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水处理自动控制系统的应用现状及发展前景
（北京和利时自动化驱动技术有限公司，100176）
1. 引言水是人类生存的生命线，是实现可持续发展的重要物质基础。我国饮用水资源总量为2.8亿m3，居世界第6位，但人均占有量为
水处理行业主要包含三个方面：净水处理，污水处理和中水回用。
改革开放以来，我国经济迅速发展，同时也面临着严峻的生态环境问题，各地流域水体普遍遭受不同程度的污染。随着城乡一体化规划的实施，供水需求快速增加，然而由于河流水质普遍较差，已找不到洁净的饮用水源。为了解决这一严重供需矛盾，加强自来水厂净水处理，使之能用于生活饮用水的水源，以克服清洁水源短缺的困扰，已经成为社会关注的热点。
2. 常规水处理的自控系统方案
2.1. 系统网络结构
污水处理自动控制系统采用简明的、高效的﹑开
2.2. 系统结构与配置
根据水处理工艺的控制要求，水处理工程自动化控制系统分为三级管理，包括生产管理级（中央控制室）、现场控制级（PLC控制站）及就地控制级。现场各种数据通过PLC系统进行数据采集，并通过主干通讯网络——工业以太网传送到中央控制室监控计算机集中监控和管理，传输介质为光纤，通讯速率为100Mbps。同样，中央控制室监控计算机的控制命令也通过上述网络通道传送到PLC，实施对各单元的分散控制。
中控室管理层是系统的核心，完成对污水处理过程各部分的管理和控制，并实现厂级的办公自动化。并提供系统人机交互界面，中控室一般配有两台操作站，报表打印机，图形打印机，UPS电源和以太网交换机。
两套监控操作员站为冗余配备，其中一套做工程师站，一套做操作员站。工程师站侧重组态功能，操作员站侧重监控功能，故障时互为备用，具有灵活的运行方式，保证系统的可靠运行。操作员站主要完成对污水处理厂的管理、调度、集中操作、监视、系统功能组态、控制参数在线修改和设置、记录、报表生成及打印、故障报警及打印，对实时采集的数据进行处理，控制操作以及分析统计等功能，为全站的正常运行提供全面的监测、保护、信息及调控。UPS电源为中控室的供电安全提供保障，以太网交换机为系统扩展提供了网络接口。
控制层是实现系统自动控制的关键，控制层的PLC通过程序控制整个水处理厂设备按照工艺要求自动运转，并实现对现场设备运行状态的采集，现场参数有压力、流量、温度、PH值等，采集到的数据上传至管理层。对现场设备状态以及参数的采集具有两种方式，一是通过硬接线的方式采集距离IO站比较近的标准信号的数据，另一种是通过通讯的方式采集智能仪表设备和其它成套设备的数据。硬接线与通讯相结合的方式考虑到布线的长度，采集数据的精度，设备控制的合理性等多种因素，既提高了控制系统的控制精度，又节约了成本。
在水处理厂，为提高生产的稳定性、安全性和实时性，并使系统控制方便，全厂采用集中管理分散控制的策略，全厂在控制点设置控制站和远程从站。远程从站分别设在点数比较集中，但是控制点数不多与主站连锁关系密切的控制场合，主从站之间采用通讯的方式进行数据传输。通过通讯进行数据传输方式即减少了外部接线长度，又提高了数据传输的稳定性。在主站设有触摸屏，可以实现在现场对主站以及从站设备的控制。
2.3. 系统控制模式
水处理控制系统采用控制室集中监控方式，中央集中监控系统安装于综合办公楼内，用于实现全站的集中控制和管理。监控管理计算机通过工业控制网络与PLC控制系统等现场级电控设备、仪表进行数据通讯。全厂的水流量、酸度、浊度、余氯、溶解氧等参数及设备的运行状况通过PLC进行数据处理，同时与上位操作员站工控机进行数据交换，上位机监控画面上即可显示整个水厂各主要工艺工段的设备运行状态及水质状况，操作人员根据这些状态参数，监控污水的处理状况。控制系统设计为就地手动控制、远程手动控制、远程自动控制三种控制方式。三种方式的级别由高到低依次为就地手动、远程手动、远程自动。
? 就地手动模式
设备的现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“就地”方式时，通过现场控制箱或MCC控制柜上的按钮实现对设备的启/停、开/关操作。设备的急停按钮或其他保护和安全连锁装置(如:过载保护、温度及液位保护等)全部是硬线连接至电气控制回路，不受方式选择开关的限制。现场控制箱（柜）开关在“手动”位置时，设备为离线方式，PLC不能对设备进行任何控制，就地手动模式运行方式是设备控制层的最高优先级。
? 远程手动模式
设备的现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式时，操作员可以在远程对单个设备实现远程启/停等控制。操作人员通过操作终端（HMI）或中控系统操作员站的监控画面用鼠标器或键盘选择“手动”方式并对设备进行启/停、开/关操作。
? 远程自动模式
远程自动模式是在无人值守的情况下，利用PLC的逻辑控制程序或者外部一些触发条件，系统自动控制设备或装置的运行状态。如果设备发生故障无法正常启动运行，在上位监控画面内会发出报警并实时记录设备的详细报警情况，现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式，且上位管理监控系统上面的“自动/手动”设定为“自动”方式时，设备的运行完全由各PLC根据水质工况的要求自动完成对设备的运行或开/关控制，而不需要人工干预。
3. 水处理自控系统的发展前景
水处理自控系统的发展前景始终是追随水处理行业的发展趋势，更好的使净水，污水和中水回用的处理更加完善、控制更精确、系统运行更加稳定、操作更加方便，使系统运行效率更高，更加环保和节能为目的。
3.1 水处理行业的发展趋势
在净水行业，现有的城镇净水厂已经趋于完善，但农村的饮水状况却让人担忧，大部分的农村直接饮用地下水或地表水，农村集中供水是一种发展趋势。农村净水厂的建设将是净水厂建设的主要组成之一。
我国是一个缺水严重的国家，中水处理回用使城市污水成为一种清洁安全的城市水资源，能够很大程度缓解城市的水资源严重匮乏的状态，并能够进一步减少对下游城市水资源的污染，减小下游城市水资源的净化难度。
根据《城市污水处理及污染防治技术政策》:2010年全国设市城市和建制镇的污水平均处理率不低于50%，设市城市的污水处理率不低于60%，重点城市的污水处理率不低于70%。新建污水厂仍是我国治理水资源的一个重要组成。
水处理行业的项目主要由两部分组成，一是新建项目，一是改造项目。许多已建污水厂随着水源水量的增加以及水源性质的变化，水厂扩容、处理工艺需要改进已成为必然。而建设较早的项目自动化水平落后，仍以人工管理为主。净水厂、污水厂和中水处理厂改造项目也是水处理行业的一个发展趋势。
在水处理行业，由于各水厂的水源不同，所包含的污染物不同，相应的处理工艺也不同。人们在对水源污染物认识不断加深的同时，对净水处理、污水处理和中水回用的工艺也在进行长期不懈的研究。水处理工艺的多样化、复杂化也是水处理行业发展的一个必然趋势。
净水处理厂、污水处理厂和中水处理厂的设备众多，设备也更加专业化，由同一厂家供货已不可能，而是通过不同的设备生产专业厂家提供不同的设备。
3.2 水处理行业自控系统需求
针对水处理行业发展的趋势，水处理行业对自控系统的需求主要由以下几个方面：
PLC及仪表开放的标准的通讯协议。由于现场设备众多，大部分需要通讯，而不是由一个PLC通过硬接线的方式采集所有设备的信号，以及实现控制。在短期内，需要PLC能够支持现场各种仪表和第三方厂家的通讯协议，从长期考虑，各种PLC以及仪表能够支持通用的开放的通讯协议标准。
上位组态软件丰富的驱动程序：在改造和扩建项目中，有很多情况是现场有几家的PLC设备需要与上位组态软件通讯，上位组态软件需要包含多家PLC的驱动。即使在新建项目中，也要考虑之后的项目改造和扩建，需要上位组态软件能够具有丰富的驱动程序，能够同时支持与多家PLC同时通讯和画面组态。
水厂运行节能环保：节能和环保是现代社会发展对各种工厂、产品的需求，在水处理行业同样需要考虑到节能和环保的问题。这就需要在PLC的程序编写中能够与现场工艺和设备结合，使控制更加精确，使现场设备在低能耗运行、加氯、加药适量的情况下满足出水水质。
PLC设备稳定运行：PLC设备能够稳定运行，是对自控系统的最基本要求，也是最高的要求。有较高的抗干扰能力，平均无故障时间长，即使在系统故障的情况下，能够最低限度的减少故障损失。
提高现场调试效率：由于污水及中水处理项目大部分是BOT项目，承包商需要最快的资金周转周期，而自控系统的调试是水厂正常运行调试的最后一个环节，这就需要现场调试的效率高。效率的两个方面：一是调试周期短，二是调试效果好，系统运行稳定合理。
3.3 水处理行业自控系统发展趋势
为适应水处理行业的发展趋势，满足水处理行业对自控系统的需求，水处理行业的自控系统在未来发展的主要方向包含：
? 冗余的控制系统结构
由于水处理项目自动化控制系统对安全性的要求比较高，而现在通常应用的冗余系统中，多数为双机架冗余，成本相对单机系统会提高一倍，而低成本、高可靠性的单机架冗余方案将是PLC在水处理行业发展的一大趋势。采用单机架冗余方案中，每套PLC选用一个冗余的机架，两个支持冗余系统的CPU，冗余背板有两个CPU插槽。两个CPU互为热备，当一个CPU出现故障，或与上位组态软件通讯故障时，系统切换到热备的CPU上，CPU切换的时间短，保证控制系统的不中断。
除了CPU冗余，冗余解决方案还应包括了电源冗余、网络冗余以及总线冗余。控制系统为PLC系统提供了冗余的电源系统；控制系统支持网络冗余功能，每个CPU配置双网卡，具有两个IP段地址，一个IP地址热备防止系统网络故障；同时，CPU与IO模块的通讯应可选为冗余的总线通讯，实现IO模块信号到CPU的可靠、稳定传输。
冗余系统配置主要目的是提高PLC设备运行的可靠性和稳定性，保证水厂的不间断的正常运行，保证出水水质。
? PLC合理的通讯端口设置
在污水处理厂自动化控制系统中，常用的通讯方式包括：与上位及各站之间通过Ethernet通讯；与现场控制仪表及第三方PLC通过串口Modbus、Profibus-DP和自由口通讯。
PLC的CPU集成Ethernet端口，能够支持Modbus Tcp和OPC等开放式协议；集成串口，支持Modbus RTU和自由口协议；集成Profibus-DP接口。而对于PLC控制系统通常配置的CANopen，DeviceNet，AS-i等端口由于在污水厂中的应用较少，减少这些通讯接口的配置，可以大大降低了PLC无效的系统消耗和内存消耗，提高CPU的运行效率。如果需要以上的端口，还可以通过增加通讯扩展模块来实现通讯功能。
在水处理厂智能仪表与现场设备集成的PLC分布比较分散，通讯扩展接口应该可以通过在主站以及从站任意槽位上增加通讯接口模块实现。即通讯接口模块的使用，不能受到本地背板或远程背板的限制。
? 组态软件丰富的驱动程序
组态软件应开发各种厂家PLC、仪表、移动通讯设备以及其他具有通讯功能的自控设备的驱动程序，以方便在水处理项目系统改造、扩建过程中上位组态软件与下位自控设备的兼容性，使水处理项目可以通过一个组态软件实现对现场的所有工艺进行监控，提高系统的集成度和现场工作人员的工作效率，同时降低项目成本。
? 专业程序模板
由于水处理行业的工艺多样，在项目调试过程中，一个工程师不可能全部掌握各种控制工艺的控制逻辑。而不同污水处理厂在相同的处理工艺的情况下，控制逻辑相似。基于这种特点，针对不同规模、不同工艺的水处理厂应开发专业的程序模板。
例如污水处理厂在下位具有进水泵、粗格栅、细格栅、初沉池、鼓风机、污泥脱水、加氯、加药等程序模块，使编程成为积木式的工作。现场调试的工程师只需将控制条件及控制内容输入到各模块的输入端即可，这样就可以大大的提高现场调试的工作进度。
针对污水处理、净水处理和中水回用项目，上位组态软件厂家应开发水处理行业版。水行业版组态软件应集成污水处理、净水处理和中水回用所需的常用组态画面，常用设备符号，常用控制块。画面组态工程师只需将常用设备控制块拖入到组态画面即可实现一个设备的组态，而不需每个工程都进行重新组态。常用的报警画面和趋势画面只需将定义的变量添加到报警变量和趋势变量即可完成对报警画面和趋势画面的组态。
在PLC以及组态软件功能日趋完善，产品质量也日趋接近的情况下，谁能够为客户提供更加完善的服务将成为成败的主导竞争方式。PLC以及组态软件的生产厂家除了能够为客户提供自控产品，为客户提供专业的行业支持就成为自控产品发展的趋势之一。
? 数据分析、决策支持
在污水厂管理层，除了要能够支持远程的监控现场数据，将现场IO服务器采集的现场性能较长时间存储，并对全厂历史进行存储，存储时间可长达几年的时间，并使用专业数据分析软件实现对现场数据进行分析，从而得出污水厂在不同的进水条件下的最佳运行参数，由长时间的数据积累得出在不同季节，不同月份，不同日期，不同时段，在不同的进水水质情况的最佳运行参数，根据这些数据修改现场控制站程序，并可将高级控制算法应用到现场的控制系统中，例如专家系统、变结构控制算法等，从而实现对现场控制的优化处理，提高水厂的运行效率，提高出水水质，降低运行成本，并使水处理更加环保。
对于更高层管理机构，例如水务局等，可以通过调用各水厂的历史数据，对各水厂生产数据、水厂运行效率、水厂运行管理情况等进行统计、比较，为各水厂提供决策支持，宏观调度各水厂的运行。并可根据各水厂的数据分析结果，为新建水厂提供优化设计方案。
? 远程监控
在水厂控制中心通过Web发布软件实现监控界面及监控数据的Web发布使水处理的另一个趋势，操作人员可以在任何能够登陆Internet的地方实现远程监控水厂的功能，Web发布功能的实现。将来的PLC编程软件实现远程登录也是一个发展趋势，编程人员可以在任何登录Internet的地方修改PLC的程序，进行远程调试。该功能的实现，为水厂实现在紧急情况下的专家诊断和故障排除提供了方便。
4. 结束语
自控系统是水处理行业保证出水水质，提高水处理效率，提高水处理厂管理效率的最直接有效的途径，如何使自控系统更好的为水处理厂服务，提高生产效率是水处理自控系统发展趋势的决定因素。冗余的控制系统结构、PLC合理的通讯端口设置、组态软件丰富的驱动程序、专业程序模板、数据分析、决策支持和远程监控是本文提出的水处理自控系统的发展方向。
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