冗余技術在污水處理廠自控系統中的應用

李 珍，張國騫，張 瑋，趙新龍

（天津工業自動化儀表研究所有限公司，天津300060）

隨著我國工業化的加速發展，人民生活水平的提高，生活污水排放量日益增多，如何節能減排、循環利用，是我們當今社會急需解決的問題。污水處理自動控制系統項目完成對污水處理廠的自動控制和生產管理，進行集中監視、管理、控制整個污水處理廠的全部生產過程和工藝流程。將雙冗余技術應用于污水處理控制系統，大大提高了系統穩定性。此工程是目前國內最大的污水處理廠自控項目，一期每天處理55×104t污水。

1 工藝流程簡述

為進一步改善天津市主城區水體環境質量，建設此污水處理廠項目，出水水質達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）中的一級A標準。此污水處理采用多級AO+高效沉淀+深床過濾工藝，消毒采用紫外線消毒工藝，除臭采用全過程除臭工藝。污水處理廠產生的污泥經濃縮、脫水后，進入污泥處理處置廠進行處理[1]。其工藝流程如圖1所示。M

圖1 污水處理工藝流程Fig.1 Flow chart of wastewater treatment process

由圖1可看出此污水處理工藝復雜，為此我們研制一套技術先進、運行可靠、具有現代化生產管理水平的污水處理廠自動控制系統。

2 冗余自控系統的組成

該自控系統包括1個工程師站、3個操作員站、2個冗余的數據服務器通過雙環形光纖以太網鏈路，下掛7個具有雙控制器的分控站，每個分控站又連接一個子環，下掛若干個子設備站形成整個污水處理廠冗余自控系統。自控系統網絡結構如圖2所示。

該自控系統是由中央監控管理級、區域控制級、現場檢測執行級組成的三級計算機分散控制系統。此自控系統結構可使生產過程中的信息能夠集中管理，以實現整體操作、管理和優化；同時，也使得控制危險分散，提高系統可靠性[2]。

2.1 中央監控管理級

中央控制系統由1臺工程師站、3臺操作員站、2臺數據服務器、閉路電視監控系統、圖像投影裝置、數據圖表打印記錄裝置組成。

中央控制室負責監控全廠污水處理過程中各工藝參數和設備工作狀態，執行集中管理的職能。數據庫服務器和監控工作站冗余配置，采用具有C/S（客戶機/服務器）結構形式100/1000 M交換式的計算機局域網絡，并可與上級系統或周邊系統鏈接。

中央控制室設置1臺工業控制計算機為工程師站，主要作用是配置系統硬件、形成控制策略、將生成的各類組態信息下載到操作員站和I/O控制站，使系統成為具有特定功能的監控系統。在系統運行過程中，工程師還在工程師站在線調試系統狀態參數，在線修改控制參數等。同時，工程師站也是系統的維護中心。

中央控制室設置3臺工業控制計算機為操作站，可通過多種畫面實時監視全廠工藝參數變化、設備運行、故障發生等情況，并進行多種模式操作。操作員站的主要功能是對現場的監控、存儲歷史數據、事故追憶記錄、打印等。3臺操作站的監控系統互備冗余。

圖2 自控系統網絡結構Fig.2 Network diagram of automatic control system

中央控制室設置2臺數據服務器冗余，2臺數據服務器通過環形網絡從各個分控站讀寫數據，實現數據共享，與操作員實時進行數據交換，當一臺服務器出現故障時操作員站可以與另外一臺服務器進行數據交換。

中央控制室實施全廠的運行監視、生產調度、數據服務和設備管理；動態運行數據、設備工況、生產圖像通過液晶拼接顯示屏和計算機顯示屏實時顯示。

2.2 區域控制級

區域控制級由SIMATIC S7-400H系統可編程序控制器、SIMATIC操作顯示屏、通信系統、UPS電源等組成現場分控站。此系統共有7座現場分控站，1#現場分控站為預處理區、2#現場分控站為生物處理區1、3#現場分控站為生物處理區2、4#現場分控站為生物處理區3、5#現場分控站為深度處理區1、6#現場分控站為深度處理區2、7#現場分控站為污泥處理區。7座現場分控站對污水處理廠各過程進行分散控制，現場各分控站與中央控制室通過雙光纖工業以太網冗余環網連接實現集中監控和管理，實現了分布式集散型計算機控制系統。現場各分控站接收工程師站下載的組態信息，完成各工藝段及功能區域內數據采集，工藝過程協調以及工藝設備控制。每個分控站采用S7-400H的高可靠性具有冗余功能SIMATIC PLC。

2.2.1 具有冗余功能PLC硬件組成

該控制系統采用西門子系列SIMATIC S7-400H系統可編程序控制器。PLC系統配置為雙機熱后備系統，PLC控制系統采用冗余配置，主站由2塊電源模板 （PS407 10A）、1塊 CPU414-5 H PN/DP模板、2塊通訊模板CP443-1組成。同樣從站與主站具有相同的配置，主站與從站的CPU中分別插入2塊同步子模塊，連接2根同步光纖實現控制器的冗余，構成雙以太網冗余鏈路，如圖3所示。

圖3 H系統以太網結構Fig.3 Ethernet structure diagram of H system

2.2.2 冗余系統PLC配置特點

平滑主從切換能夠自動無擾切換；自動事件同步；集成的錯誤識別和錯誤定位功能；操作期間可以對系統進行修改；下載程序時只考慮單個CPU程序可自動拷貝到另一個CPU中；CPU修復后自動再進入；運行中所有部件可更換。

此外，控制級PLC通過Profibus-DP網絡通訊接口，作為Profibus-DP現場總線的主站建立冗余配置的Profibus-DP現場總線系統，與現場級分布式智能I/O ET200M連接，實現與現場設備通訊。每套冗余PLC還配1臺SIMATIC人機界面HMI，為便于操作員現場實時監視及修改數據，人機界面HMI與S7-400H冗余連接，并在冗余切換時實現連接自動切換。

2.3 現場級

現場檢測執行級與區域控制級間以10/100 M環形光纖工業以太網連接。現場分控站與現場遠程I/O站、主要工藝設備電控裝置的連接基于環形光纖工業以太網的數字傳輸。

由于現場設備繁多，控制設備分散的特點我們采用西門子ET200M高密度模塊化的分布式I/O系統，它使用了S7-300信號模塊、功能模塊和通訊模塊進行擴展，特別適合復雜的自動化任務，適宜與冗余系統一起使用。每個ET200M系統中IM153-2接口模板上帶有Profibus-DP接口，與冗余Profibus-DP現場總線分別連接，實現現場分控站與控制設備的冗余連接。保證了整個系統安全、穩定、高效的運行。

3 系統的主要技術特點

系統的多重冗余設計，即雙控制器冗余，雙電源冗余、雙交換機冗余，雙環以太網通訊鏈路冗余、雙數據服務器冗余、工程師站與操作員站雙鏈路通訊冗余和操作員站之間的互備冗余，使得整個監控系統更為完善，保證了系統的穩定性和可靠性。

生物池處理工藝采用專家自適應優化智能控制，完成了IQR優化控制以及外加碳源投加量優化控制。

泵站優化控制，該系統對進水、提升、雨水、污泥、出水等泵組采用了泵站優化控制系統，實現泵群的自動分組控制、工頻和變頻組合控制等，保證多臺泵組輪值平穩運行、各車間無人值守。

SCADA數據采集管理系統，它具有穩定可靠的實時監控性、高效實時歷史數據存儲功能、系統的開放性和延展性、組件建模及快速開發復制功能。可以實現多種統計計算，進行事件的報警和預警，歷史回放重現機組工況，網絡Web發布，報警查看、報表查詢等功能，系統實現了網絡診斷功能、控制器I/O硬件診斷功能、分控站屏的自動切換功能、以及現場設備運行響應狀態的自動監視及控制等。SCADA數據采集管理系統設計，保證整個監控系統運行穩定、可靠，杜絕生產狀況誤判，誤動、擾動，除了滿足集中管理、分散控制、智能檢測的先進性水平，還應用成熟的優化控制技術，盡可能節約投資，以期獲得良好的經濟指標，為污水處理廠節能降耗、經濟運行提供保障。

4 結語

污水處理控制系統設計多重冗余，使得整個監控系統更為完善，保證了系統的穩定性和可靠性。該自控系統體現了集中管理、分散控制、智能檢測的先進水平。水是人類生存和社會發展的重要物質基礎，是一種有限的、又不可替代的寶貴資源，也是社會經濟可持續發展的重要保證[3]。因此城市污水處理控制系統不僅能節約能源，提高經濟效益，也具有重要現實意義。此污水處理廠投入使用，運行效果良好，得到用戶好評。

[1]陶俊杰.城市污水處理技術及工程實例[M].北京：化學工業出版社，2005.

[2]張利.基于西門子PLC技術的污水處理廠控制系統設計與實現[D].陜西：西安電子科技大學，2012.

[3]夏暢斌，羅彬，尹奇德.污水處理機械化與自動化[M].北京：化學工業出版社，2008.