摘要：本文介紹了貝加萊緊湊智能型Power Panel和分布式X20 I/O在污水處理廠自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用。基于Ethernet POWERLINK現(xiàn)場總線（一種工業(yè)實(shí)時以太網(wǎng)）和工控組態(tài)軟件Power Vision的分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對污水處理廠的自動控制和監(jiān)控。整個系統(tǒng)采用上位機(jī)集中管理和現(xiàn)場控制站分散控制的方式，其上位機(jī)與現(xiàn)場站之間組網(wǎng)簡單、運(yùn)行速度快、通信穩(wěn)定性強(qiáng)，操作可視化程度高，這些特點(diǎn)有利于提高污水處理設(shè)備的運(yùn)行效率和管理水平。運(yùn)行實(shí)踐表明該系統(tǒng)具有較高的推廣應(yīng)用價值。

    關(guān)鍵詞：緊湊智能型Power Panel；X20 I/O；Ethernet POWERLINK；PowerVision；污水處理

    1 引言

    水是人類生活和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不可或缺的重要資源。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)現(xiàn)代化的加快，人口的高度集中，城市用水量和污水的排放量不斷增加，加劇了用水緊張和水質(zhì)污染。

    建設(shè)可靠、穩(wěn)定、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)和可擴(kuò)展的水處理自動化系統(tǒng)已經(jīng)成為自動化和城市水行業(yè)營運(yùn)管理部門共同關(guān)心的問題。微電子、通信、自動化和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展大大提高了水處理控制系統(tǒng)的信息化和智能化程度，也同時促進(jìn)了水處理自動化系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展。

    在污水處理控制系統(tǒng)中，存在著分布區(qū)域廣、設(shè)備分散、控制點(diǎn)多、控制信息量較大、輸入/輸出點(diǎn)以開關(guān)量居多而模擬量相對較少等特點(diǎn)，比較適合采用PLC（或PCC）來進(jìn)行控制。因此，以PLC為控制核心就成為污水處理廠自動控制系統(tǒng)架構(gòu)的主要模式。

    2 污水處理的工藝流程

   目前污水處理的工藝主要包括SBR、A/O 、氧化法、CASS、HCR高效生物、膜生物法等方式。污水處理廠工藝的選擇要根據(jù)占地面積、運(yùn)行成本、總投資和自動化程度等因素和實(shí)際情況來選用適合的污水處理工藝。無論什么工藝，一般污水處理都包括一級處理和二級處理兩部分，不同工藝的關(guān)鍵在于生化反應(yīng)階段工藝的不同。一級處理部包括粗格柵、進(jìn)水泵房、細(xì)格柵、旋流沉沙池；二級處理部分包括生化池、儲泥池、脫水機(jī)房、消毒池。

    污水處理的工藝流程如圖1所示。
  
                   
                                        圖1 污水處理的工藝流程

    3 基于貝加萊控制方案的污水處理廠自動化系統(tǒng)

    3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

   根據(jù)城市污水處理廠工藝流程、廠區(qū)布置、生產(chǎn)和管理體制等方面的具體要求，污水處理廠自動化系統(tǒng)主要由現(xiàn)場控制層、集中監(jiān)控層、廠部生產(chǎn)管理層和公司級生產(chǎn)調(diào)度層組成 。

    現(xiàn)場控制層是污水處理自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ)，構(gòu)成它的裝置主要有PLC(或PCC)、過程檢測儀表和機(jī)電控制設(shè)備等。根據(jù)廠區(qū)平面布置及工藝流程的特點(diǎn)，該層一般由以下工段的PLC工作站組成：污水預(yù)處理系統(tǒng)/進(jìn)水泵房；生化處理系統(tǒng)/配電中心；鼓風(fēng)機(jī)房（如有鼓風(fēng)機(jī)曝氣）；污水消毒系統(tǒng)/出水泵房；污泥處理系統(tǒng)/脫水車間。hhhh3.2 貝加萊控制方案

    3.2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

   根據(jù)污水處理廠的特點(diǎn)和控制要求，提出了基于貝加萊工控產(chǎn)品的自動化系統(tǒng)方案，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

    3.2.2 特點(diǎn)

    在每個現(xiàn)場控制站上，操作員可從現(xiàn)場的觸摸屏（PP420）上看到整個工藝段的數(shù)據(jù)，方便讀取、監(jiān)控及操作，便于現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)。
  
                          
                                圖2 基于貝加萊工控產(chǎn)品的污水處理自動化系統(tǒng)架構(gòu)

    緊湊智能型Power Panel系列，集成了控制器，顯示和靈活的接口，與第三方控制系統(tǒng)兼容，產(chǎn)品緊湊的設(shè)計和性價比使之廣泛地應(yīng)用在工控行業(yè)。X20 I/O，不僅僅是一個遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)，而是一個完整的控制方案。根據(jù)客戶的要求以及單個項(xiàng)目的要求，X20系列產(chǎn)品能連接所有的必要組件。

   3.2.3 優(yōu)勢

    （ 1 ） 其集成軟件平臺Au t oma t i o n St u d i o ， 支持6 種IEC-61131（LD、IL、ST、SFC、CFC、 FBD） 編程語言和2種高級語言（ANSI C、B&R Automation Basic）。

   （2）高速實(shí)時的Ethernet POWERLINK總線系統(tǒng)

   POWERLINK遠(yuǎn)程I/O擴(kuò)展方式，介質(zhì)為以太網(wǎng)交叉線。

   通訊速率為100Mb，通訊距離為100米。

   可采用總線型、樹型、環(huán)型，星型。避免了其它現(xiàn)場總線因單一結(jié)構(gòu)（總線型）帶來的不便。如每遠(yuǎn)程I/O站可獨(dú)立工作，斷開任何一個I/O站也不會造成關(guān)鍵影響。
 
   圖3示出了有關(guān)各類總線的技術(shù)性能比較。
 
                      
                                    圖3 各類現(xiàn)場總線的技術(shù)性能比較

   （3）站間數(shù)據(jù)通訊（如圖4所示）各控制站可獨(dú)立運(yùn)行。各獨(dú)立站之間可有數(shù)據(jù)交換。貝加萊有專門用于CPU之間通訊的協(xié)議IMA，通訊介質(zhì)可為以太網(wǎng)、 CAN、串線等，組態(tài)方便。支持路由。
  
                                       
                                          圖4 站間數(shù)據(jù)通訊

   （4）方便快捷的診斷工具通過IE就可診斷CPU、IO狀態(tài)，無須編程軟件。VNC Client客戶端可顯示現(xiàn)場屏畫面和完成操作，如圖5所示。

   （5）方便快捷的維護(hù)工具（如圖6所示）一鍵自動安裝程序；使用生成的 CD-ROM 啟動盤(帶有autoplay)；使用生成的CF卡。

   （6）一鍵自動升級程序應(yīng)用程序或操作系統(tǒng)升級可通過 CD-ROM、CF卡或在線接口實(shí)現(xiàn)。
  
                      
                                        圖5 VNC Client可顯示現(xiàn)場畫面并完成操作
  

                                
                                    圖6 應(yīng)用程序或操作系統(tǒng)升級

   3.2.4 上位監(jiān)控系統(tǒng)

   （1）上位監(jiān)控軟件

    Power Vision組態(tài)軟件可方便快速地從控制站上上載變量，加快組態(tài)的進(jìn)程，并支持?jǐn)?shù)組、結(jié)構(gòu)體變量的上載。Power Vision是一款完全基于windows平臺的流程監(jiān)控軟件，使用起來方便簡捷，運(yùn)行起來穩(wěn)定可靠。

    污水處理自動化系統(tǒng)的上位監(jiān)控部分主要配置了粗/細(xì)格柵、進(jìn)水泵房、生化池、污泥回流泵房和消毒池等流程畫面。操作員通過流程畫面在中控室就可以掌握整個工廠的運(yùn)行情況，完成設(shè)備的啟停操作。

    （2）PowerVision的用戶安全管理系統(tǒng)

    PowerVision軟件為用戶提供了一個強(qiáng)有力的安全管理系統(tǒng)。在“PowerVision”的開發(fā)系統(tǒng)里可以對所創(chuàng)建的工程進(jìn)行加密，必須輸入正確的密碼才能進(jìn)入該工程的開發(fā)系統(tǒng)。對畫面上的圖形對象也可設(shè)置訪問權(quán)限，同時給各類操作者分配不同的訪問優(yōu)先級權(quán)限和安全區(qū)，當(dāng)操作者擬進(jìn)行操作時，如其優(yōu)先級低于對象所要求的訪問優(yōu)先級或不在對象的訪問安全區(qū)內(nèi)時，則不可訪問該對象。即欲訪問一個有權(quán)限設(shè)置的對象，要求操作者必須具有相應(yīng)的訪問優(yōu)先級，且操作者的操作安全區(qū)須在對象的安全區(qū)內(nèi)方能訪問。PowerVision以此方式來保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

    （3）PviUser界面可完成各類變量的創(chuàng)建和上載設(shè)備配置PviUser界面可以完成CPU變量的上載，上載包括全局變量和各個任務(wù)下面的局部變量，在上載的同時可以設(shè)置監(jiān)控軟件從CPU中實(shí)時采集數(shù)據(jù)的頻率，還可以手動創(chuàng)建全局變量、任務(wù)及任務(wù)里的局部變量，這樣以便在沒有CPU站的時候，也可以按照原設(shè)計IO變量完成上位監(jiān)控畫面的組態(tài)。
  
                      
                                圖7 PviUser界面

    3.2.5 網(wǎng)絡(luò)通訊

    利用各PP420自帶以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制站之間的通訊，以及與監(jiān)控中心數(shù)據(jù)通訊。光纖連接現(xiàn)場站和監(jiān)控中心。分布式I/O擴(kuò)展采用100M速率的Ethernet PowerLink總線。RS485接口模塊與現(xiàn)場站儀器儀表通訊。

    Ethernet POWERLINK（EPL）標(biāo)準(zhǔn)是一種可滿足最苛刻要求（4級）、并已投入實(shí)際應(yīng)用的實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)。EPL的主要技術(shù)指標(biāo)有：用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)IEEE802.3u(Fast Ether-net)作為傳輸媒介；傳輸速率100Mb/s；使用標(biāo)準(zhǔn)Hub和標(biāo)準(zhǔn)接線；實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸周期最小達(dá)200μs；抖動小于1μs；可同時傳輸實(shí)時和非實(shí)時數(shù)據(jù)以及 IP協(xié)議；使用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)硬件設(shè)備，并且支持冗余技術(shù)。它不僅具有工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的可靠性及環(huán)境適應(yīng)性，還很好地解決了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的實(shí)時性問題。

    貝加萊控制系統(tǒng)支持分時多任務(wù)操作系統(tǒng)，每個觸摸屏現(xiàn)場控制站均采用一個開發(fā)軟件AS來開發(fā)，是面向?qū)ο蟮木幊谭绞健S軟件提供完善的PID算法，對完成生產(chǎn)過程壓力、溫度、流量等工藝參數(shù)進(jìn)行PID回路調(diào)節(jié)。高性能的控制器和支持帶電插拔X20 I/O 系統(tǒng)，單個模塊或部件的損壞不會影響其它設(shè)備的正常運(yùn)行，提高了污水控制系統(tǒng)的可靠性，有利于系統(tǒng)的維護(hù)。I/O就地接入，再通過總線接入PP420，通訊介質(zhì)為屏蔽雙絞線，減少布線成本，提高電氣系統(tǒng)可靠性，實(shí)現(xiàn)就近接線，遠(yuǎn)程監(jiān)控。PP420接口豐富，可以提供RS232、RS485、Profibus-DP等與第三方設(shè)備的通訊接口，方便用戶擴(kuò)展和使用。

    4 結(jié)束語

   貝加萊污水處理自動化系統(tǒng)是基于PCC、計算機(jī)、數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)及軟件系統(tǒng)的污水處理廠實(shí)時控制和管理系統(tǒng)，使污水處理廠的自動化控制水平得到全面提升，可以安全、可靠地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜污水處理工藝流程，減少人為因素帶來的事故隱患，保證污水處理質(zhì)量，同時能提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益，使傳統(tǒng)污水處理廠的生產(chǎn)運(yùn)行及管理產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。

   貝加萊（B&R）的自控系統(tǒng)滿足了污水處理廠運(yùn)行管理和安全處理的要求，即生產(chǎn)過程自動控制和報警、自動保護(hù)、自動操作、自動調(diào)節(jié)、提高了運(yùn)行效率，降低了運(yùn)行成本，減輕了勞動強(qiáng)度，對污水處理廠內(nèi)各系統(tǒng)工藝流程中的重要參數(shù)、設(shè)備工況等進(jìn)行集中實(shí)時監(jiān)測，對重要設(shè)備進(jìn)行集散控制。目前使用該系統(tǒng)的污水處理廠從正式投運(yùn)至今，控制設(shè)備運(yùn)行正常，污水處理廠的出廠水質(zhì)達(dá)到了設(shè)計排放標(biāo)準(zhǔn)。

   參考文獻(xiàn)：

   [1] 趙奎霞. 水處理工程（第二版）[M].中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2008.

   [2] B&R. PCC初級培訓(xùn)教程.

   左蘇平（1980-）女，現(xiàn)為貝加萊工業(yè)自動化（上海）有限公司工程師，從事工業(yè)自動化技術(shù)工作8年。   

    摘自《自動化博覽》2012年第四期