0 前言
现代化的企业对污水处理的要求越来越高，不仅要求安全而且增加了实时性、精度、节能等更多的需求。对污水处理工艺进行自动化监测和实时控制是提高污水处理效率、降低处理能耗的关键。传统的控制将逐步被智能总线控制取代，这将成为一种趋势。
水处理控制一般按工艺流程配置必要的液位、流量和水质分析等检测仪表。根据电气设备的运行要求及主要工艺参数的控制要求，设置自动控制和自动调节系统。按照集中监测管理和分散控制的原则建立3级计算机监控系统。
应用于污水和污泥处理现场的控制设备应具有在同类工程中长期可靠、稳定运行的要求。要求功能实用、稳定可靠、易操作、易维护、耐腐蚀、寿命长，能长期连续运行。使用的材料、安装形式、电源等应适应现场环境，特别应具备硫化氢防护能力。PLC控制器应具有统一的开放的现场总线接口，通过配置不同的现场总线接口模块，能连接自成系统设备控制柜。
1 生态循环处理工艺简介
水生态循环利用工程采用“沉砂－水解酸化－循环式活性污泥法（CAST）” 处理工艺，本工程工艺流程如图1所示。
水循环工程将钢铁厂的废水以及其它非常规水源进行处理，满足环保排放的要求，同时作为企业的安全水源，为企业提供合格水质。首先，将钢铁厂现有的塘系进行了改造利用作为调节塘，对污水厂的进水水质、水量进行调节，减少了水质、水量波动对系统运行造成的影响，保证后续生化和深度处理系统的正常运行。然后，采用水解酸化工艺对处理工艺进行强化，利用水解和产酸菌的反应，将不溶性有机物水解成溶解性有机物、大分子物质分解成小分子物质，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，经CAST反应池按进水-曝气、沉淀、滗水、进水完成一个周期，循环上述运行周期，从而去除掉污水中的污染物。最后，通过CMF连续膜过滤系统和RO反渗透系统的膜组件，水分子在一定的压力驱动下透过膜，而悬浮物、胶体、大分子有机物及微生物等则被阻截，从而达到净化分离的目的。处理后的中水作为企业炼钢过程的循环冷却水源。
2 控制系统设计
2.1 设计原则
考虑本工程的建设规模，自控系统及设备应达到先进水平，系统构成应适应今后计算机发展的趋势，实现生产管理的自动化，保障水生态循环利用工程安全、可靠。
自动化系统应综合考虑生产、管理、安全等因素，各工艺设备均应纳入自动化系统网络。“分散控制、集中管理”，保证整个水生态循环利用工程运行协调一致。
硬件配置应符合国家标准，可靠性高、适应能力强、扩展灵活、操作维护简便。软件完整，并具有开放的结构，以便用户今后的二次开发。人机界面力求方便、直观。根据工艺要求和设备特点，对主要机械设备的控制采用就地手动控制、自动控制、中央控制室监控的3种操作模式。满足工艺专业对自动控制的要求，保证控制系统配置上的完整性和适应性。
2.2 设计范围
（1）根据电气设备的运行要求及主要工艺参数的控制要求，设置自动控制和自动调节系统。
（2）按工艺流程配置必要的液位、流量和水质分析等检测仪表。
（3）全部检测仪表及电气设备的运行信号的传送和显示。
（4）按照集中监测管理和分散控制的原则建立3级计算机监控系统。
2.3 系统组成
从工程的实际情况及工艺要求出发，本设计采用目前国内外先进并成熟的集散型控制系统。实现3级计算机管理，即信息层、控制层和现场设备层。它集计算机技术、控制技术、通信技术以及显示技术于一体，通过工业以太网将中央级监控站和若干分控站连接起来，现场控制级采用现场总线通信网络，实现集中监测管理和分散控制。这样克服了集中控制系统危险度集中、可靠性差、不易扩展和控制电缆用量大等缺陷，实现了信息、调度、管理上的集中和功能及控制危险上的分散。当中控室微机出现故障，各分控站都能独立、稳定工作，从根本上提高了系统可靠性。采用PLC为主体构成的集散系统主要有以下几个特点：
（1）提高设备利用率，保证水处理质量。通过安装在现场的仪表，连续监测各种工艺参数。自控系统可以根据这些参数，协调各工段水处理工艺之间的关系，保证设备的充分利用，并根据仪表检测到的数据，及时纠正偏差，从而保证了水处理质量。
（2）保证系统运行可靠。由于在各工艺流程段设置了相应的水质监测仪表，中控室设二套冗余监控管理计算机，可以监测到全厂各设备的运行参数和运行状态，随时发现设备故障，并及时报警。
（3）由于实行微机优化控制，节省人力和减轻人工劳动强度，节省日常运行费用，降低污水处理成本。
2.3.1 网络结构
水生态循环工程的自动控制系统采用3层网络结构：即信息层、控制层和现场设备层。3层网络必须是完全开放的、成熟的、先进的技术，必须能够与企业级网络和信息系统完全集成。
三层网络应该保证一致的应用层，信息的共享、访问应避免任何特殊的编程和特殊的网关设备。网络应当保持功能的集成。在任何一级网络上，都应能够在同一介质上实现系统透明浏览、编程组态、实时控制、数据采集和系统诊断。网络上一般性的信息访问不应影响系统实时控制性能。
（1）信息层
即中控室与各分控站间的信息层网络必须是基于100Mb/s以太网的开放网络技术，拥有广泛的厂商支持。所有的网络介质和附件（交换机、集线器、线缆、接头、工具等）必须能够从第三方购得而非厂商专有。信息管理部分由通信服务器、数据及网络服务器和监控计算机、工业以太网设备及相关的软件通过基于TCP/IP的以太网组成，以太网贯穿于各管理职能部门。连接在以太网上的个人终端能够以Web浏览器的方式获得他权限以内的数据。连接在以太网上的工程师站通过赋予一定权限后可通过网关进入控制层，对控制系统进行监控。信息管理系统必须能够支持远程登录进行数据存取。
分控站与中控室之间的连接必须通过交换机进行，连接介质选用光纤；中控室以太网设备采用五类双绞线接入交换机。系统通过自愈式光纤环网方式实现以太网冗余连接，即骨干网上任何一点的光纤连接意外断开，系统都能通过反向环的方式提供后备以太网链路，保证系统可用性的同时兼顾经济性。系统应能够在同一介质链路上同时支持数据采集、编程上/下载、I/O控制等功能。
（2）控制层：即分控站与I/O站之间的通信采用现场控制总线网。
（3）设备层：自控系统与设备配套控制箱柜之间的通信，须采用开放的国际上认可的Profibus-DP现场控制总线。
2.3.2 中央监控系统
中央控制室设在水生态循环利用工程的综合办公楼内，集中监视、控制、管理全部生产过程和工艺过程。对生产过程中的自动控制、报警、自动保护、自动操作、自动调节以及各工艺流程中的重要参数进行在线实时监控，对工艺设备的工况进行实时监视。
（1）系统结构
在综合办公楼中央控制室内设置2台中央操作工作站，以中央操作工作站为核心，构成100Mb/s交换式局域网络。中央操作工作站热备冗余配置，以提高数据安全性。中央控制室和厂内的分控站PLC控制系统采用光纤环网连接，网络形式为工业以太网，传输速率为10~100Mb/s。2台中央操作工作站双机热备，正常情况下，一台用于工艺监控，另一台作为备用，随时可以代替故障设备。2台操作工作站的硬件和软件的配置必须相同，功能和监控的对象应可以互换。
（2）中央控制室的监控
除了由中央控制室直接控制的关系到全厂运行调度的设备，中央控制室一般不直接参与设备的控制，而主要进行对水厂各工艺流程段的集中操作、监视和控制功能。通过简单的操作，可进行系统功能组态、监视报警、控制参数在线修改和调整；同下级终端微机进行传输、通信，收集各终端微机送来的监测信息、运行状态和水质参数；进行汇总、运算、处理、报警、故障分析最终完成对现场设备的优化控制。中央控制室向分控站分配所在单体或节点的运行控制目标，控制工艺设备投入或退出运行，监控全厂生产过程。对于中央控制室允许投入运行的设备或设备组，其具体的控制过程由分控站管理；对于被中央控制室禁止投入运行的设备或设备组，由所在分控站控制其退出运行，并被标记为不可用设备，不再对其启动。
中央控制室内设大屏幕投影系统，可直观地显示工艺流程和各工段的实况及各工艺参数趋势画面，并可随时进行在线修改，使操作人员及时掌握运行情况，并通过计算机网络向各分控站发布指令，协调各环节正常工作，保证安全经济运行。
（3）SCADA系统软件
中央控制室计算机负责监控各个工艺过程，运行在这些计算机上的软件必须是成熟的并在国内外有过广泛的应用。监控软件除了具有图形监控的功能之外，还应有报警、趋势、报表等功能。
采用图控软件组态设计中控室的运行监控程序，具有中文界面、操作提示和帮助系统。操作界面主要以流程图方式表示，从总体流程图直到每个单体的局部流程图。在流程图上显示的设备均可以点击进入，以了解该设备的进一步细节数据或对其进行控制。工艺过程、运行参数和设备状态均以图形方式直观表示。运行参数和目标控制参数可以点击进入，了解其属性或进行设定修改。中控室的运行控制通过操作终端实现，主要是对生产过程进行调节和对产品的质量进行控制。中央控制室主要进行运行调度、参数分配和信息管理，亦可控制全厂主要设备的运行。
中央控制室向各单体控制系统分配所在单体或节点的运行控制目标，根据实际的水量和水质状况，命令某组工艺设备投入或退出运行。对于中央控制室允许投入运行的设备或设备组，其具体的控制过程由所在单体控制系统管理；对于被中央控制室禁止投入运行的设备或设备组，由所在单体控制系统控制其退出运行，并不再对其启动。
（4）通信软件
系统提供完善的、成熟的软件套件进行网络浏览、网络诊断、通信组态、软件驱动和数据通信服务，以及基于网络架构的数据库事务处理软件。对于各层网络，系统均提供现成的通信驱动软件，以进行接口配置、实时透明网络浏览、编程上/下载、在线诊断等。对于上位HMI、批处理和企业MIS系统数据库接口等软件，软件提供成熟的数据通信服务器功能（Data Server），在PC系统和控制系统之间提供高吞吐量的、稳定的双向数据传输服务。软件必须支持OPC、DDE等数据传输方式，并针对控制系统提供优化的通信服务。
（5）数据库事务处理软件
为了和用户MIS系统数据库以及其他企业级应用软件接口，本系统提供成熟的可选数据库事务处理软件，在企业数据库系统和控制系统之间提供高吞吐量的、稳定的、实时的双向数据传输服务。面向控制系统支持OPC、DDE等数据传输方式并能与HMI软件接口，同时面向MIS系统和企业应用软件提供主流数据软件如微软MS SQL Server的OLE-DB接口、Oracle公司OCI数据库接口，同时具备支持通用ODBC的数据库接口能力。要求具备未来ERP系统的接口能力，并具有已经认证的接口能力。
首先，完成日常的数据管理。对采集到的各种数据经计算、处理、分类，自动生成各种数据库及报表、供实时监测、查询、修改、打印以及生成后的报表文件的修改或重组。软件系统的可靠性应能保证数据的绝对安全，防止数据的非法访问，特别是对原始数据的修改。按操作等级进行管理，一般情况下，至少应设置3个操作级，即观察级、控制操作级、维护级。每一级都需有访问控制，具有日常的网络管理功能，维持整个局网的运行，定时对各接口设备进行自检、异常时发出报警信号。
其次，完成设备管理功能。能对组成系统的所有硬件设备及运行状态进行在线监测及自诊断，能对实时监控的所有对象的运行状态进行监测及自诊断，能对各类设备运行情况（如工作累计时间、最后保养日期等）进行在线监测，并存入相应文档，以备维护、保养，并能对设备故障提出处理意见，以供参考。
2.3.3 PLC分控站、远程I/O站
根据工艺特点，构筑物的布置和现场控制的分布情况，设置5个PLC分控站。PLC现场分控站选用可编程序控制器，PLC为模块化结构，硬件配置较灵活，软件编程方便，并且PLC子站与相应的MCC置于同一地点，可节省其间电缆。各子站划分如下：
（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：负责集水泵房、旋流沉沙池、巴氏计量槽及水解酸化池内设备的自动控制和数据采集。在旋流沉沙池内设置现场控制PLC子站，水解酸化池上设置WAGO的远程I/O站。
（2）鼓风机房及CAST池分控站：PLC2
PLC2置于鼓风机房控制室：负责鼓风机房、变配电室及CAST池内设备的自动控制和数据采集。每组CAST池设置单独控制PLC子站，CAST池上设置WAGO的远程I/O站。
（3）加药车间、加氯车间、中间水池分控站：PLC3
PLC3置于加药车间控制室：负责加药车间、加氯车间、中间水池内设备的自动控制和数据采集。分别设置加氯车间、中间水池单独控制PLC子站。
（4）污泥脱水车间分控站：PLC4
PLC4置于污泥脱水车间控制室：负责污泥脱水车间、污泥浓缩池分控站内设备的自动控制和数据采集。每台脱水机设置单独控制PLC子站。
（5）膜滤车间分控站：PLC5
PLC5置于中控室：负责膜滤车间、RO回用水泵房、热交换车间及CMF循环供水泵的自动控制和数据采集。
基于远程I/O从站的选择要求，选取了模块化结构、体积小、独立于现场总线的德国万可公司的WAGO-I/O-SYSTEM 750系列分布式I/O系统。采用可以自由组合数字量、模拟量和特殊功能I/O模块的现场总线节点设计，既可节省费用又可节省空间。
WAGO的远程I/O是基于现场总线独立节点设计的，每个模块具有1、2、4或8个通道。按照IEC61131-3标准，带PLC功能（控制器）的现场总线适配器分布在控制网络上。数字量/模拟量、输入/输出及带有不同电压等级和信号类型的特殊功能模块可以被组合在同一个现场总线节点中。
水生态循环利用工程自控系统框图如图2所示。
2.3.4 自控系统的仪表
现场检测仪表在计算系统控制中是不可缺少的重要部分。考虑到工作环境条件的适应性，特别是传感器直接与污水、污泥介质接触，极易腐蚀和结垢，因此传感器参量选用隔膜式、非接触式、易清洗式。兼顾到维修管理容易、方便，尽可能选用不断流拆缺式和维护周期较长的仪表。全部仪表均选用带有现场显示变送器的智能仪表，并带有4～20mA直流输出，信号通过现场终端及通信网络传送至中心监控计算机，在计算机CRT上和模拟屏上显示。
各种仪表的基本类型如下：
（1）流量检测仪表：细管道中流量计要采用电磁流量计，粗管道中采用超声波流量计。气体流量计采用热值式流量计。
（2）液位检测仪表：在需要给出连续测量信号的环节，采用超声波液位计或一体化超声波液位计，一般环节的水位测量需给出位式信号，采用浮球液位开关。
（3）温度检测仪表：采用传感器和变送器一体化的温度测量仪。热敏元件为铂热电阻（Pt100)。
（4）溶解氧测定仪：选用无隔膜固体电极传感器，并带自动清洗装置。
（5）酸度测定仪：采用玻璃电极式酸度计，悬浮物测定仪，选用光电式传感器。
（6）在线COD测定仪：采用专利光方法测定。
3 结束语
随着电子信息技术的进步和自控产品成本的降低，水生态循环利用工程的智能化自控系统也日趋成熟，并在该领域发挥出明显的经济效益和社会效益。实践已经证明，水生态循环利用工程的自动监测和控制，能够在解放生产力、提高生产效率并在降低能耗的前提下保证出水水质。因此，既经济又合理的自控系统，对整个水生态循环利用工程安全、可靠、科学地运行起到了重要的作用。
