SCADA系統(tǒng)在城市污水處理廠的應(yīng)用

【摘要】SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)，全名為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，它可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過(guò)程控制等諸多領(lǐng)域。本文依據(jù)羅克韋爾自動(dòng)化SCADA系統(tǒng)在菲律賓San Antonio污水處理廠的應(yīng)用，簡(jiǎn)述SCADA系統(tǒng)的原理、開(kāi)發(fā)和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】SCADA系統(tǒng)；PLC自動(dòng)化控制；數(shù)據(jù)采集；污水處理

一.引言

SCADA系統(tǒng)自誕生之日起就與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)。SCADA系統(tǒng)發(fā)展到今天已經(jīng)經(jīng)歷了三代?；诜植际接?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍聯(lián)網(wǎng)的EMS/SCADA系統(tǒng)稱為第三代。這一階段是我國(guó)SCADA/EMS系統(tǒng)發(fā)展最快的階段，各種最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)都匯集進(jìn)SCADA/EMS系統(tǒng)中。

隨著現(xiàn)代化城市高速發(fā)展和城市人口的不斷增加，污水處理廠的需求也日漸強(qiáng)烈，污水處理行業(yè)得到了快速發(fā)展。污水處理廠的自動(dòng)控制系統(tǒng)越來(lái)越成為污水處理穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)水廠自控系統(tǒng)多采用SCADA系統(tǒng)，全廠的監(jiān)控在中控室內(nèi)完成，對(duì)設(shè)備的控制則是在現(xiàn)場(chǎng)PLC完成，真正實(shí)現(xiàn)了分散控制，集中管理的功能。針對(duì)污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)工藝設(shè)備的安全運(yùn)行的重要性，以菲律賓San Antonio污水處理廠為例，說(shuō)明SCADA系統(tǒng)的組成及實(shí)現(xiàn)。

二.San Antonio污水處理廠SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

菲律賓San Antonio污水處理廠選用美國(guó)羅克韋爾自動(dòng)化系統(tǒng)，羅克韋爾自動(dòng)化為SCADA環(huán)境提供一個(gè)靈活的、可維護(hù)的和安全的軟件平臺(tái)。這些解決方案構(gòu)建并集成在一個(gè)單一的、開(kāi)放的和靈活的軟件架構(gòu)，它能夠連接到當(dāng)今使用的任何自動(dòng)化系統(tǒng)、遠(yuǎn)程終端（RTU）、智能電子設(shè)備（IED）、可編程邏輯控制器（PLC）、數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)或者企業(yè)系統(tǒng)。這個(gè)平臺(tái)的開(kāi)放性能可以使用戶無(wú)需購(gòu)買新的硬件或者控制系統(tǒng)就可以拓展它們已有的系統(tǒng)。

為了保證污水處理廠的自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，設(shè)計(jì)中采用了三級(jí)控制和管理方案對(duì)整套污水處理系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控層選用兩臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行冗余，實(shí)時(shí)觀察設(shè)備的運(yùn)行狀況?？刂茖舆x用羅克韋爾自動(dòng)化CompactLogix 1769系列PLC，做為控制器，充分顯示了“集中監(jiān)測(cè)，分散控制”的原則。設(shè)備層采用了曝氣羅茨風(fēng)機(jī)、管道離心泵、加藥泵、穩(wěn)壓泵、超聲波流量計(jì)、氨氮分析儀、COD在線測(cè)試儀、PH（工業(yè)酸度）在線測(cè)試儀、變頻控制器等，并配備相應(yīng)的軟件，確?？煽俊⒂行У倪\(yùn)行。

三.系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

上位機(jī)監(jiān)控軟件采用羅克韋爾自動(dòng)化RSview32組態(tài)軟件，工程師站（Engineer station）采用網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)版，操作員站（Operator station）采用網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行版，監(jiān)控組態(tài)軟件提供一個(gè)人機(jī)交互界面，使操作人員可以通過(guò)顯示器直觀的了解現(xiàn)場(chǎng)各工藝參數(shù)及故障報(bào)警，根據(jù)生產(chǎn)需要發(fā)出相應(yīng)的控制指令。另外使用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器記錄歷史數(shù)據(jù)，為提高生產(chǎn)效率制定新的生產(chǎn)方案提供可靠的依據(jù)。由于項(xiàng)目是在菲律賓調(diào)試完成后工程師需要返回國(guó)內(nèi)，運(yùn)行中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)成本太高，因此設(shè)計(jì)了一套遠(yuǎn)程協(xié)助系統(tǒng)，加入網(wǎng)絡(luò)路由器（Router），將水廠工業(yè)以太網(wǎng)接入公共網(wǎng)絡(luò)（Public Ethernet），通過(guò)遠(yuǎn)程協(xié)助軟件在國(guó)內(nèi)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)?？刂坪诵牟捎昧_克韋爾自動(dòng)化CompactLogix1769系列PLC，其特點(diǎn)是體積小、功能多、可靠性高。編程后的PLC能夠按照內(nèi)部程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，程序啟?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

四.系統(tǒng)控制原理

1.控制方式

本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制分為四級(jí)，第一級(jí)為現(xiàn)場(chǎng)控制箱，控制級(jí)別最高，便于檢修和現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)緊急停止；第二級(jí)為馬達(dá)控制中心（Mission Control Center）簡(jiǎn)稱MCC，只有第一級(jí)現(xiàn)場(chǎng)控制箱選擇遠(yuǎn)程控制時(shí)第二級(jí)控制才有效；第三級(jí)為觸摸屏（HMI）集中控制，中控室控制柜設(shè)置觸摸屏，進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置參數(shù)和工藝控制，設(shè)計(jì)第三級(jí)控制的目的是當(dāng)監(jiān)控層電腦主機(jī)或組態(tài)軟件出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過(guò)觸摸屏設(shè)置相關(guān)核心工藝參數(shù)，不影響整個(gè)水廠的運(yùn)營(yíng)。只有第二級(jí)MCC選擇自動(dòng)控制事第三級(jí)控制才有效；第四級(jí)為監(jiān)控層組態(tài)軟件控制，集中監(jiān)控水廠所有設(shè)備的運(yùn)行，正常運(yùn)行時(shí)采用第四級(jí)控制。該水廠正常運(yùn)行時(shí)所有設(shè)備均按照工藝流程自動(dòng)運(yùn)行，操作人員通過(guò)監(jiān)控主機(jī)上的組態(tài)軟件向PLC發(fā)出相應(yīng)的控制指令，由PLC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行直接控制，節(jié)省了大量的人力物力。

2.PLC編程

污水處理控制方式分為邏輯控制和PID閉環(huán)控制。以邏輯控制為主，根據(jù)工藝要求在PLC中編寫相應(yīng)的邏輯控制指令，控制設(shè)備按照預(yù)定的方式運(yùn)行。PLD閉環(huán)控制主要用于曝氣生物濾池鼓風(fēng)機(jī)恒壓控制，DO溶解氧控制，加藥系統(tǒng)恒流量控制等。整套污水處理流程有多個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，包括液位、PH值、溶氧、濁度、頻率、泵運(yùn)行狀態(tài)等。為了便于檢查，PLC編程中，邏輯控制均采用梯形圖編程，電機(jī)功能塊、閥門控制功能塊、儀表模擬信號(hào)、流量累計(jì)等采用功能塊編程，大量的時(shí)間模式控制采用匯編語(yǔ)言編程。三種編程語(yǔ)言的結(jié)合使得整個(gè)水廠繁瑣復(fù)雜的控制程序變得簡(jiǎn)單明了，便于維護(hù)和故障點(diǎn)排查。

3.上位機(jī)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用羅克韋爾自動(dòng)化RSview32組態(tài)軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)功能、OPC Server功能、人機(jī)界面功能、冗余功能、圖形功能、報(bào)表打印等功能于一身，包含動(dòng)態(tài)顯示、報(bào)警、控件、趨勢(shì)、網(wǎng)絡(luò)通訊等組件。整套系統(tǒng)建設(shè)有多幅實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，包括系統(tǒng)總貌、提升泵房、細(xì)格柵、除油塵沙池、MBBR生物濾池、Multiflo、污泥脫水系統(tǒng)、生物除臭系統(tǒng)。每個(gè)模擬量做有實(shí)時(shí)和歷史趨勢(shì)圖，可以選擇型查看任何時(shí)候的發(fā)生趨勢(shì)。報(bào)表系統(tǒng)分為實(shí)時(shí)報(bào)表和歷史報(bào)表，實(shí)時(shí)報(bào)表采用RSview32集成微軟的VBA編程輸出到Excel表格中。歷史報(bào)表通過(guò)Microsoft Access作為一個(gè)平臺(tái)，將監(jiān)控系統(tǒng)中存儲(chǔ)的信息通過(guò)VBA開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)報(bào)表，然后在監(jiān)控軟件中通過(guò)VBA命令調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)報(bào)表。這里需要用到windows自帶的ODBC數(shù)據(jù)源管理器。

五.結(jié)束語(yǔ)

羅克韋爾自動(dòng)化SCADA系統(tǒng)具有高度集成的自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢、報(bào)表的顯示和打印等多項(xiàng)功能。該污水處理廠調(diào)試完成后可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守，監(jiān)控層人機(jī)對(duì)話方便快捷，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了大量的人力物力。