试论污水处理自动化系统的现状和总体设计研究

郇春苗

【摘要】随着社会进步，经济发展，生活水平不断提高，人类改造生态环境的能力和范围不断扩大，而污水处理行业占据了重要的地位。但是污水处理行业在我国相对其它行业或和国外相比还较落后。本文介绍了我国污水处理自动化控制系统的研究现状与发展趋势，研究基于计算机控制技术的污水自动化处理过程控制系统，具有重要的现实意义。

【关键词】污水处理；自动化；设计研究

一、污水处理自动化系统的现状

污水处理工艺发展很快，一些复杂高效工艺的出现，使自控系统从经验式固定程序向智能化发展。特别是一些重要的工艺环节如絮凝加药、泵站调度、二次生化等采用先进的检测仪器和智能化的控制方式，不仅可以提高处理效果，而且可以获得明显的经济效益，对污水厂的经济运行意义重大。因此，在自控系统设计时，应积极地引入新的控制方法和控制设备。应在设计过程中考虑合理地平衡进口设备和国产配套设备的比例。坦率地说，国产自控设备在目前很难得到广泛应用，进口设备将占主导地位。但自控系统、仪表、执行设备的国产化和系列化已成必然，一些引进设备在软、硬件上出现问题造成系统无法运行的情况也常常发生，特别是备品、备件和软件接口问题困扰着不少污水处理厂，因此应在系统设计时重点开发国产软、硬件设备。开发在线式连续测量的COD仪、TOC仪、氨氮仪、污泥浓度仪、沼气流量计。改善溶解氧仪、pH仪、水位计在污水环境中的运行性能。

二、污水处理自动化控制系统的总体设计

（一）系统网络选择

由上面工艺流程知该污水处理厂采用三级处理：机械预处理、生化处理和污泥处理（包括污泥浓缩和污泥脱水）。从处理方法上来看，分别是物理法、生物法和化学法。再从设备分布的位置来看，可以划分为四个子站：机械预处理子站、生化处理子站、污泥浓缩子站、污泥脱水子站。通常情况下，基础自动化系统都包括现场设备控制系统和上位监控系统，这样就要考虑到两者之间采用何种网络连接合适的问题。从上面分析可知现场设备控制层（即四个PLC站）和上位监控层的网络应该采用工业以太网的结构。从设备的装备水平来看，该系统引进了国外先进设备：如带DP口的智能马达控制器、带DP口的高压综合保护装置、带DP口的低压智能测量装置等。所以现场设备控制层宜采用现场总线的结构。当前适用于工业应用的网络主要有DCS局部网络、工业以太网、现场总线网络三种。采用何种网络，很大程度上取决于应用需要，如网络大小，数据量，节点数，扩展能力等。DCS集散型控制系统：各厂家的系统网络大多按各制造厂自身的通讯协议工作，影响了综合自动化系统的完整性与可靠性，开放性和可扩充性都较差。工业以太网是一种能够遵循IEEE802.3国际标准，开放式的、多供应商、高性能区域和单元级网络。工业以太网能够以高达100Mbi确的速度实现广泛的、开放的网络解决方案。其特点为：启动快速，灵活性大，可靠性高，无限的通信性能，覆盖极为广泛的企业应用，在整个公司范围实现通信，投资可靠。以太网中可以采用双绞线网络（网络最大可扩展140米，两个网络节点间的最大距离为100米）、三同轴网络和光纤网络。

（二）系统总体结构

通过上面的分析，结合污水处理厂的实际，本课题选择工业以太网作为上位机和下位机（PLC）之间的通信网络。同时，从各子站的智能设备的数量统计来看，完全满足总线上最多可挂接127个站点的要求。PLC与现场智能设备采用现场总线的方式连接，构成现场总线控制系统（FCS）。PLC是选用西门子的57一400，所以进一步说，采用PROFIBUS现场总线网络。另外，由于四个站点是跨越整个厂区，距离远，采用光纤环网的结构，使其可靠性增大，如网络中的某个节点或某台设备损坏，并不影响数据的正常通信。

（三）控制回路网络设计

在介绍各控制回路网络设计之前先对工业以太网、现场总线进行一下介绍。所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。随着互联网技术的发展与普及推广，Ethemet技术也得到了迅速的发展， Ethemet传输速率提高和Ethemet交换技术的发展，给解决Ethemet通信的非确定性问题带来了希望，并使Ethernet全面应用于工业控制领域成为可能。目前工业以太网技术的发展体现在以下几个方面

1、通信确定性与实时性

工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它满足控制作用对实时性的要求，即信号传输要足够的快和满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于Ethernet采用CD碰撞检测方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求，因此传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，一直被視为非确定性的网络。但是快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机，使这一应用成为可能。首先，Ethemet的通信速率从10M、100M增大到如今的1000M、IOG，在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞机率大大下降。其次，采用星型网络拓扑结构，交换机将网络划分为若干个网段。Ethemet交换机由于具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞；同时交换机还可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其它网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。再次，全双工通信又使得端口间两对双绞线（或两根光纤）上分别同时接收和发送报文帧，也不会发生冲突。因此，采用交换式集线器和全双工通信，可使网络上的冲突域不复存在（全双工通信），或碰撞机率大大降低（半双工），因此使Ethernet通信确定性和实时性大大提高。

2、稳定性与可靠性

Ethemet进入工业控制领域的另一个主要问题是，它所用的接插件、集线器、交换机和电缆等均是为商用领域设计的，而未针对较恶劣的工业现场环境来设计（如冗余直流电源输入、高温、低温、防尘等），故商用网络产品不能应用在有较高可靠性要求的恶劣工业现场环境中。最近刚刚发布的IEEE802.3标准中，对Ethemet的总线供电规范也进行了定义。此外，在实际应用中，主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线，对于重要的网段还可采用冗余网络技术，以此提高网络的抗干扰。

参考文献：

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