0 前言
現代化的企業對污水處理的要求越來越高，不僅要求安全而且增加了實時性、精度、節能等更多的需求。對污水處理工藝進行自動化監測和實時控制是提高污水處理效率、降低處理能耗的關鍵。傳統的控制將逐步被智能總線控制取代，這將成為一種趨勢。
水處理控制一般按工藝流程配置必要的液位、流量和水質分析等檢測儀表。根據電氣設備的運行要求及主要工藝參數的控制要求，設置自動控制和自動調節系統。按照集中監測管理和分散控制的原則建立3級計算機監控系統。
應用于污水和污泥處理現場的控制設備應具有在同類工程中長期可靠、穩定運行的要求。要求功能實用、穩定可靠、易操作、易維護、耐腐蝕、壽命長，能長期連續運行。使用的材料、安裝形式、電源等應適應現場環境，特別應具備硫化氫防護能力。PLC控制器應具有統一的開放的現場總線接口，通過配置不同的現場總線接口模塊，能連接自成系統設備控制柜。

1 生態循環處理工藝簡介
水生態循環利用工程采用“沉砂－水解酸化－循環式活性污泥法（CAST）” 處理工藝，本工程工藝流程如圖1所示。

水循環工程將鋼鐵廠的廢水以及其它非常規水源進行處理，滿足環保排放的要求，同時作為企業的安全水源，為企業提供合格水質。首先，將鋼鐵廠現有的塘系進行了改造利用作為調節塘，對污水廠的進水水質、水量進行調節，減少了水質、水量波動對系統運行造成的影響，保證后續生化和深度處理系統的正常運行。然后，采用水解酸化工藝對處理工藝進行強化，利用水解和產酸菌的反應，將不溶性有機物水解成溶解性有機物、大分子物質分解成小分子物質，使出水BOD/COD的比值得到了提高，增加了污水的可生化性。其次，經CAST反應池按進水-曝氣、沉淀、潷水、進水完成一個周期，循環上述運行周期，從而去除掉污水中的污染物。最后，通過CMF連續膜過濾系統和RO反滲透系統的膜組件，水分子在一定的壓力驅動下透過膜，而懸浮物、膠體、大分子有機物及微生物等則被阻截，從而達到凈化分離的目的。處理后的中水作為企業煉鋼過程的循環冷卻水源。

2 控制系統設計
2.1 設計原則
考慮本工程的建設規模，自控系統及設備應達到先進水平，系統構成應適應今后計算機發展的趨勢，實現生產管理的自動化，保障水生態循環利用工程安全、可靠。
自動化系統應綜合考慮生產、管理、安全等因素，各工藝設備均應納入自動化系統網絡。“分散控制、集中管理”，保證整個水生態循環利用工程運行協調一致。
硬件配置應符合國家標準，可靠性高、適應能力強、擴展靈活、操作維護簡便。軟件完整，并具有開放的結構，以便用戶今后的二次開發。人機界面力求方便、直觀。根據工藝要求和設備特點，對主要機械設備的控制采用就地手動控制、自動控制、中央控制室監控的3種操作模式。滿足工藝專業對自動控制的要求，保證控制系統配置上的完整性和適應性。
2.2 設計范圍
（1）根據電氣設備的運行要求及主要工藝參數的控制要求，設置自動控制和自動調節系統。
（2）按工藝流程配置必要的液位、流量和水質分析等檢測儀表。
（3）全部檢測儀表及電氣設備的運行信號的傳送和顯示。
（4）按照集中監測管理和分散控制的原則建立3級計算機監控系統。
2.3 系統組成
從工程的實際情況及工藝要求出發，本設計采用目前國內外先進并成熟的集散型控制系統。實現3級計算機管理，即信息層、控制層和現場設備層。它集計算機技術、控制技術、通信技術以及顯示技術于一體，通過工業以太網將中央級監控站和若干分控站連接起來，現場控制級采用現場總線通信網絡，實現集中監測管理和分散控制。這樣克服了集中控制系統危險度集中、可靠性差、不易擴展和控制電纜用量大等缺陷，實現了信息、調度、管理上的集中和功能及控制危險上的分散。當中控室微機出現故障，各分控站都能獨立、穩定工作，從根本上提高了系統可靠性。采用PLC為主體構成的集散系統主要有以下幾個特點：
（1）提高設備利用率，保證水處理質量。通過安裝在現場的儀表，連續監測各種工藝參數。自控系統可以根據這些參數，協調各工段水處理工藝之間的關系，保證設備的充分利用，并根據儀表檢測到的數據，及時糾正偏差，從而保證了水處理質量。
（2）保證系統運行可靠。由于在各工藝流程段設置了相應的水質監測儀表，中控室設二套冗余監控管理計算機，可以監測到全廠各設備的運行參數和運行狀態，隨時發現設備故障，并及時報警。
（3）由于實行微機優化控制，節省人力和減輕人工勞動強度，節省日常運行費用，降低污水處理成本。
2.3.1 網絡結構
水生態循環工程的自動控制系統采用3層網絡結構：即信息層、控制層和現場設備層。3層網絡必須是完全開放的、成熟的、先進的技術，必須能夠與企業級網絡和信息系統完全集成。
三層網絡應該保證一致的應用層，信息的共享、訪問應避免任何特殊的編程和特殊的網關設備。網絡應當保持功能的集成。在任何一級網絡上，都應能夠在同一介質上實現系統透明瀏覽、編程組態、實時控制、數據采集和系統診斷。網絡上一般性的信息訪問不應影響系統實時控制性能。
（1）信息層
即中控室與各分控站間的信息層網絡必須是基于100Mb/s以太網的開放網絡技術，擁有廣泛的廠商支持。所有的網絡介質和附件（交換機、集線器、線纜、接頭、工具等）必須能夠從第三方購得而非廠商專有。信息管理部分由通信服務器、數據及網絡服務器和監控計算機、工業以太網設備及相關的軟件通過基于TCP/IP的以太網組成，以太網貫穿于各管理職能部門。連接在以太網上的個人終端能夠以Web瀏覽器的方式獲得他權限以內的數據。連接在以太網上的工程師站通過賦予一定權限后可通過網關進入控制層，對控制系統進行監控。信息管理系統必須能夠支持遠程登錄進行數據存取。
分控站與中控室之間的連接必須通過交換機進行，連接介質選用光纖；中控室以太網設備采用五類雙絞線接入交換機。系統通過自愈式光纖環網方式實現以太網冗余連接，即骨干網上任何一點的光纖連接意外斷開，系統都能通過反向環的方式提供后備以太網鏈路，保證系統可用性的同時兼顧經濟性。系統應能夠在同一介質鏈路上同時支持數據采集、編程上/下載、I/O控制等功能。
（2）控制層：即分控站與I/O站之間的通信采用現場控制總線網。
（3）設備層：自控系統與設備配套控制箱柜之間的通信，須采用開放的國際上認可的Profibus-DP現場控制總線。
2.3.2 中央監控系統
中央控制室設在水生態循環利用工程的綜合辦公樓內，集中監視、控制、管理全部生產過程和工藝過程。對生產過程中的自動控制、報警、自動保護、自動操作、自動調節以及各工藝流程中的重要參數進行在線實時監控，對工藝設備的工況進行實時監視。
（1）系統結構
在綜合辦公樓中央控制室內設置2臺中央操作工作站，以中央操作工作站為核心，構成100Mb/s交換式局域網絡。中央操作工作站熱備冗余配置，以提高數據安全性。中央控制室和廠內的分控站PLC控制系統采用光纖環網連接，網絡形式為工業以太網，傳輸速率為10~100Mb/s。2臺中央操作工作站雙機熱備，正常情況下，一臺用于工藝監控，另一臺作為備用，隨時可以代替故障設備。2臺操作工作站的硬件和軟件的配置必須相同，功能和監控的對象應可以互換。
（2）中央控制室的監控
除了由中央控制室直接控制的關系到全廠運行調度的設備，中央控制室一般不直接參與設備的控制，而主要進行對水廠各工藝流程段的集中操作、監視和控制功能。通過簡單的操作，可進行系統功能組態、監視報警、控制參數在線修改和調整；同下級終端微機進行傳輸、通信，收集各終端微機送來的監測信息、運行狀態和水質參數；進行匯總、運算、處理、報警、故障分析最終完成對現場設備的優化控制。中央控制室向分控站分配所在單體或節點的運行控制目標，控制工藝設備投入或退出運行，監控全廠生產過程。對于中央控制室允許投入運行的設備或設備組，其具體的控制過程由分控站管理；對于被中央控制室禁止投入運行的設備或設備組，由所在分控站控制其退出運行，并被標記為不可用設備，不再對其啟動。
中央控制室內設大屏幕投影系統，可直觀地顯示工藝流程和各工段的實況及各工藝參數趨勢畫面，并可隨時進行在線修改，使操作人員及時掌握運行情況，并通過計算機網絡向各分控站發布指令，協調各環節正常工作，保證安全經濟運行。
（3）SCADA系統軟件
中央控制室計算機負責監控各個工藝過程，運行在這些計算機上的軟件必須是成熟的并在國內外有過廣泛的應用。監控軟件除了具有圖形監控的功能之外，還應有報警、趨勢、報表等功能。
采用圖控軟件組態設計中控室的運行監控程序，具有中文界面、操作提示和幫助系統。操作界面主要以流程圖方式表示，從總體流程圖直到每個單體的局部流程圖。在流程圖上顯示的設備均可以點擊進入，以了解該設備的進一步細節數據或對其進行控制。工藝過程、運行參數和設備狀態均以圖形方式直觀表示。運行參數和目標控制參數可以點擊進入，了解其屬性或進行設定修改。中控室的運行控制通過操作終端實現，主要是對生產過程進行調節和對產品的質量進行控制。中央控制室主要進行運行調度、參數分配和信息管理，亦可控制全廠主要設備的運行。
中央控制室向各單體控制系統分配所在單體或節點的運行控制目標，根據實際的水量和水質狀況，命令某組工藝設備投入或退出運行。對于中央控制室允許投入運行的設備或設備組，其具體的控制過程由所在單體控制系統管理；對于被中央控制室禁止投入運行的設備或設備組，由所在單體控制系統控制其退出運行，并不再對其啟動。
（4）通信軟件
系統提供完善的、成熟的軟件套件進行網絡瀏覽、網絡診斷、通信組態、軟件驅動和數據通信服務，以及基于網絡架構的數據庫事務處理軟件。對于各層網絡，系統均提供現成的通信驅動軟件，以進行接口配置、實時透明網絡瀏覽、編程上/下載、在線診斷等。對于上位HMI、批處理和企業MIS系統數據庫接口等軟件，軟件提供成熟的數據通信服務器功能（Data Server），在PC系統和控制系統之間提供高吞吐量的、穩定的雙向數據傳輸服務。軟件必須支持OPC、DDE等數據傳輸方式，并針對控制系統提供優化的通信服務。
（5）數據庫事務處理軟件
為了和用戶MIS系統數據庫以及其他企業級應用軟件接口，本系統提供成熟的可選數據庫事務處理軟件，在企業數據庫系統和控制系統之間提供高吞吐量的、穩定的、實時的雙向數據傳輸服務。面向控制系統支持OPC、DDE等數據傳輸方式并能與HMI軟件接口，同時面向MIS系統和企業應用軟件提供主流數據軟件如微軟MS SQL Server的OLE-DB接口、Oracle公司OCI數據庫接口，同時具備支持通用ODBC的數據庫接口能力。要求具備未來ERP系統的接口能力，并具有已經認證的接口能力。
首先，完成日常的數據管理。對采集到的各種數據經計算、處理、分類，自動生成各種數據庫及報表、供實時監測、查詢、修改、打印以及生成后的報表文件的修改或重組。軟件系統的可靠性應能保證數據的絕對安全，防止數據的非法訪問，特別是對原始數據的修改。按操作等級進行管理，一般情況下，至少應設置3個操作級，即觀察級、控制操作級、維護級。每一級都需有訪問控制，具有日常的網絡管理功能，維持整個局網的運行，定時對各接口設備進行自檢、異常時發出報警信號。
其次，完成設備管理功能。能對組成系統的所有硬件設備及運行狀態進行在線監測及自診斷，能對實時監控的所有對象的運行狀態進行監測及自診斷，能對各類設備運行情況（如工作累計時間、最后保養日期等）進行在線監測，并存入相應文檔，以備維護、保養，并能對設備故障提出處理意見，以供參考。
2.3.3 PLC分控站、遠程I/O站
根據工藝特點，構筑物的布置和現場控制的分布情況，設置5個PLC分控站。PLC現場分控站選用可編程序控制器，PLC為模塊化結構，硬件配置較靈活，軟件編程方便，并且PLC子站與相應的MCC置于同一地點，可節省其間電纜。各子站劃分如下：
（1）旋流沉沙池及水解酸化池、集水泵房分控站：PLC1
PLC1置于集水泵房：負責集水泵房、旋流沉沙池、巴氏計量槽及水解酸化池內設備的自動控制和數據采集。在旋流沉沙池內設置現場控制PLC子站，水解酸化池上設置WAGO的遠程I/O站。
（2）鼓風機房及CAST池分控站：PLC2
PLC2置于鼓風機房控制室：負責鼓風機房、變配電室及CAST池內設備的自動控制和數據采集。每組CAST池設置單獨控制PLC子站，CAST池上設置WAGO的遠程I/O站。
（3）加藥車間、加氯車間、中間水池分控站：PLC3
PLC3置于加藥車間控制室：負責加藥車間、加氯車間、中間水池內設備的自動控制和數據采集。分別設置加氯車間、中間水池單獨控制PLC子站。
（4）污泥脫水車間分控站：PLC4
PLC4置于污泥脫水車間控制室：負責污泥脫水車間、污泥濃縮池分控站內設備的自動控制和數據采集。每臺脫水機設置單獨控制PLC子站。
（5）膜濾車間分控站：PLC5
PLC5置于中控室：負責膜濾車間、RO回用水泵房、熱交換車間及CMF循環供水泵的自動控制和數據采集。
基于遠程I/O從站的選擇要求，選取了模塊化結構、體積小、獨立于現場總線的德國萬可公司的WAGO-I/O-SYSTEM 750系列分布式I/O系統。采用可以自由組合數字量、模擬量和特殊功能I/O模塊的現場總線節點設計，既可節省費用又可節省空間。
WAGO的遠程I/O是基于現場總線獨立節點設計的，每個模塊具有1、2、4或8個通道。按照IEC61131-3標準，帶PLC功能（控制器）的現場總線適配器分布在控制網絡上。數字量/模擬量、輸入/輸出及帶有不同電壓等級和信號類型的特殊功能模塊可以被組合在同一個現場總線節點中。
水生態循環利用工程自控系統框圖如圖2所示。

2.3.4 自控系統的儀表
現場檢測儀表在計算系統控制中是不可缺少的重要部分。考慮到工作環境條件的適應性，特別是傳感器直接與污水、污泥介質接觸，極易腐蝕和結垢，因此傳感器參量選用隔膜式、非接觸式、易清洗式。兼顧到維修管理容易、方便，盡可能選用不斷流拆缺式和維護周期較長的儀表。全部儀表均選用帶有現場顯示變送器的智能儀表，并帶有4～20mA直流輸出，信號通過現場終端及通信網絡傳送至中心監控計算機，在計算機CRT上和模擬屏上顯示。
各種儀表的基本類型如下：
（1）流量檢測儀表：細管道中流量計要采用電磁流量計，粗管道中采用超聲波流量計。氣體流量計采用熱值式流量計。
（2）液位檢測儀表：在需要給出連續測量信號的環節，采用超聲波液位計或一體化超聲波液位計，一般環節的水位測量需給出位式信號，采用浮球液位開關。
（3）溫度檢測儀表：采用傳感器和變送器一體化的溫度測量儀。熱敏元件為鉑熱電阻（Pt100)。
（4）溶解氧測定儀：選用無隔膜固體電極傳感器，并帶自動清洗裝置。
（5）酸度測定儀：采用玻璃電極式酸度計，懸浮物測定儀，選用光電式傳感器。
（6）在線COD測定儀：采用專利光方法測定。

3 結束語
隨著電子信息技術的進步和自控產品成本的降低，水生態循環利用工程的智能化自控系統也日趨成熟，并在該領域發揮出明顯的經濟效益和社會效益。實踐已經證明，水生態循環利用工程的自動監測和控制，能夠在解放生產力、提高生產效率并在降低能耗的前提下保證出水水質。因此，既經濟又合理的自控系統，對整個水生態循環利用工程安全、可靠、科學地運行起到了重要的作用。