總線控制技術(shù)，使系統(tǒng)中的各設(shè)備儀表的傳輸協(xié)議得到有效統(tǒng)一，信號傳輸集成到一根總線上，使現(xiàn)場工藝設(shè)備儀表實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)，從而能監(jiān)控其設(shè)備的運行狀態(tài)[3]。

2.2 系統(tǒng)總體構(gòu)成

控制系統(tǒng)由各單元系統(tǒng)通過相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，需要根據(jù)要求配置硬件及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，通過以太網(wǎng)或者其他相應(yīng)的總線連接起來，形成整個控制系統(tǒng)模型，從而實現(xiàn)工藝過程控制。目前本控制系統(tǒng)中主要是由污水工藝設(shè)備系統(tǒng)、中控室監(jiān)控中心、PLC中心控制站及遠(yuǎn)程I/O分站、過程儀表、成套設(shè)備控制系統(tǒng)、水泵風(fēng)機(jī)變頻器智能控制、視頻監(jiān)控、在線監(jiān)控數(shù)采儀數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集傳輸這些子模塊組成。把整個控制系統(tǒng)框架具體可分為三個控制層次，分別是現(xiàn)場設(shè)備層、過程控制層和中控室監(jiān)控層?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

本控制系統(tǒng)中PLC中心控制站與PLC遠(yuǎn)程I/O分站及變頻器設(shè)備采用PROFINET總線通訊協(xié)議。即我們的PLC一般采用西門子系列，其具備PROFINET通訊協(xié)議，變頻器配置有PROFINET通訊模塊，使其也具備PROFINET通訊協(xié)議，通過西門子博途軟件，對其硬件組態(tài)，模塊化編程，即可能實現(xiàn)PLC對變頻器的讀寫控制訪問，從而實現(xiàn)一條總線控制系統(tǒng)內(nèi)的多臺變頻器的控制，節(jié)省了變頻器的按鈕啟?？刂啤㈩l率及其相關(guān)的反饋信號的模擬量電纜的復(fù)雜的傳統(tǒng)的線路控制。在此過程中，需要對各個設(shè)備的IP地址、設(shè)備名稱進(jìn)行定義、分配，系統(tǒng)內(nèi)的名稱、地址必須是唯一的。通過實際運用，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，可實現(xiàn)控制系統(tǒng)由分散式向集成化推進(jìn)，總線通信技術(shù)是未來發(fā)展趨勢的一種驗證。該系統(tǒng)中的相關(guān)電氣、設(shè)備和控制軟件等具有獨立功能，各設(shè)備單元之間通過使用PROFINET連接。運用西門子博途軟件，用圖形化組態(tài)、梯形圖編程的方式來實現(xiàn)各設(shè)備之間的通訊配置，從而方便工程人員對項目的編程及調(diào)試，使污水處理控制系統(tǒng)更快、更具靈活地對實際運行情況做出響應(yīng)[4]。

控制系統(tǒng)中流量計、數(shù)采儀及各水質(zhì)分析儀表等采用MODBUS總線通訊協(xié)議，各現(xiàn)場設(shè)備帶有485接口，上位機(jī)數(shù)據(jù)采集端通過接口轉(zhuǎn)化模塊可將485接口轉(zhuǎn)換成TCP接口，將MODBUS總線更友好地接入TCP網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)設(shè)備更簡便地接入到控制系統(tǒng)中。系統(tǒng)中流量計及水質(zhì)分析儀表采用Modbus RTU協(xié)議，采用485接口，將各個儀表以手拉手方式串接起來，PLC端配置有Modbus Rtu采集模塊，最終將各儀表的485接口接入采集模塊的接線端。然后通過采集編程軟件，硬件組態(tài)，編程解析出采集數(shù)據(jù)。采用一根通訊電纜上帶多臺控制設(shè)備、儀表的方式，這就需要對整個系統(tǒng)進(jìn)行整體的統(tǒng)籌規(guī)劃，各個設(shè)備的地址、IP地址等都需要提前規(guī)劃設(shè)置。定義好波特率、數(shù)據(jù)位及檢驗碼等，實現(xiàn)上位機(jī)對各儀表數(shù)據(jù)的讀取。環(huán)保數(shù)采儀采用MODBUS TCP通訊協(xié)議，進(jìn)出水質(zhì)環(huán)保數(shù)采儀設(shè)置IP地址，上位機(jī)組態(tài)軟件直接通過以太網(wǎng)讀取數(shù)采儀里面的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)，然后對水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計及匯總自動生成數(shù)據(jù)報表提供給運營等相關(guān)單位。

本控制系統(tǒng)中各個成套設(shè)備與PLC中央控制器采用西門子S7通訊。設(shè)備采購時統(tǒng)一要求成套設(shè)備的供應(yīng)商采用西門子系列PLC控制器，使其系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備都具備S7通訊協(xié)議，方便后續(xù)編程調(diào)試。該通訊協(xié)議遵循傳統(tǒng)的主從模式，其中主站PLC將S7請求發(fā)送到現(xiàn)場成套設(shè)備。當(dāng)PLC作為通信主站時，通過西門子博途軟件程序塊向其他成套設(shè)備發(fā)起讀寫數(shù)據(jù)請求。相對于西門子PROFINET通訊協(xié)議，S7通訊協(xié)議是西門子公司內(nèi)部的通訊協(xié)議，沒有對外公開，對于都是采用西門子控制器的設(shè)備來說，其組網(wǎng)更方便，編程、調(diào)試更簡單。

現(xiàn)場設(shè)備層主要是對現(xiàn)場工藝設(shè)備的控制，通過在現(xiàn)場設(shè)備集中處設(shè)置PLC遠(yuǎn)程I/O分站，實現(xiàn)分布式的I/O鏈接，與現(xiàn)場PLC遠(yuǎn)程I/O控制分站之間的通訊采用西門子PROFINET通訊協(xié)議?，F(xiàn)場的工藝設(shè)備風(fēng)機(jī)、水泵、現(xiàn)場閥門以及過程儀表等，直接面對污水處理工藝過程，是整個控制系統(tǒng)的控制對象，是污水處理中最底層的設(shè)備。現(xiàn)場工藝控制設(shè)備主要包括對集水井、調(diào)節(jié)池、預(yù)處理系統(tǒng)中的格柵、除砂系統(tǒng)、膜格柵、厭氧池、缺氧池、好氧池、膜池、出水再生水池進(jìn)出水取樣等位于水池中的各類水泵、風(fēng)機(jī)、攪拌器、回流泵、加藥泵、電氣動閥門等工藝設(shè)備的控制。

過程控制層是控制系統(tǒng)的核心硬件組成，是由控制器PLC、485采集模塊、無線設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和輸入輸出設(shè)備構(gòu)成各個PLC遠(yuǎn)程I/O分站。主要是PLC控制器及其數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)對工藝設(shè)備的各個運行、故障及遠(yuǎn)程狀態(tài)信號的采集，儀表信號、成套設(shè)備的控制、狀態(tài)采集。其搭建構(gòu)成系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，是整個控制系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)。

中控室監(jiān)控管理層，是由中控室上位機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和中控大屏等組成。主要采用工控機(jī)開發(fā)上位機(jī)組態(tài)軟件，為現(xiàn)場運營操作人員提供友好的控制界面，上位機(jī)平臺及畫面應(yīng)能準(zhǔn)確及時反映工藝生產(chǎn)過程中設(shè)備狀態(tài)及其檢測儀表的檢測數(shù)據(jù)，是實現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)記錄及人機(jī)交互的關(guān)鍵所在，上位機(jī)數(shù)據(jù)庫軟件還應(yīng)將工藝控制過程數(shù)據(jù)信息及時傳輸給現(xiàn)場運營工作人員以及領(lǐng)導(dǎo)管理層，保證整個控制系統(tǒng)具備完整性、安全性和可靠性[5]。

2.3 地埋式污水處理工藝的自動化控制

地埋式污水處理生產(chǎn)是連續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)的過程，目前一直朝著無人值守的方向在發(fā)展，其控制過程參數(shù)眾多，需要對其工藝設(shè)備及過程儀表進(jìn)行實時監(jiān)測，保證數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量、工藝控制過程安全可靠以及動態(tài)響應(yīng)迅速。地埋式污水處理工藝是先采用預(yù)處理，然后通過厭氧處理、缺氧處理、脫氧處理及好氧曝氣處理等生化反應(yīng)，加藥混合過濾，從而降低污水中污染物的含量，保證出水水質(zhì)指標(biāo)得到有效的監(jiān)測和控制，使得工藝過程有序、合理及安全，達(dá)到污水處理最優(yōu)化的生產(chǎn)處理效果[6]。

在地埋式污水處理好氧池的曝氣過程中，需要保持好氧池內(nèi)的溶解氧處于可控的范圍之內(nèi)。在系統(tǒng)控制過程中，需要分析相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，并能及時進(jìn)行鼓風(fēng)機(jī)的運行頻率控制，進(jìn)而控制好氧池內(nèi)的曝氣量，此處理過程是一個動態(tài)的工藝控制調(diào)節(jié)流程。此過程我們可以運用博途軟件PID控制器，以污水中的溶解氧參數(shù)作為控制量，實時監(jiān)測溶解氧的數(shù)據(jù)，通過增大或減小鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，使污水中的溶解氧保持一個恒定的設(shè)定值。

MBR膜設(shè)備是一個比較精細(xì)的設(shè)備，對控制要求很高。一般需要對其跨膜壓差、出水濁度等工藝參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控，如有數(shù)據(jù)超出運營安全范圍，及時進(jìn)行相關(guān)的保護(hù)措施。我們需要按廠家提供的步序?qū)υO(shè)備進(jìn)行控制，定時、定量啟動出水程序，如設(shè)備的運行數(shù)據(jù)超過一定的數(shù)值還需要自動啟動日常反洗及加藥反洗程序，啟動污泥排泥程序等過程。這個過程需要運用PROFINET通信網(wǎng)絡(luò)控制變頻器設(shè)備，運用PID控制器調(diào)節(jié)控制設(shè)備的運行速度，使其滿足工藝的要求。MBR膜出水處理工藝采用比例、積分及微分進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)，以流量作為控制參數(shù)，實現(xiàn)按需求啟動出水的過程控制。該成套系統(tǒng)利用工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸方式，可以極大地提高整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。另一方面也能提高控制的精確度和穩(wěn)定度，對系統(tǒng)實時性和智能性具有非常重要的意義[7]。

3 技術(shù)難點及總結(jié)

以上介紹的污水處理控制系統(tǒng)采用的現(xiàn)場總線技術(shù)，建立通訊的過程中，我們需要對各個廠家不同的設(shè)備及儀表的通訊功能協(xié)議進(jìn)行深入分析，了解其硬件構(gòu)成及內(nèi)部的數(shù)據(jù)組成?，F(xiàn)場調(diào)試過程中，需要測試通信網(wǎng)絡(luò)，調(diào)試各個設(shè)備，解析數(shù)據(jù)，分析其協(xié)議的功能代碼，運用各種輔助調(diào)試軟件，需要熟練掌握軟件、設(shè)備的使用及操作，對發(fā)現(xiàn)的故障通信等問題進(jìn)行理論分析，現(xiàn)場工程師需要掌握實際現(xiàn)場測試程序相關(guān)功能塊的使用[8]，需要具有扎實的理論基礎(chǔ)和調(diào)試經(jīng)驗。

4 結(jié)論

總之，總線控制技術(shù)可廣泛運用在地埋式污水處理控制系統(tǒng)中，其具有可操作性，極具可推廣性。采用現(xiàn)場總線控制技術(shù)，能使污水處理控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和過程控制數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性得到有效提升，降低工程建造成本。隨著物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展，底層的過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也需要更新?lián)Q代，現(xiàn)場總線控制技術(shù)作為其成員也將越來越廣泛地運用在各種控制系統(tǒng)中。