SCADA系統在市政污水處理中的應用

滕達

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

據統計，中國只有40%的城市擁有城市污水處理廠，60%的城市污水沒有經過處理就進行了排放，首要原因就是建設資金短缺[1]。市政污水處理的裝置主要為大型構筑物，占地面積廣，檢測儀表分布較為分散。傳統設計中，現場信號主要采用硬線接入控制系統，需要占用大量的I/O卡件，同時相應的電纜敷設工作也提高了材料及施工成本。

在某國外市政污水處理的控制系統中，現場信號主要以Profibus或Modbus等串行通信方式接入系統，使用環網拓撲結構增加了通信的可靠性，這不僅減少了控制系統的卡件數量，而且降低了材料費及施工費。此外，智能儀表的發展使得通信不僅能監控工藝參數值，還可得到儀表本身的運行信息，將傳統的被動維護轉換為主動維護，對系統平穩運行及設備維護有著硬接線方式無法比擬的優勢。

1 污水處理控制系統架構

監控及數據采集系統(SCADA)適用于長距離遠程設備的控制，該污水處理廠的自動控制采用PLC-SCADA組合，實現了“集中管理、分散控制”的控制方式，大幅提高了系統的可靠性。根據工藝流程及布置需求，將整個污水處理流程分為若干控制區，各控制區就近設立現場分控站，現場分控站采用“無人職守”模式，由中心控制室對全廠實行全自動化運行控制和管理。

控制系統包括現場檢測及執行層級、區域控制層級、中央監控管理層級，系統架構如圖1所示。

圖1 污水處理控制系統架構示意

1.1 現場檢測及執行層級

現場檢測及執行層級由檢測儀表、氣體檢測儀表、控制閥(閘)門、其他電氣設備等組成。

1.1.1檢測儀表

污水處理廠常規配置的檢測儀表包括： 溫度計、電磁流量計、熱式空氣質量流量計、雷達流量計、超聲波液位計、超聲波污泥界面儀、雷達液位計、電容式液位計、ORP檢測儀、pH計、溶解氧測量儀、電導率檢測儀、污泥濃度計、MLSS檢測儀、總磷分析儀、氨氮分析儀、硝氮分析儀、TOC分析儀、BOD分析儀、自動取樣器等。

除溫度、壓力、濕度儀表采用4～20 mA兩線信號外，其他國際主流品牌的儀表均支持Profibus/Modbus通信協議，儀表的類型不同，支持的通信方式也不同。以E+H為例，其溫度、流量、液位、簡單分析儀等簡單儀表支持Profibus PA總線通信；超聲波污泥界面儀、污泥濃度計、總磷/氨氮/硝氮/TOC/BOD分析儀等大型儀表支持Profibus DP總線通信。通信傳遞數據可通過1根信號線獲取多個參數，如pH計內置溫度補償，采用PA通信可同時獲得pH值及溫度值，不需要再設置溫度測點。同時，通過配套的軟件可在控制室實現對儀表量程的設定、儀表標定、定位器整定等，大幅減少了工廠維護的工作量[2]。

1.1.2氣體檢測儀表

氣體檢測儀表采用4～20 mA信號接入多通道控制器，控制器自帶聲光報警并通過Modbus RTU協議與PLC通信。

1.1.3控制閥(閘)門

控制閥布置分散，不宜采用氣動執行機構，因而使用智能型電動控制閥，電動控制閥既可以通過直流24 V信號控制，又可以通過Profibus DP總線控制。電動控制閥的常規控制參數一般有就地控制、就地停、過熱跳車、相位故障、遠程啟停、急停等。若按國內傳統設計采用電信號控制，需要敷設2根多芯電纜，占用7個I/O通道。若采用通信的方式，多臺電動閥可串連后使用1根雙絞線接入控制系統，且獲得的參數遠不止這7個，還包括過載保護、電機溫度、運行時間、斷線監測、位置傳送器的監控、力矩感應的監控、力矩曲線等所有信號。該項目關鍵位置的閥門采用兩種控制方式并存，這樣既可以獲取全部的設備參數，又可以保證工藝聯鎖的安全可靠。

1.1.4其他電氣設備

電氣設備的控制采用智能馬達控制中心(MCC)，變頻器、軟啟、高/低壓綜保、多功能表等智能設備均可以通過Profibus DP與PLC通信，由此SCADA系統可得到電機的所有信息。該方案不僅減少了電氣設備監控系統的投入，而且可將全廠信息整合到同一個控制系統中，便于工廠的信息管理。

1.2 區域控制層級

區域控制層級由PLC及HMI觸摸屏等組成。污水處理控制系統具有輸入輸出開關量多、模擬量少的特點，這正是PLC控制系統的優勢所在[3]。市政污水處理工藝流程為間斷操作，對系統可靠性的要求遠低于石化企業，且PLC結構簡單、故障率低，所以CPU采用非冗余型即可滿足要求。

PLC機柜上裝有HMI觸摸屏，可調取整個區域的組態畫面，即使PLC與上層通信中斷，分控站仍可對現場設備進行監控。當網絡恢復后，中斷期間的數據能夠自動補傳到中心控制室的數據服務器上，既保持了數據的一致性，又保證了操作的靈活性。

1.3 中央監控管理層級

中央監控管理層級由冗余操作員站、工程師站、冗余數據服務器、冗余歷史數據服務器、Web服務器、硬件防火墻、打印機等組成。采用客戶端/服務器模式，冗余的服務器同步運行，當1個服務器發生故障時，另1個服務器自動切換為主服務器，故障解除后自動同步信息至故障服務器。SCADA系統軟件支持最新的網絡瀏覽器，可通過TCP/IP協議和硬件防火墻訪問或寫入，出水水質參數公布在監管部門的網站上。

2 網絡拓撲

與國內傳統污水處理廠不同，國外污水處理更傾向于使用通信的方式傳遞數據，且拓撲結構一般為環形以保證通信的可靠性。以西門子系統為例，其網絡拓撲設置如下。

2.1 中央監控管理層級與區域控制層級間

中央監控管理層級與區域控制層級間為1 000 Mbit/s環形光纖工業以太網。中心控制室及各分控站內設有千兆級工業以太網交換機，每個交換機至少包括2個光口，用于組成光纖環網。當僅有1處光纖發生故障時，數據鏈路可重新整合為線形網絡，達到冗余的作用。

2.2 區域控制層級內

區域控制層級內，CPU與I/O站間為現場總線Profibus DP，其優點為對現場檢測儀表及第三方設備的兼容性遠好于Profinet，雖然Profibus DP本身不支持環網拓撲，但可利用光電轉換器組成光纖環網，既擴大了通信距離，又提高了抗電磁干擾性。當僅有1處網絡斷點時，可保證通信不受影響，提高了網絡的可用性。

光電轉換器OLM (optical link module)可將Profibus通信介質由電纜轉化為光纖，其常用的拓撲結構一般有： 點對點連接、線形拓撲、星形拓撲、冗余光纖環網。OLM冗余光纖環網拓撲結構如圖2所示，需注意該種拓撲結構必須使用雙光纖端口且型號相同的OLM。當僅有1處光纖中斷時，環網轉化為線形網絡。如果是OLM模板故障，則連接在該模板上的設備將從網絡中被分割，其他設備變成線形連接。

圖2 OLM冗余光纖環網拓撲結構示意

2.3 區域控制層級與現場檢測及執行層級間

區域控制層級與現場檢測及執行層級間的網絡按儀表通信方式不同，分以下幾種情況。

2.3.1Profibus DP通信

使用“一進一出”的Profibus RS-485插頭將儀表串連起來，當單個儀表故障時，不影響后續儀表通信；但若通信線中斷，則后續所有儀表通信中斷。需要注意的設計原則有： 總線長度與傳輸速率有關，總線長度與傳輸速率的關系見表1所列，由表1可知，傳輸速率越快，總線長度越短；按照RS-485串口通信規范，當網絡中硬件設備超過32個或通信距離超過表1限制時，需要增加中繼器進行物理網段的擴展；電纜的兩端應該連接終端電阻，以消除通信電纜中的信號反射。

表1 總線長度與傳輸速率的關系

2.3.2Profibus PA通信

因區域控制級內的通信協議為Profibus DP，要將 Profibus PA的儀表整合到系統中，需要用到DP/PA耦合器及接口模塊等卡件。使用方式有兩種： DP/PA耦合器單獨作為DP從站使用；DP/PA耦合器和接口模塊一起作為DP/PA連接器使用。兩種應用的區別見表2所列。

表2 DP/PA耦合器與連接器應用區別

使用2個DP/PA耦合器和有源現場分配器AFD (active field distributor)可組成環網冗余。需要注意的設計原則： 每臺DP/PA 連接器理論上可掛接5臺DP/PA耦合器，但實際應用中不應超過3臺。每臺DP/PA 連接器和1～8臺AFD組成環網，理論上可連接64臺PA設備，但實際用于控制目的時，每個網段掛接的PA設備不應超過6臺，且同一網段上掛接的閥門數量不應超過2臺；用于監視等非控制目的時，每個網段掛接的PA設備不應超過12臺。1個網段上的總線電纜總長度(干線+支線)不應超過1 200 m，分支線的最大長度取決于主干線上的分支數量，見表3所列。

表3 PA總線最大允許的分支線長度

2.3.3Modbus 通信

當現場設備不支持以上兩種通信方式時，規定其使用Modbus RTU通信組合RS-485接口，連接方式與Profibus DP類似，通過Modbus Link接入系統，同樣需遵循RS-485串口通信規范，此處不再贅述。

3 結束語

該國外市政污水處理控制系統主要采用通信的方式傳遞數據，并通過環網冗余提高了通信的可靠性，減少了傳統設計中大量的I/O卡件及硬線電纜敷設，降低了系統造價，且通信可獲取智能設備的完整信息，將傳統的被動維護轉化為主動維護，降低了因設備故障導致停車的概率，為污水處理廠平穩運行提供了保障。

參考文獻：

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