关键词：污水处理 网络
近十几年来，国内新建或扩建的城市污水处理厂先后引进了自动化控制系统，取得了显著的社会经济效益，成为城市污水厂高效、优质运行的重要保障。城市污水处理厂工艺流程如图1所示。
由图可知，城市污水从进入工厂到净化水排出工厂及污泥处理各个工段都具有相对的独立性，同时它们之间又有一定的联系，很适合组成具有分布式结构的计算机自动化控制系统。以下就城市污水处理厂计算机自动化控制系统在系统构成、网络结构、网络通信、系统软件和硬件等方面作一简要介绍。
一 系统构成
根据城市污水处理厂工艺流程、厂区布置、生产和管理体制等方面的具体要求，污水处理厂自动化系统大致可由现场测量控制层、集中监视操作层、厂部生产管理层和公司生产调度层组成，如图2。
1. 现场测量控制层
该层是污水厂计算机自动化系统的基础，直接完成生产过程中的数据采集、调节控制以及实现反馈控制或顺序控制等功能。其过程输入信息是面向传感器的信号，如模拟量、开关量、电能、时间、脉冲等，其输出是驱动执行机构运行或停止工作。
构成现场测量控制层的装置有PLC、过程检测仪表和机电控制设备等。根据厂区平面布置及工艺流程的特点，该层一般可由污水预处理系统/进水泵房、生物处理系统/配电中心、生物处理系统/鼓风机房、污水消毒系统/出水泵房、污泥处理系统/脱水车间等工段PLC工作站组成。
(1)污水预处理系统/进水泵房
该PLC工作站设在厂区进水提升泵房控制室，负责监控污水处理厂的预处理工段。其主要控制对象为粗格栅间的粗格栅及进水电动闸门、进水泵房的污水提升泵、沉砂池的排砂装置和砂水分离等设备，此外，还负责进水水质如pH、SS(浊度测量)等参数的在线检测。
(2)生物处理系统/配电中心
该PLC工作站一般设在全厂的配电中心控制室，负责监控污水生物处理工段。其主要控制对象为生物池的水下搅拌器、水下推进器和曝气设备，污泥回流泵房的污泥回流泵、剩余污泥泵，二沉池的刮吸泥机等设备。此外，其还负责生物池DO、ORP、MLSS；污泥泵房pH、MLSS，配电中心的电气参数如：电流、电压、有功功率，无功功率、有功电能、无功电能等参数的在线检测。
若污水厂生物池采用鼓风曝气时，在系统中还需增设鼓风机房PLC工作站，一般情况下工作站设在鼓风机房配电间控制室，负责监控鼓风机及其辅助设备的运行及风量的调节。
(3)污水消毒系统/出水泵房
该PLC工作站设在出水泵房控制室。其主要控制对象为出水提升泵、切换井电动阀门以及加氯消毒等设备，此外其还负责出水水质如：余氯、COD、流量等参数的在线检测。
(4)污泥处理系统/脱水车间
该PLC工作站一般设在脱水车间配电间控制室，负责监控污泥处理工段。其主要控制对象为储泥池的搅拌器、电动阀门，脱水车间的进泥泵、脱水机、浓缩机、加药系统等设备。
2. 集中监视操作层
该层一般设在综合楼或配电中心的中心控制室，由两台工业控制计算机和输入/输出设备等组成。在中心控制室设置大屏幕投影仪或模拟屏，以使值班人员更清晰地监视全厂的生产实况。
3. 厂部生产管理层
该层由中、高档计算机终端担当的工厂自动化综合服务系统和办公自动化系统组合而成，负责有关的生产管理、成本控制、质量管理、人事管理、财务管理等方面的综合处理，达到优化组合的目标。
为使厂部管理人员更好、更直接地了解全厂生产情况，在厂部一般设置4个计算机终端，即厂长办公室、总工程师办公室、化验室和厂务办公室计算机终端作为厂部生产管理层。
4. 公司调度层
公司调度系统负责全区域污水处理厂的生产调度及与其他管理部门或行政主管部门的联系，其对内通过对各污水厂的监控来协调各厂的生产，对外可与其他行业及各级行政主管部门进行通信交换信息。
由以上描述可看出污水厂自动化系统其实是有多个网段组成的一个区域性的局域网，其系统构成如图2所示。
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二 网络结构
由图2可知，在污水处理厂自动化系统的各层之间、各PLC工作站之间都是通过计算机网络进行连接的，通过网络的物理介质进行通信及信息交换。综合比较常用网络的物理结构特点，结合城市污水厂的实际情况，一般污水处理厂厂区面积都不是很大，最长的站点距离为1km左右，工控网的站点为4～7个，管理网的站点为3～5个，同时污水处理厂都又存在扩建、改造、增加或减少PLC工作站的可能，我们在设计工控网时采用总线网结构，其特性能满足工业控制实时性高、扩展灵活、方便的要求。对于管理网由于其实时性要求不高，同时对其网络中计算机终端的确切数量及今后的发展无法准确估算，在设计中管理网络都采用星型结构以满足灵活性好、扩展维护方便的要求。
综上所述污水处理厂自动化系统可以由不同的网络结构组合而成，各个网段适应各自不同的网络需求。污水处理厂完整的网络构成如图3所示。
三 网络通信
由图3可知，污水厂自动化系统通常采用三级或四级子网构成复合型网络结构，要求我们在各级子网中都配置不同的通信协议，以适应不同的通信要求。由于现场测量控制层传递过程数据及控制命令，这种信息很短，对实时性要求较高，我们采用周期“I/O”方式通信。其采用的主协议大多为塌缩结构，只有物理层、链路层及应用层，而且大多为各PLC公司的专用协议。在设计时应按选择的PLC型号配置其通信协议。
集中监视操作层主要负责传递监控信息，信息长度居于过程数据与管理信息之间，对实时性要求也比较高，其通信协议常用令牌方式控制通信，通信速率为1～100Mb/s。在厂部及公司管理层，由于其需要进行PLC网的互联，PLC网与其他局域网的互联，因此，在这两层中一般采用开发性能好的通用协议，例如MAP规约、Ethernet协议等，通信速率100～1000Mb/s。在厂部及公司网络主要传递管理信息，同时应考虑异种网络的互联，其中的通信协议大多为OSI 7层协议。
个人计算机或PLC工作站在加入不同级别的子网时，必须按所连入的子网配置通信模板，并且应按该级子网配置的通信协议编制用户通信程序。
四 系统软件
在网络结构设计、操作和维护方面，网络软件、支撑软件、工具软件和应用软件起着极其重要的作用，作为工业控制用软件我们认为其必须能满足以下的性能和功能方面的要求。
1. 软件性能
污水厂自动化系统软件应是能支持系统资源共享，适用于不同的计算机硬件平台，支持实时多任务、多用户、多处理性能，支持中文字库，支持网络通信和网络服务，具有良好的组态功能和组态方式，友好的人机界面，支持多种数据库操作和格式化，支持多媒体，支持系统冗余，有较高的可靠性、实时性，具有良好的开放性和通用性等。
2. 软件功能
污水处理厂自动化系统软件必须具有以下功能：数据采集、监控、信息管理、报表、趋势分析、登录、动态模拟、报警和事件窗口、自诊断、历史数据处理、在线组态和安全管理功能等。
根据以上要求，系统操作软件在现阶段采用具有真32位的Microsoftr WinNT、Win95以及Win98等软件，同时根据PLC品牌的不同，配置不同的通信软件、支撑软件、人机界面软件等专用软件。要求专用软件与现今流行的Microsoft产品共享信息。
应用软件通常是由系统集成商根据污水处理厂的工艺设计及使用要求，在系统软件、支撑软件平台上组态完成的程序。其属于非标产品，直接影响整个系统的可用性、安全性，在某种意义上，应用软件的好坏将会影响操作人员对工作、网络和组织的感受。因此，我们建议在工程招标中应选择有污水处理厂自动化系统工程经验的系统集成商、专业软件公司承担污水处理厂硬件、软件的安装和编程、调试工作。
五 系统硬件
系统硬件包括站点硬件和网络硬件两大类，由于污水处理厂生产过程缓慢、无自动化也可生产的特点，一般常用的PLC产品、网络产品，个人计算机等在可靠性指标MTBF(平均无故障间隔时间)、技术参数等方面一般都能满足污水处理厂自动化系统的使用要求。
由此，我们在设计中充分考虑软/硬件相匹配、性价比高等原则选择系统硬件。
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六 结束语
污水厂自动化系统从理论上来讲是一个完整的、开放的系统，但在实际设计及工程实施过程中也存在一些问题。特别是一些大型设备如鼓风机、离心脱水机、高压配电系统综合智能保护装置等，其控制系统由设备配套带来，一般情况下自成网络，是各自分离的自动化孤岛，使日后的自动化运行、管理、维护及再开发变得很困难。如何在工程设计及招投标中协调好各子控制系统，使之能够与中心控制室的主控机实现安全开放的网络通信并满足工业控制实时性的要求，是今后在工程设计中需要进一步研究的新课题。
