基于PLC的DCS控制系統在污水處理廠中的應用
摘 要：介紹基于PLC的DCS控制系統在污水處理廠的應用。與傳統的DCS系統相比，以該方式搭建的DCS控制系統滿足了污水處理廠自動化生產的需要，實現了系統配置的靈活性，降低了造價。
關鍵詞：可編程控制器；工業以太網；分散控制系統（DCS）；污水處理；CASS；
（Rockwell Automation Chongqing Ofice，Chongqing 400010）
Abstract：This paper introduces the application of DCS based on PLC．Compared with the old DCS，this can meetthe needs of automatic operation of the sewage plant．Besides，it is much more flexible and low cost．
Key words：PLC；industrial ethernet；DCS；sewage treatment；CASS
隨著國民經濟建設的快速發展，各級政府對環境保護更加關注，各地陸續新建了一大批污水處理廠。這些新建的污水處理廠根據自身特點，對控制系統的性能和價格提出了新的要求。
重慶市奉節污水處理廠采用CASS工藝對生活污水進行處理，日處理量為3萬噸。其DCS系統以高性價比的PLC為控制單元，采用商用計算機為監控站。整個系統在實現生產自動化的情況下，有效降低了系統成本，從2004年投產至今運行情況良好。
1 生產工藝簡介
污水處理是一種連續的生化反應過程，有氧化溝工藝、AO、SBR、CASS等眾多不同的處理工藝。奉節污水處理廠所采用的污水處理工藝為新型改良CASS（Cyclic Activated Sludge System，循環式活性污泥法）工藝，屬于改進型SBR工藝的一種，由格柵井、CASS池、鼓風機房、加藥間、儲泥池、脫水機房、接觸消毒池組成。該工藝具有以下特點：
（1）可升降的潷水器最大限度降低了排水水流對底部沉淀污泥擾動。
（2）抗沖擊力強，對難降解有機物的去除效率高，同時具有脫氮除磷功能。
（3）工藝流程短，占地面積小，建設費用低，運轉費用省。
（4）管理簡單，運行可靠，出水水質好，無異味。
（5）污泥產量低，污泥性質穩定，不發生污泥膨脹。
2 DCS控制系統選型及硬件配置
2．1 DCS系統的選型
重慶市奉節口前污水處理廠為三峽庫區國債項目建設的第一批污水處理廠，根據實際的工藝要求及建設特點，該項目對控制系統提出了如下要求：
（1）受控設備控制點數在800點內。控制工藝較為復雜，但是我們所需要的算法并不復雜，基本以時間控制和位式控制為主。
（2）控制系統須成熟可靠，便于調試和維護。
（3）考慮到會有第三方產品，網絡通訊及其協議須具備開放性和標準性。
（4）測量設備和受控設備均為傳統設備，基本不帶現場總線通訊能力，所以輸入、輸出控制還是以傳統的I／O點為基礎。
（5）作為國債投資項目，盡可能在滿足要求的前提下降低造價。
經過比較，該廠的自動化控制系統采用以PLC為基礎的DCS控制系統，該系統在滿足生產要求的基礎上其性能和價格上取得了很好的平衡。
2．2 基于PLC的DCS系統
傳統DCS是針對流程工業的儀表控制系統發展起來的，主要功能是實現連續物理量的監視與調節。PLC是針對傳統的繼電器控制系統而發展起來的，主要功能是實現開關量的邏輯控制。
一般來說，PLC是一種局部的控制器，但隨著應用規模的擴大以及工業以太網的出現，多臺PLC能夠互連起來而形成的較大控制系統。與單個的PLC相比有幾點重大的改變：
（1）在網絡上掛接了在線的通用計算機，其作用一是實現系統組態、編程和下裝，二是在線監視被控過程的狀態。這樣，一個具有現場控制層和協調控制層的DCS雛形就出現了。
（2）在PLC中增加了模擬量I／O接口和數值計算功能，這樣，PLC就不僅可以完成邏輯控制，也可以完成模擬量監測及控制和混合控制的功能。
（3）越來越多的PLC廠家把專用的網絡改成為通用的網絡，這樣就使PLC有條件和其它各種計算機系統和設備實現集成，以組成大型的控制系統。
上述幾點改變使得PLC組成的系統具備了DCS的形態。由于PLC產品已經進入市場多年，其I／O接口、編程方法、網絡通信都趨于標準化和適應開放系統的要求，同時通過擴展能夠增加現場總線通訊功能。加上PLC在價格上的優勢，使得PLC在分布式控制系統領域有著很重要的地位，在很多應用領域具有相當大的競爭優勢。
2．3 奉節污水處理廠DCS系統配置及構成
DCS控制系統以工業以太網這種開放式的網絡結構為基礎，由三個下位控制站PLC0、PLC1、PLC2站，1個上位工程師站、1個上位操作員站組成。其拓撲結構如圖1所示。
PLC0控制站安裝在中央管理中心的大屏幕馬塞克模擬顯示屏內，通過以太網采集各設備的狀態信號并用RS232的通訊方式與馬賽克屏通訊，將生產的整個流程以及設備狀態顯示出來。
PLC1安裝在變配電所，負責控制格柵井、污水提升泵、沉砂池、1號CASS池、2號CASS池、3號CASS池、鼓風機房、儲泥池及流量井流量檢測、接觸消毒池的部分檢測控制、配電室的部分電力參數監測。
PLC2安裝于加藥間。用于控制加藥間的電磁閥、攪拌器、隔膜泵在內的全套加藥設備。
中央管理中心的兩臺監控計算機采用DELL公司的OptiPlex系列臺式機。OptiPlex系列臺式機定位于初級服務器應用，在高性能的前提下其專門設計的鋼絲屏蔽層結構以及散熱系統保證了系統的高可靠性和穩定性。所采用的監控軟件是基于微軟的Windows 2000平臺的，商用機對操作系統的兼容性比工控機略好。
該廠整個控制的系統信息交換層和控制層兩層合一。采用先進的工業以太網，具有高速可靠的特點。工業以太網是以傳統以太網為基礎，針對工業控制的要求，改良后的一種信息及控制網，具有一網到底和降低網絡造價的特點。
3 自控系統功能
3．1 監控軟件
監控軟件采用開物2000軟件，開物2000為北京華富慧通開發的一款通用監控軟件，該軟件對OPC通訊方式支持較好。OPC（OLE for ProcessContro1）是基于COM（Component Object Mode1）和DCOM（Distributed Component Object Mode1）技術的面向對象軟件協議。OPC為現場設備、自動控制應用軟件和企業管理應用軟件之間提供了開放、一致的接口規范，為來自不同供應商的軟、硬件提供“即插即用”的連接。
本系統的監控軟件和DCS硬件之間的通訊協議采用OPC方式，ROCKWELL的RSLINX軟件為OPC SEVER端而監控軟件作為OPC CLIENT讀取數據，采用該方式通訊避免了監控軟件對DCS系統驅動程序支持不完善的情況發生。
3．2 控制方式X
為便于操作調試和事故的緊急處理，系統控制方式分為三種：
（1）就地手動方式。即通過就地控制箱或MCC上的按扭、開關操縱設備。
（2）遙控方式。通過中央管理中心的兩臺計算機在手動模式下控制設備。
（3）自動方式。系統根據工況自動完成設備的啟停、調節控制。
遙控和就地控制方式的切換由MCC柜或就地控制箱完成；自動方式和遙控方式的切換由兩臺監控計算機完成。
3．3 監控功能
兩臺計算機分別作為操作站和工程師站相互備用，設置于中央管理中心，對全廠工藝設備運行狀況、運行參數進行集中監控，遙控現場設備。監控計算機通過集成的1000M網卡與PLC系統經工業以太網進行數據交換。
主要功能：
（1）工藝流程監控功能。系統能按工藝要求對污水處理的各環節參數及設備狀態進行監視，同時根據工藝要求選擇自動、順序、定時等控制方式。
（2）報警及報警記錄功能。當設備發生事故時，系統將在計算機、馬賽克大屏幕、就地控制箱上進行報警指示。同時計算機將對所發生的報警內容、時間及確認時間進行記錄。在計算機上還可進行語音報警。
（3）聯鎖保護功能。當系統檢測到局部故障后啟動相應的聯鎖保護程序。
（4）參數設定功能。可在中央管理中心的任何一臺監控計算機或現場控制站的人機界面上進行報警上下限、調節參數、運行時間等參數的設定。
（5）數據記錄存儲功能。系統可對重要數據如工藝參數、工況、設備運行時間等進行記錄儲存，以備調用。
（6）操作記錄功能。系統自動保存重要操作記錄，如改動參數，操作設備的操作員代號、時間、內容等。
（7）實時數據曲線和歷史數據曲線。對重要工藝參數可以進行實時曲線顯示，并記錄歷史數據曲線。
（8）多級口令保護功能。在中央管理中心的任何一臺監控計算機上可設定不同操作權限，只有相應操作權限的操作員，在輸入正確的口令后才可訪問該級畫面。
（9）打印功能。可進行報表打印、曲線打印、圖形打印。
4 工程效果
該工程于2003年5月份開始實施，2004年4月份設備移交廠方運行，其DCS系統運行穩定可靠無損壞情況。系統投入使用后，操作人員在中央管理中心就能夠全面了解整個工廠的運行情，DCS系統對泵及潷水器等主要設備能夠根據預先設定好的參數進行自動控制。整個系統只需中央管理中心操作人員就能夠保證系統的正常運行，大大降低了值班員的勞動強度。該系統的投運解決了以往污水處理廠自動化程度低，所有設備均需手動操作，值班人員勞動強度大、操作易出錯，出水水質不穩定、生產過程無法集中監控的問題。該廠作為三峽庫區第一批興建的污水處理廠，對三峽庫區水質的保護起到了積極的作用。各級政府領導多次對該廠進行視察和工作指導，對該廠的生產以及工藝水平給予了良好的評價，取得了很好的社會效益和經濟效益。
5 結語
PLC作為成熟的控制器其編程語言及系統結構具有統一性，便于控制系統的調試及維護。雖然PLC控制算法相對單一，但是卻很好的滿足了污水生產工藝的要求，在避免功能浪費的同時降低了系統造價。采用工業以太網技術，保證了通訊網絡良好的兼容性和穩定性，同時實現了通訊的高速化。以PLC為基礎采用工業以太網搭建的DCS控制系統，在污水處理廠的自動化控制中具有成熟可靠，既滿足生產工藝要求，同時也降低了工程造價，具有很好的應用前景。
參考文獻：
[1]Rockwell Automation．EtherNet／IP簡介[EB／OL]．https：／／www．rockwellautomation．com．cn／applications／gs／ap／gscn．nsf／pages／Controller_ Network2007—2—20．
[2]何衍慶，俞金壽．集散控制系統原理及應用（修訂版）[M]．化學工業出版社，1999．
[3]王常力，廖道文．集散控制系統的設計與應用[M]．清華大學出版社，1993．
關鍵詞：可編程控制器；工業以太網；分散控制系統（DCS）；污水處理；CASS；
The Application of DCS System Based on PLC in Sewage Treatment Plant
ZHANG Yuan．WU Guo—fang
（Rockwell Automation Chongqing Ofice，Chongqing 400010）
Abstract：This paper introduces the application of DCS based on PLC．Compared with the old DCS，this can meetthe needs of automatic operation of the sewage plant．Besides，it is much more flexible and low cost．
Key words：PLC；industrial ethernet；DCS；sewage treatment；CASS
隨著國民經濟建設的快速發展，各級政府對環境保護更加關注，各地陸續新建了一大批污水處理廠。這些新建的污水處理廠根據自身特點，對控制系統的性能和價格提出了新的要求。
重慶市奉節污水處理廠采用CASS工藝對生活污水進行處理，日處理量為3萬噸。其DCS系統以高性價比的PLC為控制單元，采用商用計算機為監控站。整個系統在實現生產自動化的情況下，有效降低了系統成本，從2004年投產至今運行情況良好。
1 生產工藝簡介
污水處理是一種連續的生化反應過程，有氧化溝工藝、AO、SBR、CASS等眾多不同的處理工藝。奉節污水處理廠所采用的污水處理工藝為新型改良CASS（Cyclic Activated Sludge System，循環式活性污泥法）工藝，屬于改進型SBR工藝的一種，由格柵井、CASS池、鼓風機房、加藥間、儲泥池、脫水機房、接觸消毒池組成。該工藝具有以下特點：
（1）可升降的潷水器最大限度降低了排水水流對底部沉淀污泥擾動。
（2）抗沖擊力強，對難降解有機物的去除效率高，同時具有脫氮除磷功能。
（3）工藝流程短，占地面積小，建設費用低，運轉費用省。
（4）管理簡單，運行可靠，出水水質好，無異味。
（5）污泥產量低，污泥性質穩定，不發生污泥膨脹。
2 DCS控制系統選型及硬件配置
2．1 DCS系統的選型
重慶市奉節口前污水處理廠為三峽庫區國債項目建設的第一批污水處理廠，根據實際的工藝要求及建設特點，該項目對控制系統提出了如下要求：
（1）受控設備控制點數在800點內。控制工藝較為復雜，但是我們所需要的算法并不復雜，基本以時間控制和位式控制為主。
（2）控制系統須成熟可靠，便于調試和維護。
（3）考慮到會有第三方產品，網絡通訊及其協議須具備開放性和標準性。
（4）測量設備和受控設備均為傳統設備，基本不帶現場總線通訊能力，所以輸入、輸出控制還是以傳統的I／O點為基礎。
（5）作為國債投資項目，盡可能在滿足要求的前提下降低造價。
經過比較，該廠的自動化控制系統采用以PLC為基礎的DCS控制系統，該系統在滿足生產要求的基礎上其性能和價格上取得了很好的平衡。
2．2 基于PLC的DCS系統
傳統DCS是針對流程工業的儀表控制系統發展起來的，主要功能是實現連續物理量的監視與調節。PLC是針對傳統的繼電器控制系統而發展起來的，主要功能是實現開關量的邏輯控制。
一般來說，PLC是一種局部的控制器，但隨著應用規模的擴大以及工業以太網的出現，多臺PLC能夠互連起來而形成的較大控制系統。與單個的PLC相比有幾點重大的改變：
（1）在網絡上掛接了在線的通用計算機，其作用一是實現系統組態、編程和下裝，二是在線監視被控過程的狀態。這樣，一個具有現場控制層和協調控制層的DCS雛形就出現了。
（2）在PLC中增加了模擬量I／O接口和數值計算功能，這樣，PLC就不僅可以完成邏輯控制，也可以完成模擬量監測及控制和混合控制的功能。
（3）越來越多的PLC廠家把專用的網絡改成為通用的網絡，這樣就使PLC有條件和其它各種計算機系統和設備實現集成，以組成大型的控制系統。
上述幾點改變使得PLC組成的系統具備了DCS的形態。由于PLC產品已經進入市場多年，其I／O接口、編程方法、網絡通信都趨于標準化和適應開放系統的要求，同時通過擴展能夠增加現場總線通訊功能。加上PLC在價格上的優勢，使得PLC在分布式控制系統領域有著很重要的地位，在很多應用領域具有相當大的競爭優勢。
2．3 奉節污水處理廠DCS系統配置及構成
DCS控制系統以工業以太網這種開放式的網絡結構為基礎，由三個下位控制站PLC0、PLC1、PLC2站，1個上位工程師站、1個上位操作員站組成。其拓撲結構如圖1所示。
PLC0控制站安裝在中央管理中心的大屏幕馬塞克模擬顯示屏內，通過以太網采集各設備的狀態信號并用RS232的通訊方式與馬賽克屏通訊，將生產的整個流程以及設備狀態顯示出來。
PLC1安裝在變配電所，負責控制格柵井、污水提升泵、沉砂池、1號CASS池、2號CASS池、3號CASS池、鼓風機房、儲泥池及流量井流量檢測、接觸消毒池的部分檢測控制、配電室的部分電力參數監測。
PLC2安裝于加藥間。用于控制加藥間的電磁閥、攪拌器、隔膜泵在內的全套加藥設備。
中央管理中心的兩臺監控計算機采用DELL公司的OptiPlex系列臺式機。OptiPlex系列臺式機定位于初級服務器應用，在高性能的前提下其專門設計的鋼絲屏蔽層結構以及散熱系統保證了系統的高可靠性和穩定性。所采用的監控軟件是基于微軟的Windows 2000平臺的，商用機對操作系統的兼容性比工控機略好。
該廠整個控制的系統信息交換層和控制層兩層合一。采用先進的工業以太網，具有高速可靠的特點。工業以太網是以傳統以太網為基礎，針對工業控制的要求，改良后的一種信息及控制網，具有一網到底和降低網絡造價的特點。
3 自控系統功能
3．1 監控軟件
監控軟件采用開物2000軟件，開物2000為北京華富慧通開發的一款通用監控軟件，該軟件對OPC通訊方式支持較好。OPC（OLE for ProcessContro1）是基于COM（Component Object Mode1）和DCOM（Distributed Component Object Mode1）技術的面向對象軟件協議。OPC為現場設備、自動控制應用軟件和企業管理應用軟件之間提供了開放、一致的接口規范，為來自不同供應商的軟、硬件提供“即插即用”的連接。
本系統的監控軟件和DCS硬件之間的通訊協議采用OPC方式，ROCKWELL的RSLINX軟件為OPC SEVER端而監控軟件作為OPC CLIENT讀取數據，采用該方式通訊避免了監控軟件對DCS系統驅動程序支持不完善的情況發生。
3．2 控制方式X
為便于操作調試和事故的緊急處理，系統控制方式分為三種：
（1）就地手動方式。即通過就地控制箱或MCC上的按扭、開關操縱設備。
（2）遙控方式。通過中央管理中心的兩臺計算機在手動模式下控制設備。
（3）自動方式。系統根據工況自動完成設備的啟停、調節控制。
遙控和就地控制方式的切換由MCC柜或就地控制箱完成；自動方式和遙控方式的切換由兩臺監控計算機完成。
3．3 監控功能
兩臺計算機分別作為操作站和工程師站相互備用，設置于中央管理中心，對全廠工藝設備運行狀況、運行參數進行集中監控，遙控現場設備。監控計算機通過集成的1000M網卡與PLC系統經工業以太網進行數據交換。
主要功能：
（1）工藝流程監控功能。系統能按工藝要求對污水處理的各環節參數及設備狀態進行監視，同時根據工藝要求選擇自動、順序、定時等控制方式。
（2）報警及報警記錄功能。當設備發生事故時，系統將在計算機、馬賽克大屏幕、就地控制箱上進行報警指示。同時計算機將對所發生的報警內容、時間及確認時間進行記錄。在計算機上還可進行語音報警。
（3）聯鎖保護功能。當系統檢測到局部故障后啟動相應的聯鎖保護程序。
（4）參數設定功能。可在中央管理中心的任何一臺監控計算機或現場控制站的人機界面上進行報警上下限、調節參數、運行時間等參數的設定。
（5）數據記錄存儲功能。系統可對重要數據如工藝參數、工況、設備運行時間等進行記錄儲存，以備調用。
（6）操作記錄功能。系統自動保存重要操作記錄，如改動參數，操作設備的操作員代號、時間、內容等。
（7）實時數據曲線和歷史數據曲線。對重要工藝參數可以進行實時曲線顯示，并記錄歷史數據曲線。
（8）多級口令保護功能。在中央管理中心的任何一臺監控計算機上可設定不同操作權限，只有相應操作權限的操作員，在輸入正確的口令后才可訪問該級畫面。
（9）打印功能。可進行報表打印、曲線打印、圖形打印。
4 工程效果
該工程于2003年5月份開始實施，2004年4月份設備移交廠方運行，其DCS系統運行穩定可靠無損壞情況。系統投入使用后，操作人員在中央管理中心就能夠全面了解整個工廠的運行情，DCS系統對泵及潷水器等主要設備能夠根據預先設定好的參數進行自動控制。整個系統只需中央管理中心操作人員就能夠保證系統的正常運行，大大降低了值班員的勞動強度。該系統的投運解決了以往污水處理廠自動化程度低，所有設備均需手動操作，值班人員勞動強度大、操作易出錯，出水水質不穩定、生產過程無法集中監控的問題。該廠作為三峽庫區第一批興建的污水處理廠，對三峽庫區水質的保護起到了積極的作用。各級政府領導多次對該廠進行視察和工作指導，對該廠的生產以及工藝水平給予了良好的評價，取得了很好的社會效益和經濟效益。
5 結語
PLC作為成熟的控制器其編程語言及系統結構具有統一性，便于控制系統的調試及維護。雖然PLC控制算法相對單一，但是卻很好的滿足了污水生產工藝的要求，在避免功能浪費的同時降低了系統造價。采用工業以太網技術，保證了通訊網絡良好的兼容性和穩定性，同時實現了通訊的高速化。以PLC為基礎采用工業以太網搭建的DCS控制系統，在污水處理廠的自動化控制中具有成熟可靠，既滿足生產工藝要求，同時也降低了工程造價，具有很好的應用前景。
參考文獻：
[1]Rockwell Automation．EtherNet／IP簡介[EB／OL]．https：／／www．rockwellautomation．com．cn／applications／gs／ap／gscn．nsf／pages／Controller_ Network2007—2—20．
[2]何衍慶，俞金壽．集散控制系統原理及應用（修訂版）[M]．化學工業出版社，1999．
[3]王常力，廖道文．集散控制系統的設計與應用[M]．清華大學出版社，1993．
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