基于貝加萊Power Panel和X20 I/O的污水處理廠自動化系統(tǒng)

　　1  引言
　　水是人類生活和國民經(jīng)濟發(fā)展的不可或缺的重要資源。隨著經(jīng)濟的發(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。
　　建設可靠、穩(wěn)定、先進、經(jīng)濟和可擴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)營運管理部門共同關心的問題。微電子、通信、自動化和計算機技術的發(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、設備分散、控制點多、控制信息量較大、輸入/輸出點以開關量居多而模擬量相對較少等特點，比較適合采用PLC（或PCC）來進行控制。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、運行成本、總投資和自動化程度等因素和實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，不同工藝的關鍵在于生化反應階段工藝的不同。
　　■         一級處理部分
　　粗格柵
　　進水泵房
　　細格柵
　　旋流沉沙池
　　■        二級處理部分
　　生化池
　　儲泥池
　　脫水機房
　　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，構(gòu)成它的裝置主要有PLC(或PCC)、過程檢測儀表和機電控制設備等。根據(jù)廠區(qū)平面布置及工藝流程的特點，該層一般由以下工段的PLC工作站組成：
　　●         污水預處理系統(tǒng)/進水泵房
　　●         生化處理系統(tǒng)/配電中心
　　●         鼓風機房（如有鼓風機曝氣）
　　●         污水消毒系統(tǒng)/出水泵房
　　●         污泥處理系統(tǒng)/脫水車間
　　3.2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：

　　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)

　　3.2.2特點
　　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)場設備維護。
　　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)品緊湊的設計和性價比使之廣泛地應用在工控行業(yè)。
　　X20 I/O，不僅僅是一個遠程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
　?。?）其集成軟件平臺Automation Studio ，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）。
　?。?）高速實時的Ethernet POWERLINK總線系統(tǒng)
　　●         POWERLINK遠程I/O擴展方式，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。如每遠程IO站可獨立工作，斷開任何一個I/O站也不會造成關鍵影響。
　　圖3示出了有關各類總線的技術性能比較。

　　圖3  各類現(xiàn)場總線的技術性能比較

　?。?）站間數(shù)據(jù)通訊
　　各控制站可獨立運行。
　　各獨立站之間可有數(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

　?。?）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。

　　圖5  VNC Client可顯示現(xiàn)場畫面并完成操作

　　（5）方便快捷的維護工具
　　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
　?。?）一鍵自動升級程序
　　應用程序或操作系統(tǒng)升級可通過 CD-ROM、CF卡或在線接口實現(xiàn)。

　　圖6  應用程序或操作系統(tǒng)升級

　　3.2.4上位監(jiān)控系統(tǒng)
　?。?）上位監(jiān)控軟件
　　Power Vision組態(tài)軟件可方便快速的從控制站上上載變量，加快組態(tài)的進程，并支持數(shù)組、結(jié)構(gòu)體變量的上載。

　　圖7  Power Vision組態(tài)軟件

　　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，運行起來穩(wěn)定可靠。主要功能有：
　　●        無與倫比的動力和靈活性，擁有全面的腳本與圖形動畫功能；
　　●        可視化操作界面，真彩顯示、支持漸進色、豐富的圖庫及動畫連接；
　　●        可對畫面中的部分進行保存，以便分析或打??；
　　●        變量導入導出，支持Excel，以方便對于變量名稱和屬性進行修改，并導出便于變量二次使用；
　　●        強大的分布式報警、事件處理，并支持實時、歷史數(shù)據(jù)的分布式保存；
　　●        強大的腳本語言處理，支持復雜邏輯操作與決策處理；
　　●        全新Web Server架構(gòu)，支持畫面、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的發(fā)布；
　　●        方便的配方處理功能；
　　●        豐富的設備支持能力，支持常見的PLC、智能儀表、智能控制單元；
　　●        提供硬件加密和軟授權兩種方式；
　　●        支持從控制器中上載變量。
　?。?）上位監(jiān)控系統(tǒng)的功能畫面
　　污水處理自動化系統(tǒng)的上位監(jiān)控部分主要配置了粗/細格柵、進水泵房、生化池、污泥回流泵房和消毒池等流程畫面，分別如圖8~13所示。操作員通過流程畫面在中控室就可以掌握整個工廠的運行情況，完成設備的啟停操作。

　　圖8  粗格柵

　?。?）PowerVision的用戶安全管理系統(tǒng)
　　PowerVision軟件為用戶提供了一個強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)建的工程進行加密，必須輸入正確的密碼才能進入該工程的開發(fā)系統(tǒng)。對畫面上的圖形對象也可設置訪問權限，同時給各類操作者分配不同的訪問優(yōu)先級權限和安全區(qū)，當操作者擬進行操作時，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。即欲訪問一個有權限設置的對象，要求操作者必須具有相應的訪問優(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)的安全運行。
　?。?）PviUser界面可完成各類變量的創(chuàng)建和上載
　　設備配置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下面的局部變量，在上載的同時我們可以設置監(jiān)控軟件從CPU中實時采集數(shù)據(jù)的頻率，還可以手動創(chuàng)建全局變量、任務及任務里的局部變量，這樣以便在沒有CPU站的時候，也可以按照原設計IO變量完成上位監(jiān)控畫面的組態(tài)。

　　圖14  PviUser界面

　　3.2.5網(wǎng)絡通訊
　　利用各PP420自帶以太網(wǎng)接口實現(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）標準是一種可滿足最苛刻要求（4級）、并已投入實際應用的實時工業(yè)以太網(wǎng)。EPL的主要技術指標有：用標準以太網(wǎng)IEEE802.3u(Fast Ether-net)作為傳輸媒介；傳輸速率100Mb/s；使用標準Hub和標準接線；實時數(shù)據(jù)傳輸周期最小達200μs；抖動小于1μs；可同時傳輸實時和非實時數(shù)據(jù)以及 IP協(xié)議；使用以太網(wǎng)標準硬件設備，并且支持冗余技術。它不僅具有工業(yè)以太網(wǎng)標準的可靠性及環(huán)境適應性，還很好地解決了標準以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的實時性問題。
　　貝加萊控制系統(tǒng)支持分時多任務操作系統(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?。AS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備的正常運行，提高了污水控制系統(tǒng)的可靠性，有利于系統(tǒng)的維護。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，實現(xiàn)就近接線，遠程監(jiān)控。PP420接口豐富，可以提供RS232、RS485、Profibus-DP等與第三方設備的通訊接口，方便用戶擴展和使用。
　　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、數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡及軟件系統(tǒng)的污水處理廠實時控制和管理系統(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、可靠地實現(xiàn)各種復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)濟效益，使傳統(tǒng)污水處理廠的生產(chǎn)運行及管理產(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、自動操作、自動調(diào)節(jié)、提高了運行效率，降低了運行成本，減輕了勞動強度，對污水處理廠內(nèi)各系統(tǒng)工藝流程中的重要參數(shù)、設備工況等進行集中實時監(jiān)測，對重要設備進行集散控制。目前使用該系統(tǒng)的污水處理廠從正式投運至今，控制設備運行正常，污水處理廠的出廠水質(zhì)達到了設計排放標準。