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【摘要】本文针对污水处理系统的主要特点，结合实际工程应用，阐述了以现场总线和组态软件结合来实现污水处理厂监控的解决方案，介绍了PROFIBUS总线特点、污水处理工程监控的网络结构特点、PLC硬件及监控组态，分析了工程实施中出现的问题及解决的方案。
【关键词】污水处理工艺；现场；PROFIBUS总线 ；iFIX监控系统软件。
中图分类号：U664.9+2文献标识码： A 文章编号：
1、引言
随着乌鲁木齐市经济的高速发展和城市人口的不断增加，污水处理行业得到了快速发展，污水处理厂的自动控制系统越来越成为污水处理稳定运行的关键。针对污水处理厂自动控制系统及污水工艺设备的安全运行的重要性，提出现场总线和组态软件技术在污水处理项目的应用的经验。并以实际系统为例，说明自动控制系统的组成及实现。
2、系统综述
2.1工艺流程
污水处理的方法一般有氧化沟法﹑SBR法﹑鼓风曝气法﹑AB法﹑A20法等工艺方法，在符合乌鲁木齐市城市发展思路的前提下，从环境保护要求的实际出发，并结合国内外污水处理厂的建设、运行经验及污水处理工艺方案的选择原则、水厂进出水水质分析等，确定以氧化沟为主的A2/O作为本工程的工艺方案进。工艺流程如图（1）所示:
（1）污水处理厂工艺流程图
2.2工艺及控制要求
此工艺要求出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B标准，除主要针对BOD5、COD、SS的去除外，还要使污水中的NH3-N和TP达到出水水质标准要求。为使整个污水处理厂控制系统能够安全可靠、经济合理、连续高效地运行，出水达到国家排放水质标准，要求本系统按照先进、可靠、实用、新颖，以高标准、高起点、高要求配置，以实现对整个水厂的全过程进行实时监控和管理。
根据以上要求，监控系统结构采用四层分层结构加辅助系统，即主监控系统分为设备层、控制层、监控层、管理层（预留接口），辅助监控系统包括了消防、视频安防、电力监控系统，这两个系统相互独立。该系统设计要求采用集散型控制系统，采取“集中监测，分散控制”的原则，由厂级中央监控工作站和现场分散就地PLC控制站组成全厂工业控制网。该自控解决方案通过PROFIBUS现场总线和工业以太网络构建了分层控制网络结构，其特点是数据量大、实时性高、可靠性高，而整体造价便宜的特点。
2.3系统网络的构成
根据以上网络结构，监控系统主要负责全厂生产过程监视控制与数据采集，由中央监控站，PLC控制站以及通讯网络构成，中央监控站设在污水处理厂中央控制室，其完成全厂的自动控制和生产管理。主要包括：操作员工作站、工程师工程站、大型模拟屏、UPS电源、报表打印机、计算机工作台等。PLC控制站分设在污水厂各工艺现场，能独立、有效地工作，主要由PLC机柜、可编程控制器、操作员面板以及网络接口等组成。通讯采用EtherNet环网为主干网，网络通讯介质为光纤。污水处理厂监控系统原理如图（2）所示：
（2）污水处理厂监控系统原理图
3、监控系统构成及原理
3.1监控系统管理层
主要功能是办公自动化系统，同时从监控层提取有关生产数据用于制定综合管理决策。管理层一般使用通用以太网，方便操作，并可连入外部网络。目前这层预留接口，待公司管理系统建设完成后，由此接口接入公司管理系统，完成管理层功能
3.2控制系统监控层：
这一层采用符合标准TCP/IP协议的以太网结构，它提供上层计算机系统通过以太网访问控制层的数据，主要为全厂范围控制系统的数据采集、监控、计算管理、统计、设备维护管理、生产流程以及物流跟踪服务，同时可以使计算机访问使用结构化查询语言（SQL）的开放性数据库。系统管理员可在这层网络上对系统进行监控，对控制器中的程序进行修改，使计算机系统存取生产现场的数据达到实时监控的目标，并对PLC提供支持。
3.2．1中央控制站监控组态软件
iFIX监控组态软件集控制技术、实时数据库技术、网络技术、人机界面技术、图形技术于一身，包含动态显示、报警、控件、趋势、网络通讯等组件，用户只需编写少量的代码即可生成高质量的控制系统。整套系统建设有多幅实时监控画面，其画面自然逼真，包括系统总貌、提升泵站与除砂池、1#氧化沟、2#氧化沟、二沉池、泥路、加药脱水间。数据库是上位机监控软件的核心所在，因此必须依据实际需要首先将其建设好，然后将各功能模块进行恰当的组合。
iFIX组态软件组态的河西工艺流程监控画面
3.3监控系统控制层
它在各个PLC之间及其与各种智能化控制设备之间进行控制数据的交换、控制的协调、网上编程和程序维护、远程设备的组态，编程和故障处理，也可以连接各种人机界面产品进行监控。系统的控制层采用的PLC与HMI组态采用PLC逻辑编程，HMI进行组态，工业以太网采用TCP/IP协议高速地将PLC中的数据传输到上监控层。PLC控制站设置在工艺区域控制室内，控制站配有以太网通讯接口，与中央监控工作站进行数据交换，PLC内留有应用程序，并配有操作员面板，可独立于中央监控站进行过程监控，以确保系统的安全可靠，根据水厂工艺布局情况，共设有5个公共PLC工作站，还有设备自带的PLC工作站3个，全厂共8个工作站，完成对全厂的监控。
3.4监控系统设备层
河西厂在设备层上采用的PROFEIBUS总线系统，主要把底层的工业设备直接连接到各现场站的控制器上，并对其进行配置和监视，也可用于可以直接连接带有接口的变送器、执行器、传动装置和其它现场仪表及设备，对现场信号进行采集和监控，支持单主和多主网络；每个站输入和输出数据最多可达244字节。并且用一对双绞线替代了传统的大量的传输电缆，大量节省了电缆的费用，也相应节省了施工调试以及系统投运后的维护时间和费用。
3.5辅助系统
全厂在整个区域关键设备处共设置了17个高清工业摄像头，用以监控整个厂区的安全及关键设备的运行状态，其数据利用监控系统的100Mb/s工业以太网传输到中控室的视频监视器中，以保证全厂的安全以及设备的正常运行。
4、系统调试中出现的问题及解决方法：
在自控系统的调试中发现上位机监控系统中所显示的数据与现场表计所显示的数据存在着一定的偏差，后将MW的高位字和低位字錯位安排在模拟量数据里实数再用了2个字，即32位，在PLC里的%MW0.100和%MW0.101是%MD0.50的实数值，而到iFIX里要将PLC里%MW0.100送到iFIX里%MW0.101，将PLC里%MW0.101送到iFIX里%MW0.100，即PLC和iFIX高、低位错位，数据这样安排后，这个问题解决了，这为后面使用iFIX软件与PLC组态积累了经验。
乌鲁木齐河西污水处理厂于2009年建设完成，该系统原设计为832个控制点，但在实际施工中，为了提升自动化水平，又增加了500个控制点，增加到1300个控制点，过这样使得水厂的自动化水平又得到了进一步的提升。河西厂原核定编制为74人，由于采用了本监控系统，大大地减少了人员的使用，现实际编制为50人，同时也大大减轻了操作人员的工作强度，使得整个水厂的工艺及设备的运行的准确性及可靠性得到了保证。
结束语：
随着工业及计算机网络技术的发展，新的控制技术和控制方式不断推陈出新，计算机监控技术也随着新技术的不断出现而提高自身的控制水平，其实时性、靠性和通用性不断增强，从目前该系统的运行情况来看，可以充分满足生产要求，系统运行稳定，出水达标率较高，故障时间明显较少。
参考文献：
[1]朱晓娟《火电厂灰水回收处理远程监控系统设计》电气自动化2008.
[2]将中军《PROFIBUS及在矿石码头中的应用》[J]。水运工程，2007.
[3]候敬芬《运用PROFIBUS实现烟草制丝线分散自动化》[J]，国内处机电一体技术，2005.
【关键词】污水处理工艺；现场；PROFIBUS总线 ；iFIX监控系统软件。
中图分类号：U664.9+2文献标识码： A 文章编号：
1、引言
随着乌鲁木齐市经济的高速发展和城市人口的不断增加，污水处理行业得到了快速发展，污水处理厂的自动控制系统越来越成为污水处理稳定运行的关键。针对污水处理厂自动控制系统及污水工艺设备的安全运行的重要性，提出现场总线和组态软件技术在污水处理项目的应用的经验。并以实际系统为例，说明自动控制系统的组成及实现。
2、系统综述
2.1工艺流程
污水处理的方法一般有氧化沟法﹑SBR法﹑鼓风曝气法﹑AB法﹑A20法等工艺方法，在符合乌鲁木齐市城市发展思路的前提下，从环境保护要求的实际出发，并结合国内外污水处理厂的建设、运行经验及污水处理工艺方案的选择原则、水厂进出水水质分析等，确定以氧化沟为主的A2/O作为本工程的工艺方案进。工艺流程如图（1）所示:
（1）污水处理厂工艺流程图
2.2工艺及控制要求
此工艺要求出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B标准，除主要针对BOD5、COD、SS的去除外，还要使污水中的NH3-N和TP达到出水水质标准要求。为使整个污水处理厂控制系统能够安全可靠、经济合理、连续高效地运行，出水达到国家排放水质标准，要求本系统按照先进、可靠、实用、新颖，以高标准、高起点、高要求配置，以实现对整个水厂的全过程进行实时监控和管理。
根据以上要求，监控系统结构采用四层分层结构加辅助系统，即主监控系统分为设备层、控制层、监控层、管理层（预留接口），辅助监控系统包括了消防、视频安防、电力监控系统，这两个系统相互独立。该系统设计要求采用集散型控制系统，采取“集中监测，分散控制”的原则，由厂级中央监控工作站和现场分散就地PLC控制站组成全厂工业控制网。该自控解决方案通过PROFIBUS现场总线和工业以太网络构建了分层控制网络结构，其特点是数据量大、实时性高、可靠性高，而整体造价便宜的特点。
2.3系统网络的构成
根据以上网络结构，监控系统主要负责全厂生产过程监视控制与数据采集，由中央监控站，PLC控制站以及通讯网络构成，中央监控站设在污水处理厂中央控制室，其完成全厂的自动控制和生产管理。主要包括：操作员工作站、工程师工程站、大型模拟屏、UPS电源、报表打印机、计算机工作台等。PLC控制站分设在污水厂各工艺现场，能独立、有效地工作，主要由PLC机柜、可编程控制器、操作员面板以及网络接口等组成。通讯采用EtherNet环网为主干网，网络通讯介质为光纤。污水处理厂监控系统原理如图（2）所示：
（2）污水处理厂监控系统原理图
3、监控系统构成及原理
3.1监控系统管理层
主要功能是办公自动化系统，同时从监控层提取有关生产数据用于制定综合管理决策。管理层一般使用通用以太网，方便操作，并可连入外部网络。目前这层预留接口，待公司管理系统建设完成后，由此接口接入公司管理系统，完成管理层功能
3.2控制系统监控层：
这一层采用符合标准TCP/IP协议的以太网结构，它提供上层计算机系统通过以太网访问控制层的数据，主要为全厂范围控制系统的数据采集、监控、计算管理、统计、设备维护管理、生产流程以及物流跟踪服务，同时可以使计算机访问使用结构化查询语言（SQL）的开放性数据库。系统管理员可在这层网络上对系统进行监控，对控制器中的程序进行修改，使计算机系统存取生产现场的数据达到实时监控的目标，并对PLC提供支持。
3.2．1中央控制站监控组态软件
iFIX监控组态软件集控制技术、实时数据库技术、网络技术、人机界面技术、图形技术于一身，包含动态显示、报警、控件、趋势、网络通讯等组件，用户只需编写少量的代码即可生成高质量的控制系统。整套系统建设有多幅实时监控画面，其画面自然逼真，包括系统总貌、提升泵站与除砂池、1#氧化沟、2#氧化沟、二沉池、泥路、加药脱水间。数据库是上位机监控软件的核心所在，因此必须依据实际需要首先将其建设好，然后将各功能模块进行恰当的组合。
iFIX组态软件组态的河西工艺流程监控画面
3.3监控系统控制层
它在各个PLC之间及其与各种智能化控制设备之间进行控制数据的交换、控制的协调、网上编程和程序维护、远程设备的组态，编程和故障处理，也可以连接各种人机界面产品进行监控。系统的控制层采用的PLC与HMI组态采用PLC逻辑编程，HMI进行组态，工业以太网采用TCP/IP协议高速地将PLC中的数据传输到上监控层。PLC控制站设置在工艺区域控制室内，控制站配有以太网通讯接口，与中央监控工作站进行数据交换，PLC内留有应用程序，并配有操作员面板，可独立于中央监控站进行过程监控，以确保系统的安全可靠，根据水厂工艺布局情况，共设有5个公共PLC工作站，还有设备自带的PLC工作站3个，全厂共8个工作站，完成对全厂的监控。
3.4监控系统设备层
河西厂在设备层上采用的PROFEIBUS总线系统，主要把底层的工业设备直接连接到各现场站的控制器上，并对其进行配置和监视，也可用于可以直接连接带有接口的变送器、执行器、传动装置和其它现场仪表及设备，对现场信号进行采集和监控，支持单主和多主网络；每个站输入和输出数据最多可达244字节。并且用一对双绞线替代了传统的大量的传输电缆，大量节省了电缆的费用，也相应节省了施工调试以及系统投运后的维护时间和费用。
3.5辅助系统
全厂在整个区域关键设备处共设置了17个高清工业摄像头，用以监控整个厂区的安全及关键设备的运行状态，其数据利用监控系统的100Mb/s工业以太网传输到中控室的视频监视器中，以保证全厂的安全以及设备的正常运行。
4、系统调试中出现的问题及解决方法：
在自控系统的调试中发现上位机监控系统中所显示的数据与现场表计所显示的数据存在着一定的偏差，后将MW的高位字和低位字錯位安排在模拟量数据里实数再用了2个字，即32位，在PLC里的%MW0.100和%MW0.101是%MD0.50的实数值，而到iFIX里要将PLC里%MW0.100送到iFIX里%MW0.101，将PLC里%MW0.101送到iFIX里%MW0.100，即PLC和iFIX高、低位错位，数据这样安排后，这个问题解决了，这为后面使用iFIX软件与PLC组态积累了经验。
乌鲁木齐河西污水处理厂于2009年建设完成，该系统原设计为832个控制点，但在实际施工中，为了提升自动化水平，又增加了500个控制点，增加到1300个控制点，过这样使得水厂的自动化水平又得到了进一步的提升。河西厂原核定编制为74人，由于采用了本监控系统，大大地减少了人员的使用，现实际编制为50人，同时也大大减轻了操作人员的工作强度，使得整个水厂的工艺及设备的运行的准确性及可靠性得到了保证。
结束语：
随着工业及计算机网络技术的发展，新的控制技术和控制方式不断推陈出新，计算机监控技术也随着新技术的不断出现而提高自身的控制水平，其实时性、靠性和通用性不断增强，从目前该系统的运行情况来看，可以充分满足生产要求，系统运行稳定，出水达标率较高，故障时间明显较少。
参考文献：
[1]朱晓娟《火电厂灰水回收处理远程监控系统设计》电气自动化2008.
[2]将中军《PROFIBUS及在矿石码头中的应用》[J]。水运工程，2007.
[3]候敬芬《运用PROFIBUS实现烟草制丝线分散自动化》[J]，国内处机电一体技术，2005.