0 引言
随着计算机和通信技术的发展和自动化水平的不断提高，越来越多的工厂采用分布式控制，集中信息管理的控制模式。对污水处理厂运用集散控制系统模型可以最大限度提高污水处理厂运行可靠性，提高出水水质，降低能耗和工人劳动强度，达到提高经济效益的目的。可编程计算机控制器（Programmable Computer Controller，简称PCC）以其高可靠性、编程方便、耐恶劣环境、功能强大等特性已成为工业控制领域中增长速度最迅猛的工业控制设备，它能很好地解决工业控制领域普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题[5]。本文以兰州某县的污水处理为例，介绍了基于贝加莱PCC和以太网的污水处理自动控制系统的实现。PCC通过以太网与现场被控制设备建立通信，从而实现数据采集和对现场设备的自动控制。
1 污水处理流程
该污水处理厂日处理污水量为5.0万m3/d，出水标准要求实现国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准，对污水进行三个阶段的处理。一级处理，主要去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质，经过一级处理的污水，BOD一般可去除30%左右，达不到排放标准。一级处理属于二级处理的预处理。二级处理，主要去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质（BOD，COD物质），去除率可达90%以上，使有机污染物达到排放标准[1]。三级处理，进一步处理难降解的有机物、氮和磷等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等。处理工艺采用CASS池工艺生化处理，尾水达标后排入黄河。污泥处理采用机械浓缩脱水处置工艺泥饼外运卫生填埋，污水处理流程如图1所示。
图1 污水处理流程图
Fig.1 Flowchart of Sewage Treatment
2 系统控制方案
2.1 系统工艺分析
在沉淀池单元，利用超声波液位变送器、提升泵和PCC构成了一个控制回路。液位变送器将液位变化转化成信号传送给PCC，然后PCC根据信号做出相应的反馈给变频器，通过PID控制电磁阀来调整泵电机的频率和启停台数，以此控制沉淀池单元的水量。
CASS池单元是整个处理工艺的核心单元。本系统在传统CASS池的前端增加了一个生物选择区（缺氧运行），采用双池进水，循环周期采用6小时，CASS池每日按4个周期运行，时段分配为：进水/曝气/回流4.0小时；静止沉淀1.0小时；滗水闲置(排泥) 1.0小时。
PCC通过CASS池中的PH值、氧化还原电位、溶解氧、混合液悬浮固体浓度以及电导率值等参数的变化，做出相应的反馈信号传送给泵、变频器和电动阀，变频器通过PID方式控制鼓风机组，保持管内压力恒定。通过泵、鼓风机的启停和调整电动阀的开度来实现CASS池污水处理工艺的自动控制，使其达到最佳处理状态。
2.2 污水处理控制方案
根据污水厂的分布情况，共设有三个PCC现场控制站，分别设置在三个位置。
（1）粗格栅及污水提升泵房控制室，实现对所有现场在线仪表的数据采集，负责粗格栅及污水提升泵房、细格栅及沉砂池、配水井、进厂水水质的设备控制及数据采集。
（2）变配电室控制室，负责鼓风机房、CASS反应池、接触池、加氯间、出厂水水质的设备控制及数据采集。；
（3）污泥脱水机房控制室，负责贮泥池、污泥脱水机房、冲洗水池的设备控制及数据采集。
其中变配电室现场控制站还包括四个远程站，分别设置在CASS反应池滗水器附近。在工艺流程各个环节中设置了完整的全过程检测仪表，如流量、液位、压力、PH、溶氧仪等检测仪表，确保对工艺全过程运行状态、水量、水质的监控，满足各环节的自动控制需要[2]。
自动控制系统采用开放的分布式控制系统，整个污水厂自控系统由中央控制室操作员站、现场PCC控制站和现场仪表组成。中央控制室操作员站和现场PCC控制站之间通过工业以太网联接，数据和参数可以在PCC与中央控制室管理站之间相互传送[3]；PCC控制站和现场仪表之间通过现场总线和4～20mA进行数据传输；电机控制中心MCC控制站通过PCC控制站的输入输出模块和PCC进行数据传输，系统控制结构图如图2所示。
图2 系统网络图
Fig.2 Structure of System Network
在PCC现场控制站上，配置了带TCP/IP接口的通讯模块，以便和中央控制站通讯。另外还提供可编程的串口，以便与第三方智能串口设备进行通讯。PCC现场控制站将监视和控制污水处理的整个生产过程，并通过通讯网络与监控计算机及其它现场控制设备进行通讯。中控室能够观察到一些重要的运行状态和工艺参数，对现场设备进行操作及控制参数的设置和修改。考虑到方便、安全调试和运行以及紧急情况，整个系统主要机械设备的控制采用就地手动控制、自动控制、中央控制站遥控的三层控制模式；其它设备采用现场控制、中央控制的两层控制模式。
2.3 硬件设计
上位机硬件系统配置监控计算机为两台研华工控机P4，其性能稳定，可靠，性价比高。因为该厂以前使用西门子产品，拥有SIMATIC WINCC 6.0软件，因此为了减少不必要的成本，采取OPC技术来负责PCC和WINCC软件的数据通讯，主要实现对污水处理各工艺参数的检测与控制。
下位机系统采用三台贝加莱X20高性能X20CP1485控制器，自带以太网，和RS232或CAN通讯接口，其处理频率达到Celeron 400MHz，达到400US任务执行时间。通过编制控制程序，对现场控制站I/O模块进行数据采集和分析、运算并相应输出结果。自带以太网接口实现与监控中心数据通讯，采用容易扩展X20 I/O单元，采集远程设备数据信号。结构紧凑，功能齐全，性价比高，安装方便[4]。
根据上述控制内容和工艺要求，控制系统要完成对系统参数的检测、控制、报警和自动生成报表等功能。因为本监控系统采集和控制点数非常多，为了实现系统正常、稳定、安全、高效的运行，系统以工业以太网链接为主干网；局部采用RS 485主从式链路的局域网形式。上位机通过100M Ethernet，采用TCP/IP协议与上位机进行信息传输。 通过上位机与主控单元实现对工业现场的实时监视和控制，实践表明，系统由很好的运行结果。
2.4 软件设计
贝加莱的PCC控制器采用分时多任务操作系统，可将控制要求分成多个任务并且在一个扫描周期内同时执行。系统软件使用Automaton Studio，它支持标准的C、Basic、梯形图、指令表、顺序结构图等6种标准的开发语言，提供了强大的数据运算和处理能力。同时编程环境中包含丰富的函数库及功能块,大大减轻了开发人员的工作量。本系统使用高级语言C进行编程，其运算时间快，而且容易实现模块化编程。加上PCC的分时多任务系统，可以使控制更加快速和精确，以达到更好的控制目标。
Automation Studio对所有自动化系统完成集成和配置任务并且能准确地识别硬件组件，提供直观精确的诊断功能，远程诊断功能、开放式接口。它的硬件和软件都是模块化的，可以根据控制需要组合成污水处理的专用控制系统，并具有灵活自由的联网和扩展能力。所有的模块（包括液位控制模块、温度控制模块等智能模块）通过一个系统总线进行连接通讯，中间没有接口，并且还具有分时多任务操作系统，可以设定程序循环周期。例如该系统就针对不同的控制要求采用了三种不同的循环时间，这样系统控制就可以分时实现各自的控制目标，使CPU的利用率达到最高。Automation Studio是确保透明性的研发过程和机器高效运行的安全性保障。系统的程序流程如图3所示。
图3 系统程序流程图
Fig.3 Flowchart of System Program
3 控制系统上位机设计
为了减少成本，上位机软件采用使用已有的西门子公司的WinCC V6.0版本。WinCC专门为过程控制和现场监控开发的监控系统软件。在组态时充分利用其强大的上下位全集成功能，节约了开发时间并增强了系统的透明访问度。WinCC V6.0可以通过OPC技术与贝加莱PCC进行通讯。首先要设置好贝加莱OPC服务器相应的配置，接着在WinCC的变量管理器中添加OPC驱动程序，选择好变量类型，然后就可以将已经存在的OPC变量添加到WinCC中[6]。这样WinCC同时可以直接集成三个PCC站上的所有I/O点和程序中的变量，省去了程序上大量的数据交换，减轻了调度PCC的负荷。
操作员站的两台工控机作为冗余服务器，支持TCP／IP网络协议。在组态服务器时，系统会要求将两台服务器中的一台定为缺省主机，另一台为冗余伙伴服务。在缺省主机上创建工程项目，并对该项目进行组态，建立与各PCC连接的驱动程序，在各个驱动程序下建立驱动连接以及过程变量，归档变量记录和报警记录，创建过程画面等[7]。
在监控画面中,可以实现自动控制调节中的手动/自动切换、给定值输入、参数输入等功能，使操作人员操作管理很方便。利用此软件可以完成监视器显示所需的现场设备监控画面。如系统状态图、硬件报警、工艺报警、模拟量趋势、对比趋势、操作日志、报表输出等。可直观、动态地显示出现场各部位重要参数的变化。以系统监控总画面和进水泵画面为例，如图4和5所示。
图4 监控系统人机界面
Fig.4 HMI of Monitoring System
图5 监控系统进水泵界面
Fig.5 Water Pumping Station of Monitoring System
4 结束语
本污水监控系统集PCC技术、网络通信技术、计算机技术、传感器技术、数据库管理于一体，采用分散控制、集中管理、综合监控的模式，准确掌握了污水处理各项工艺指标，快速监控设备运行状态，降低了现场操作人员及生产管理者的劳动强度，大大提高了污水在线监测的自动化程度。在采用技术和软硬件选型上，通过合理的方案配置使污水处理监测系统达到最佳的性能价格比。
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