IT信息集成控制技術在污水處理廠的應用

　　大連久鵬電子系統(tǒng)工程有限公司 王海宇 高連鵬

　　大連職業(yè)技術學院 董春利

摘 要：為提高污水處理廠的信息化程度，提高設備管理和運營管理，開發(fā)了一套基于IT信息系統(tǒng)集成控制技術的系統(tǒng)，并運行在實際工程中。本文重點闡述了這套系統(tǒng)開發(fā)的背景、系統(tǒng)組成、主要功能等，并在提高自動化程度、柔性化程度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高自控設備利用率，避免自動化“孤島”方面得到了驗證。

　　關鍵字： 信息系統(tǒng)集成 工廠信息化 Profibus現場總線技術 Web瀏覽技術 設備管理 故障診斷 污水處理控制系統(tǒng) WebAccess MELSECNET

　　一、前言

　　隨著國際大環(huán)境的改變，國家對節(jié)能和環(huán)保越來越重視。最近幾年我國建設了大量的城市污水處理廠。但是以下幾個問題一直困擾著我們：

　　廠區(qū)面積大，設備分散，有的污水廠還有污水提升泵站，可能相距上千米；

　　設備種類繁多，數量大，維護不便；

　　成套設備較多，污泥脫水系統(tǒng)、消毒系統(tǒng)和電力監(jiān)測系統(tǒng)通訊協議多種多樣，互操作性差；

　　工藝參數不確定，系統(tǒng)調試和運營過程中需要經常調整控制程序，給工藝人員和自控廠家都帶來的極大的麻煩。

　　因此，為了更好的解決以上問題我們開發(fā)了一套完全網絡化的、開放性的基于IT系統(tǒng)集成控制技術的系統(tǒng)架構，結合污水處理的工藝特點制作大量的工藝參數設定界面，配備專業(yè)的管理軟件，真正的實現了系統(tǒng)的集中監(jiān)視、分散控制、柔性調整和設備的自動管理。充分發(fā)揮了系統(tǒng)軟硬件的功能，大大提高了系統(tǒng)的自動化程度，可以實現近乎無人值守的運行條件。

　　二.系統(tǒng)的結構

　　整個污水處理廠的控制系統(tǒng)由三套三菱Q系列PLC、一套西門子S7-300 PLC、兩套WebAccess6.0軟件、一套設備管理軟件、一套故障診斷軟件，一臺工程節(jié)點計算機、兩臺監(jiān)控節(jié)點計算機、一臺輔助計算機、一臺視頻服務器、手機短信系統(tǒng)、UPS電源、打印機等組成。

　　從結構上，把這些設備和軟件劃分為三層網絡層面：監(jiān)控管理層、車間控制層、現場總線層。其結構如圖1所示。

　　（一）監(jiān)控管理層

　　采用當前使用最普遍的以太網作為基礎。以太網以其數據信賴性、通訊速度快、維護方便和價格低廉的特點，在這個系統(tǒng)的上位監(jiān)控系統(tǒng)的網絡和融合管理系統(tǒng)的網絡中得到了廣泛的應用，并取得了滿意的結果。

　　我們將原來劃分較為明顯的管理層和監(jiān)控層融合在一起，形成了融合的監(jiān)控管理層，強化了管理與監(jiān)控的聯系，共享數據信息，提高工廠的管理水平。

　　其中管理子層由輔助軟件計算機和數據服務器組成，采用現代的網絡技術，通訊技術和數據庫技術相結合，將系統(tǒng)中的各種信息資源有機整理，以人性化的方式將各種資源呈現給操作者和管理者。管理子層主要由兩個共享數據庫的設備管理軟件包和故障診斷軟件包組成。

　　1．上位監(jiān)控系統(tǒng)

　　采用網絡版組態(tài)軟件WebAccess6.0，完全基于B/S架構的自動化軟件。

　　全部工程項目、數據庫設置、圖面制作和軟件管理都可以通過Internet或Intranet在異地使用標準的瀏覽器完成。　　

圖1 污水處理廠控制系統(tǒng)的網絡結構

　　采用支持分散式構架的監(jiān)控節(jié)點，并把監(jiān)控節(jié)點組成冗余結構，中央數據庫服務器及多層式網絡安全結構。

　　1）監(jiān)控節(jié)點

　　監(jiān)控節(jié)點連接自動化硬件設備，并可以通過網絡向客戶端、其他監(jiān)控節(jié)點及工程節(jié)點傳輸數據。

　　2）工程節(jié)點

　　工程節(jié)點是一個配置數據的中央數據庫服務器，客戶端可以通過工程節(jié)點動態(tài)瀏覽監(jiān)控節(jié)點的運行狀況。

　　3）客戶端

　　客戶端可以運行在安裝了Windows XP或Windows2000的工業(yè)計算機和普通計算機上，客戶端通過IE瀏覽器，顯示實時數據的動態(tài)圖面，完成各種遠程控制。

　　4）冗余系統(tǒng)

　　本上位監(jiān)控系統(tǒng)由一臺監(jiān)控節(jié)點、一臺冗余監(jiān)控節(jié)點和一臺工程節(jié)點構成冗余監(jiān)控系統(tǒng)，兩臺監(jiān)控節(jié)點互為冗余，系統(tǒng)正常運行時主監(jiān)控節(jié)點完成數據通訊和數據傳輸，兩臺監(jiān)控節(jié)點實時保持數據同步，客戶端可以通過網絡，實時監(jiān)控系統(tǒng)運行情況。部分畫面如圖2、3。

　　 圖2 前處理圖 圖3參數設定

　　當主監(jiān)控節(jié)點出現故障時，系統(tǒng)馬上切換到冗余監(jiān)控節(jié)點，由于兩個監(jiān)控節(jié)點實時保持數據同步，因此可以實現無擾切換，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

　　當工程節(jié)點故障時，監(jiān)控節(jié)點會在本機上生成保存數據的臨時文件，當工程節(jié)點恢復正常后，監(jiān)控節(jié)點在不影響正常數據上傳的前提下逐漸將臨時文件中的數據上傳到工程節(jié)點上，保證數據的實時性和完整性。

　　2．設備管理軟件

　　設備管理軟件主要解決污水處理廠設備種類多，信息量大而復雜，涉及崗位、人員眾多，處理流程煩瑣等問題。

　　該軟件將設備管理中涉及到的人、物、廠商、保養(yǎng)、維修、運行狀態(tài)等聯系在一起，將監(jiān)控、維修、保養(yǎng)、備品備件、廠商等各種管理要素有機結合在一起，協同工作并將管理過程納入一套標準的流程控制中，實現設備資源全生命周期管理，最大化利用設備資源，幫助客戶提高設備的可用性和資產管理質量。部分軟件畫面如圖4、5。

　　圖4系統(tǒng)監(jiān)視畫面 圖5參數設定畫面

　　設備管理軟件的主要功能有：

　　1）網絡功能

　　系統(tǒng)為B/S建構可與監(jiān)控系統(tǒng)無縫結合，實現網絡化。

　　2）設備廠商管理

　　設置詳細廠商信息，將廠商的功能范圍具體化，使設備在維護、采購、評定等方面的管理更加便捷。

　　3）設備類型參數管理

　　設備類型參數設定是本系統(tǒng)比較有特點的設計。用戶可以自由的設定設備的類型參數，使每個設備的特有參數都得到體現。

　　4）設備組管理

　　本系統(tǒng)可以適用于各類型工廠和樓宇等各種場所，用戶可以自由的添加設備組來實現設備的分類管理。

　　5）設備狀態(tài)管理

　　系統(tǒng)能夠智能地采集設備的相關數據，來計算設備的剩余壽命以及維護保養(yǎng)的周期等。采集數據分為在線和非在線兩種模式。分別對應實際采集現場的設備數據和手動輸入的數據。

　　6）設備維護

　　①設備保養(yǎng)：設備保養(yǎng)可分為定時保養(yǎng)（按設備運行時間進行保養(yǎng)）和定期保養(yǎng)（按照固定的時間間隔進行保養(yǎng)）。主要包括：保養(yǎng)信息登陸，保養(yǎng)履歷查看，設備類型保養(yǎng)項目添加，保養(yǎng)消耗備品備件設定，保養(yǎng)提示，保養(yǎng)報表生成等功能。

　　②維修更新：主要包括設備維修信息登陸，維修履歷查看，設備類型故障現象、原因、對策添加，維修更新消耗備品備件設定，設備維修狀態(tài)監(jiān)視等功能。

　　③庫存管理：主要完成預備品消耗品的添加，出入庫登記，件消耗履歷，采購提示等功能。

　　④履歷：對在線狀態(tài)的設備運行狀況進行圖表表示。以折線圖的形式表示設備的開關運行狀態(tài)。

　　⑤工作計劃提示：系統(tǒng)能夠完成節(jié)假日設定，在進行設備維護設定時進行提示，避免在節(jié)假日進行維護，并可以根據維護設定，生成每個用戶的工作日程，方便領導和維護人員自己進行工作安排。

　　⑥系統(tǒng)監(jiān)視：系統(tǒng)監(jiān)視是本系統(tǒng)的主頁面，對整個系統(tǒng)的設備狀態(tài)進行集計統(tǒng)計。狀態(tài)分為運行、維修更新、定期保養(yǎng)。頁面一分鐘更新一次，進行實時的監(jiān)控。

　　⑦自定義報表功能：系統(tǒng)支持自定義報表工具制作的各種報表。

　　3．故障診斷系統(tǒng)

　　故障診斷系統(tǒng)對現場控制系統(tǒng)軟硬件的運行狀態(tài)進行監(jiān)視和故障診斷，對故障的發(fā)生狀況、恢復狀況進行監(jiān)控和管理，對該故障發(fā)生的可能的原因，以列表的形式提供給用戶進行選擇確認。

　　同時，可以根據現場狀態(tài)判斷故障發(fā)生的原因、概率和優(yōu)先度，并能顯示解決方案和設備的場所以及設備的技術資料等。以及對發(fā)生故障時的狀態(tài)數據可以進行記錄和圖表顯示。其功能框圖如圖6所示。　

圖6系統(tǒng)故障診斷功能框圖

　　故障診斷系統(tǒng)的主要功能有：

　　①網絡功能：系統(tǒng)為B/S建構可與監(jiān)控系統(tǒng)無縫結合，實現網絡化。

　　②數據采集：數據采集功能是故障診斷系統(tǒng)和現場設備數據交換的橋梁，它把現場設備狀態(tài)數據取出，傳送給故障診斷邏輯處理部分，故障診斷的指令通過它發(fā)給現場設備。

　　③故障診斷邏輯處理：故障是否發(fā)生是通過故障診斷邏輯處理部分實現，現場傳送來的數據，通過故障診斷邏輯處理判斷是否發(fā)生故障,如果發(fā)生故障，會把故障信息保存到數據庫里，故障診斷客戶端對發(fā)生的故障進行診斷處理。

　　④歷史故障管理：歷史故障是對經過診斷后的故障進行管理，包括故障的查詢、打印、以及故障診斷的詳細信息。

　　⑤實時故障管理：實時故障是對發(fā)生故障進行診斷處理。故障發(fā)生時警報燈會閃爍提示用戶。診斷時系統(tǒng)根據從設備傳上來的信號信息，列出故障原因和條件以及各自的概率，用戶根據故障原因和條件找出相應的對策。

　　（二）車間控制層

　　目前國內污水處理廠控制層的硬件設備以三菱、西門子、AB等國外著名廠商的產品為主，其硬件配置已達到了國際先進水平，其本體的功能性、穩(wěn)定性和可靠性已無需再多加考慮。而其網絡構成的合理性、可靠性是我們主要考慮的問題。

　　本系統(tǒng)采用三菱公司的MELSECNET-H環(huán)形光纖網絡構成控制網絡的骨干，該網絡通訊速度快，抗干擾能力強，擁有強大的自診斷功能。由于采用環(huán)網結構，當系統(tǒng)中任意一處光纖斷開時，仍能維持系統(tǒng)的正常通訊，提高通訊系統(tǒng)的可靠性。同時MELSECNET-H環(huán)形光纖網絡具有很強的擴展能力，可以充分滿足本水廠以后的擴建和升級。

　　（三）現場設備層

　　采用西門子公司的PROFIBUS-DP現場總線，它具有通訊速度快，傳輸距離長，擴展方便等特點。

　　通過PROFIBUS-DP總線的使用我們實現了對紫外消毒系統(tǒng)(S7-300)，變頻器（西門子430\440）等智能設備的最大化數據交換，能夠及時了解運行情況、故障情況和各種參數，充分的發(fā)揮了每個智能設備的功能，大大提高了自動化管理水平。

　　三、系統(tǒng)的性能特點

　　本系統(tǒng)結合水廠的生產工藝，充分發(fā)揮系統(tǒng)軟硬件的功能，構筑了一套具有高穩(wěn)定性、高靈活性、高擴展性和高開放性的系統(tǒng)。

　　基于上述的結構，這個系統(tǒng)呈現出獨特的性能和特點。

　　1．管理控制功能

　　1）分級控制

　　每個現場設備都可按優(yōu)先級分為就地控制、遠程手動和遠程自動三種模式。

　　2）用戶管理功能

　　用戶類型可分為系統(tǒng)管理員、工程管理員、在線管理員、在線操作員和離線管理員。并可以通過區(qū)域和等級限制修改數據的能力，用戶和點都必須分配有區(qū)域和等級，且用戶和點有相同的區(qū)域，用戶的等級大于等于點的等級時用戶才能對這個點的值進行修改。

　　3）遠程訪問功能

　　由于上位監(jiān)控軟件和輔助管理軟件都是基于B/S架構，因此本系統(tǒng)的上位監(jiān)控系統(tǒng)和輔助管理系統(tǒng)都支持遠程訪問功能，并且畫面流暢，數據穩(wěn)定，能夠得到和監(jiān)控中心同樣的效果。

　　目前在該污水廠的變電所及廠外都已實現了遠程訪問，該水廠的控制和管理都以遠程為主。

　　4）設備管理功能

　　系統(tǒng)具有定期保養(yǎng)、定時保養(yǎng)、維修更新、備品備件管理，區(qū)域設定、用戶管理、屬性柔性設定、設備屬性拷貝、履歷查詢等功能，保證備品備件的庫存數量，提高設備維護維修的及時性和準確性，提高系統(tǒng)設備的可用性，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

　　2．故障處理功能

　　1）故障診斷功能

　　可根據故障發(fā)生時各個相關變量的數值，給出各種原因的概率，幫助維護人員進行判斷。并可提供各種原因的處理方法，提高故障的處理速度。積累故障處理的經驗。

　　2）網絡診斷功能

　　實時診斷控制系統(tǒng)中設備的工作狀態(tài)，除系統(tǒng)內的MELSECNET網絡的兩個從站、一個主站的設備之外。連接在Profibus-DP網絡上的6臺變頻器、紫外消毒系統(tǒng)，工作是否正常也完全可以診斷出來。

　　3）故障短信功能

　　當設備出現故障時，馬上將故障信息發(fā)送給相關人員，能夠提高反應速度，縮短問題處理時間。并且不必需要監(jiān)控人員24小時守在監(jiān)控電腦旁，降低勞動強度，減少人員編制。

　　3．數據處理功能

　　1）柔性設定功能

　　上位監(jiān)控系統(tǒng)預留多個系統(tǒng)參數設定畫面，提高控制系統(tǒng)的靈活性和適應性。

　　①格柵運行模式設定：液位、時間、混合模式設定

　　②提升泵組合模式設定、液位設定

　　③曝氣沉砂系統(tǒng)各種時間設定

　　④螺旋壓榨系統(tǒng)時間設定。

　　⑤反應區(qū)10種工序、20步進程任意組合，時間任意設定，使工藝操作人員可以在不修改程序的情況下任意調整反應流程，反應時間，實現整個污水處理流程任意調整和最優(yōu)化調整。

　　⑥設備屬性自定義：用戶可以根據各種設備的不同，調整設備參數的數量和屬性，完整具體的體現每個設備的特有屬性。

　　⑦報表自定義功能：用戶可以根據自己的需要，將本系統(tǒng)的數據和已知數據庫結構的其他系統(tǒng)數據，通過簡單設定，做成報表。

　　⑧日歷自定義功能：用戶可以自定義節(jié)假日，在進行設備維護安排時避免發(fā)生沖突。

　　2）數據記錄功能

　　系統(tǒng)具有報警記錄，操作記錄，運行數據記錄，歷史趨勢記錄，設備維護記錄，設備維修記錄，備品備件的入出庫記錄等。

　　用戶可以根據自己需要，通過自定義報表工具，簡單靈活的實現上述各種數據的報表。

　　四.結束語

　　本系統(tǒng)于去年調試完畢，經過一年的現場運行，目前系統(tǒng)穩(wěn)定，設備運行狀況良好。大大提高了生產效率，降低了維護運行人員的數量，保證了設備的良好運行，降低了緊急情況的處理時間，提高了整個污水廠的自動化水平和管理水平，實現了巨大的經濟效益和社會效益。

　　參考資料：

　　[1]董春利．基于TCP/IP協議的現場級控制器研究及其實踐[J]．電氣時代，2005（6）

　　[2]陳顯枝，陳沖，林蔚，吳星．基于OPC技術的DCS信息集成系統(tǒng)[J]．福州大學學報(自然科學版)，2006（5）

　　[3]陳暉，梁學進，向軍．基于B/W/S的分布式油田管控一體化技術[J]．油氣田地面工程，2005（7）

　　[4] 趙英凱．計算機集成控制系統(tǒng)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2007．

　　The application in sewage treatment plant based in IT information integrated control technology

　　Abstract: This paper introduces the background, the system construction, the key function of which based on IT information control system; in order to increase the Informative process, strengthen the management to equipment and operation. This system has worked in a real sewage treatment plant to show its soft function, system stability, efficiency.

　　Key Word：Information Integrated control technology, Plant information, Profibus technology, Web technology, Fault diagnosis, Equipment management, sewage treatment control system，WebAccess，MELSECNET

　　作者介紹：

　　王海宇 男 1981年生 助理工程師 學士學位 項目經理 大連久鵬電子系統(tǒng)工程有限公司系統(tǒng)集成部 大連市西崗區(qū)合誼街5號良玖國際1603室E-mail: wanghaiyu@elesyseng.com 電話/傳真：0411-83726599

　　高連鵬 男 1969年生 工程師 碩士學位 總經理 大連久鵬電子系統(tǒng)工程有限公司 地址：大連市西崗區(qū)合誼街5號良玖國際1603室 E-mail: r-kou@elesyseng.com 電話/傳真：0411-83721599

　　董春利 男 1962年生 教授 碩士學位 專業(yè)主任 大連職業(yè)技術學院電氣與電子工程技術系 大連市南關嶺東街6號 E-mail：dongcl@yeah.net 電話/傳真：0411-81881211

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