（机械电子工程专业论文）基于分布式控制技术的污水处理厂sbr工艺scada监控系统.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 基于分布式控制技术的污水处理厂s t 3 r 工艺s c a d a 监控系统 专业：机械电子工程 硕士生：王晓瑜 指导老师：原思聪教授 摘要 自来水和排污水的处理是城镇建设的基础，近年来随着我国的环保事业迅速 发展，工业废水、生活污水的净化处理成为当务之急。 本文以天津保税区污水处理厂为对象，研究了该厂污水处理系统目前存在的 问题；对污水处理厂序批式活性污泥法( s b r ) 工艺及流程进行了系统分析；以分 布式控制技术为基础，对被控对象的运行方式及功能进行了深入的探讨，对企业 生产过程实时数据采集与监控系统( s c a d a ) 进行了分析：并针对s b r 工艺的特 点，设计了整个s c a d a 监控系统的运行控制方案。 本文设计的s c a d a 监控系统分为三层：即管理层、控制层和现场层。其中， p l c 选用的是欧姆龙公司工业级s y s m a cc j l 系列，设置的通讯三层网络为；a ， 以太网( 信息管理层) ；b c o n t r o l l e r l i n k ( 过程控制层) ；c d e v i c e n e t ( 现场设备 层) 。本文对各层( 尤其是c o n t r o l l e rl i n k 网络) 的功能、性能和架构进行了详细的 设计分析与描述。 目前，s c a d a 监控系统正处于研发后期，同时现场己开始布线。 关键词： 论文类型 s b r 工艺；s c a d a 监控系统；分布式控制技术；通讯 c o n t r o l l e rl i n k 网络 应用基础 西安建筑科技大学硕士学位论文 t h es c a d as y s t e mt om o n i t o ra n dc o n t r o ld i r t yw a t e r p r o c e s s i n gf a c t o r ys b r c r a f tb ym e a n so fp l c o nt h eb a s i so fd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s p e c i a l t y ： m e c h a t r o n i e se n g i n e e r i n g n a m e ： w a n gx i a o y u i n s t r u c t o r ：p r o f y u a ns i c o n g t h er u n n i n gw a t e ra n dd i r t ya q u e o u so fp r o c e s sb u s i n e s se n t e r p r i s ea r et h e f o u n d a t i o nw h i c ht o w nc o n s t r u c t i o ni s i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n to f e n v k o n m e n t a lp r o t e c t i o ni no l l l c o u n t r y , t h ei n d u s t r i a lw a s t ew a t e ra n dl i v i n gd i r t y a q u e o u sd e c o n t a m i n a t i o nh a n d l e dt ob e c o m et h eu r g e n tm a t t e ro f t h em o m e n t t h ep a p e rs e t st i a n j i n gp r o t e c t st h et a xa r e ad i r t yw a t e rp r o c e s s i n gf a c t o r yf o r e x a m p l e ，t a k i n gt h ed i s t r i b u t et y p ec o n t r o lt e c h n i q u ea st h ef o u n d a t i o n ，h a n d l i n gt h e f a c t o r ys b rc r a f ts c a d as y s t e mt oc a r r yo nt h ea n a l y s i st ot h ed i r t yw a t e r , w h i c h s t u d yt h ed i r t yw a t e ro ff a c t o r yo f p r o c e s s i n go fd i r t yw a t e rp r o c e s s i n gt h ep r o b l e mt h a t s y s t e me x i s tc u r r e n t l y ；a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec r a f to fs b r ，t h ep l a n 一t h ew h o l es c a d ai sd e s i g n e dt os u p e r v i s ea n dc o n t r o lt h es y s t e m t h ep a p e rc a r r i e s o nt h ed e t a i l e dd e s c r i p t i o nf o rt h ep r o c e s so ft h ed i r t yw a t e rp r o c e s s i n gs b r c r a f t ， c a r r y i n go nt h et h o r o u g hs t u d yt o w a r d sc o n t r o l l i n gt h em o v e m e n tm e t h o da n df u n c t i o n s o f t h eo b j e c t t h ew h o l es c a d as y s t e mi sd i v i d e di n t ot h r e el a y e r s ：t h em a n a g el a y e r , t h ec o n t r o ll a y e ra n d t h es p o tl a y e r i nt h ep a p e r , p l cc h o o s e st h eo m r o n c o m p a n yi n d u s t r yc l a s ss y s m a c c j ls e r i e so f e u r o p e ，t h r e en e t w o r k sl a y e r sf o rt h ec o m m u n i c a t i o no f t h ef a c t o r yt y p i c a l m o d e l ：a t h ee t h e r n e t ( t h ei n f o r m m i o nm a n a g e m e n tl a y e r ) ；b t h ec o n t r o l l e rl i n k ( t h e p r o c e s sc o n t r o ll a y e r ) ；c t h ed e v i c en e t ( t h es p o te q u i p m e n t sl a y e r ) ，t h i sp a p e r e x p o u n d st h ed e t a i l e dd e s c r i p t i o nt ot h ef u n c t i o na n ds t r u c t u r e so f e a c hl a y e r ( e s p e c i a l l y f o rt h ec o n t r o l l e rl i n k ) s of a r , t h es c a d a s y s t e mi sb e i n gd e v e l o p e di ne x p e c t i n gb e h i n da n ds t a r t st o d i s p o s el i n e so nt h es p o ta tt h es a r f l et i m e k e y w o r d ：c r a f to fs b rt h es c a d as y s t e m ，d c s ，c o m m u n i c a t i o n ，t h en e t w o r ko f c o n t r o l l e rl i n k t h e s i s ：a p p l i c a t i o nf u n d a m e n t i i 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位 已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的 所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 褊喻 j 日期：； ) - o j - 6 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 敝储娩嬲翮虢选睇嘞一反善 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 自来水和排污水的流程企业是城镇建设的基础，近年来随着我国城镇建设的 迅速发展，工业废水、生活污水的净化处理成为当务之急。但污水厂的管理目前 大都停留在经验决策阶段，因此污水处理质量极大程度上受管理人员素质的制约。 随着污水处理水质要求的日趋严格，污水处理工艺过程更趋复杂，控制要求越来 越高，管理水平将是污水处理事业进一步发展的障碍之一。 天津港保税区污水厂原监控系统使用的是上世纪9 0 年代初的监控系统，该系 统以分立元件，集成电路( 低级) 为主，系统功能简单，但价格不菲。当初使用 该系统的最终目的是为了将保税区的污水( 也称初水) 经系列物理及化学净化 处理后，成为各项技术指标均合格的中水，然后排放至渤海。但实际情况是污水 净化系统几乎未发挥作用，初水也未经实质性的净化就排放至渤海了，污染情况 极为严重。 为了更好的实现监控系统的自动化水平进而提高工作效率，同时实现初水经 净化处理后( 称为中水) 回流( 水质达到国家规定的排放标准) ，为保税区内再次 利用中水做准备，天津港保税区污水厂提出了对系统进行改良的要求，以期为最 终实现区内经济供水、污水处理、节能和提高城市供水自动化管理水平的目标打 下基础。 1 2 国内外研究现状及水平 1 2 1 国内外研究现状及水平【l j ： 回顾近四十年来国内外大中小型城市水工业领域的广域网络监控系统和厂站 级监控系统的设计及运行工况，主要经历了以下几次重大的技术变革： ( 1 ) 上世纪8 0 年代初的监控系统，以分立元件，集成电路( 低级) 为主，系 统功能比较简单。 ( 2 ) 上世纪9 0 年代初，出现了以工业p c 计算机、w i n d o w s 操作系统、p l c 可编程控制器、手持编程器等构成的监控系统。 随着水工艺流程由简单过程向大型化，连续化，复杂性方向发展，控制系统 由简单控制系统( 如p i d ，串级，比值，前反馈，后反馈等) 发展到先进控制系统 ( 如多变量来水预测，神经元，模糊，鲁棒等控制) 和综合自动化系统( 生产流 程控制，管理，决策一体化) 。以计算机为主的控制系统也经历了d d c ( d i r e e td i g i t a l l 西安建筑科技大学硕士学位论文 c o n 缸- 0 1 ) ( 单机控制系统) ，d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) ( 集散控制系统) ， f c s ( f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ) ( 现场总线控制系统) 和c i p s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e d p r o c e s ss y s t e m ) ( 计算机集成过程控制系统) 、s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o la n d d a t a a c q u i s i t i o n 企业生产过程实时数耀采集与监控系统) ) 的五个发展阶段。 近十年来，f c s 现场控制总线系统大量应用于水工业各领域。f c s 系统具有 数字化，分散控制等特点；采用对n 的连接方式，可省去大量的a i a o ，d u d o ， p i p 0 中间模板，用数字信号代替模拟信号，在一根双绞线或一条电缆上可挂接多 个现场设备，节省了硬件投资和安装费用，系统成本降低。曾一度被认为是来来 控制系统的主要潮流。但是f c s 现场总线普遍采用的主从式层次的控制网络结构， 从所有现场设备到主控器的数据传输，必需经过不同c p u 和驱动软件，结果是传 输速度慢，缺乏透明度，软件和维修费用高，控制器之间的垂直和水平通信非常 困难，所有控制器是“孤岛”，独立于i n t e r n e t 之外，无法集成。因此，f c s 总 线存在瓶颈问题。 f c s 现场总线技术对d c s 控制系统无疑是种重大挑战。但是，f c s 的功能 模块比d c s 少；d c s 灵活方便和丰富的组态功能，也比f c s 强；在开关量与模拟 量控制并存，相互关系十分密切的控制系统中，采用f c s 就不方便了。 过去2 5 年来，除北京、深圳、广州、上海、长春、成都外，还有许多大中小 型城市的自来水公司，源水公司或排污水公司都先后用贷款和b o t ( b o t 是b u i l d ( 建设) 、o p e r a t e ( 经营) 和t r a n s f e r ( 转让) 这3 个英文单词的缩写，表示种 项目融资商务的模式，是指政府( 通过契约) 授予私营企业( 包括外国企业) 以 一定期限的特许专营权，许可其融资建设和经营特定的公用基础设施，并准许其 通过向用户收取费用或出售产品以清偿贷款，回收投资并赚取利润；特许权到期 时，该基础设施无偿移交给政府。) 等方式建立了先进的s c a d a 系统。它们的功 能也达到设计的初衷。 s c a d a 技术又称计算机四遥( 遥测、遥信、遥控、遥调) 技术，是以计算机 为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对远程现场的运行设备进行监 视和控制，以实现远程数据采集、传输、设备控制、测量、参数调节以及各类信 号报警等各项功能。一个完善的s c a d a 系统的建立，依托于高精度、智能化的一 次仪表获取信息，准确无误的通讯手段传输数据和高效快捷的计算机处理能力。 s c a d a 系统所涉及到的技术比较广泛，有仪表技术、检测技术、通讯技术、网络 技术等。 分布式s c a d a 系统数据分布在多级服务器上。中央服务器处理重要的和带有 统计性质的数据，并提供全局实时数据服务、重要参数的历史数据服务和全局报 警服务；各子服务器集中处理本子系统的数据，并提供本子系统的全部实时数据、 西安建筑科技大学硕士学位论文 ! ! i r o l l li i , ! ! ! ! ! e ! ! e j ! ! ! ! ! ! e ! ! ! ! ! s ! ! ! 曼 事件信息和全历史库访问服务；i 0 通信控制器处理本采集站的实时数据。 s c a d a 系统数据类型一般都有以下几种：实时数据、历史数据、日志和报警、 事故追忆、装置报告等事件记录。网络上的远程数据服务常有3 种模式：“同步请 求应答，模式、“数据订阅”模式、“事件变化通知”模式。 s c a d a 系统一般由企业生产调度指挥中心、分厂测控站、管网测压点等组成。 它所具有的功能一般包括：数据采集控制功能，数据传输功能，数据显示及分析 功能，报警功能，历史数据的存储、检索、查询功能，报表显示及打印功能，遥 控功能，网络功能等。 1 2 2 污水厂s b r 工艺s c a d a 监控系统 s b r 工艺是一种间歇( 批式) 处理污水的工艺技术，它采用单个反应池通过时 间序列来完成进水、曝气、沉淀、滗水等功能。该工艺具有投资少、运行灵活的 特点，是近年来国际上比较先进的污水处理方法。虽然在早上世纪初( 1 9 0 4 年) ， 国外就已经研究出这神工艺，但是至今国内各大污水处理厂真正采用它的还不多。 主要原因就是它对时间要求比较严格，对自控要求比较苛刻，加之污水处理厂地 点分散，设备量大，各个工作段位要求衔接紧密，设备间密切配合，所以没有褥 到推广应用。而近年来随着自动化技术、设备及在线监测仪表的发展，使得对污 水处理的自动化成为可能。 s b r 污水处理流程如图1 1 所示。 束盘，争采 避， 甜黛靶 图1 is b r 污水处理流程 西安建筑科技大学硕士学位论文 从图1 1 可看出，s b r 污水处理控制系统主要包括：进水泵房控制系统、旋 流沉砂池控制系统、主反应池控制系统、出水泵房控制系统、鼓风机房控制系统， 脱水机房控制系统等。 城市污水管网收集到的污水经泵站加压到进水泵房，在这里大的固体杂质被 格栅机过滤掉，然后较稀的污水被提升泵送到旋流沉砂池。在旋流沉砂池，污水 由于搅拌机和吸砂机的作用，其中的固体颗粒又被去除。下一道工序是污水先被 送到s b r 池的厌氧池，目的是去磷、脱氮，然后流入好氧池，这里有相应的菌种 来分解、净化污水。反应池中的污泥细菌生态系统维持存活的主要条件一个是污 水中的有机物杂质，另一个就是氧气的供应。所以污水处理厂专门设有鼓风机房， 通过池底的管道，直接对污水进行曝气。经过处理达标的污水可直接排放，多余 的污泥被排泥泵送到脱水机房，通过脱水处理，污泥被压干制成饼，用作肥料。 s b r 反应主要是在反应池内进行的，该工艺主要由进水、曝气、沉淀、滗水 等四个阶段组成。该对污水处理工艺进行自动化监测和实时控制是提高污水处理 效率、降低处理能耗的关键。s b r 工艺的处理效果主要取决于其运行参数，其中 主要参数包括各反应段时间以及曝气强度。一般采用以p l c 为核心的工艺过程自 动监控系统，实时控制鼓风机、水泵、电动阀等设备及各反应段时间，使水质达 到国家规定的排放标准。对污水处理工艺进行自动化监测和实时控制是提高污水 处理效率、降低处理能耗的关键。 污水处理是一个多参量( 如液位、水质成分、流量、压力等) 、多任务( 如污水 输送、风量控制、水泵的启停等) 、多设备( 如格栅机、水泵、鼓风机、阀门等) 且 具有随机性、时变性和耦合性的复杂系统。因此，污水处理应由一个智能监控与 综合管理系统来进行现代化的管理，使之安全可靠地运行。 1 3 课题来源及客户需求分析 本课题对天津港保税区污水厂原水处理系统进行改良，以期为最终实现区内 经济供水、污水处理、节能和提高城市供水自动化管理水平的目标打下基础。 1 3 1 目前控制方案存在的问题 保税区污水处理厂工程( 前期) 位于保税区京门大道以北，雨污水泵站以西， 工程占地面积：1 7 3 6 0m 2 建筑物占地面积：4 5 6 7m 2 ( 含已建：6 8 1m 2 ) ，建筑面积：2 2 1 6 矗2 ( 含已建的雨污水泵站：5 5 6m s ) ，道路及广场面积：5 7 0 2m 2 ，绿化面积：7 0 9 1m 2 。 ( 1 ) 主要建筑物：综合楼，生产车间，传达室； ( 2 ) 主要构筑物：生物池，细格栅及沉砂池，储泥池和出水泵房等； ( 3 ) 污水处理工艺采用s b r ( 序批式活性污泥法) 工艺，处理量：5 1 0 吨日。 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 其位置如图1 2 和图1 3 所示。 囤1 2 天津保税区污水处理厂有关设施 图1 2 中的构筑物为细格栅，图中的控肯4 箱为细格栅控制箱，图右后方的水泥 构筑物为生物池。图1 3 为天津保税区污水处理厂生产车间，生产车间左后方的水 泥构筑物为生物池。 图】2 天津保税区污水处理厂生产车间 现场调研结果表明，保税区的污水处理系统现场已有共1 6 面小型控制箱( 配 电箱) ，分别为：格栅系统现场控制箱，吸砂式移动桥系统控制箱，砂水分离系统 5 西安建筑科技大学硕士学位论文 控制箱，1 舟启闭机电气现场配电箱，1 拌滗水器电气现场配电箱，1 捍回流污泥电气 现场配电箱，l # 乖j j 余污泥泵电气现场配电箱，生物池一潜水搅拌器电气现场配电 箱，1 撑电动阀电气现场配电箱，1 撑鼓风机现场控制柜，2 捍鼓风机现场控制柜，潜 水搅拌器设备自带控制箱，1 i 出水泵现场配电箱，2 撑出水泵现场配电箱，加药机控 制箱，污泥脱水机控制箱等。但因为这些控制箱( 配电箱) 的设计和安装厂商不 是集中在某一家完成的，而是分别承包给了多家，至使污水处理系统的诸多在生 产工艺流程上相互关联，电器元器件动作上相互制约或相互连锁的小系统变成了 相互独立的分系统，破坏了整个污水处理系统的连续性，更谈不上污水净化的作 用了。整个污水处理系统的设备及相应的控制箱( 配电箱) 被闲置在保税区，而 保税区内诸多厂家在生产过程中排放的工业废水也未经任何净化处理就排放至渤 海，对渤海域周围造成了极大的污染。图1 4 为现场实际采用的雨、污水泵站工艺 流程图。 图1 4 扩展区雨、污水泵站工艺流程示意图 1 3 2 客户需求分析 保税区污水处理厂监控系统要实现污水处理厂全自动化控制运行管理和网络 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 实时数据采集，存储和处理。同时，作为保税区内最终的污永收集及处理系统， 提供与保税区现已有的供水加压泵站的监控管理系统相统一，应与其监控管理系 统，管网图形系统等实现数据接口，并具有监视管理功能。使保税区内供水，污 排水处理的监控管理，信息运行相得益彰，具有当今现代化先进的技术水平。该 系统的建立是保税区供、污、排水调度管理具有现代化水平的重要标志，同时为 最终实现区内经济供水，污水处理，节能和提高城市供水自动化管理水平的目标 打下基础。该系统应采用当前世界上先进的监控系统的硬件和软件技术，使系统 达到领先的水平。 s c a d a 监控系统的调度中心需设在污水处理厂的办公楼内。 ( 1 ) 设计范围： 根据全厂工艺生产流程及测控要求配置温度、压力、物位、流量、水质分析 过程控制等检测控制仪表： 根据全厂工艺和设备运行要求设置自动控制、自动调节、自动报警、安全保 护设置； 污水处理厂进出水量，在线连续水质监测； 污水处理厂计算机监控管理系统结构、功能； 仪表电源、信号的传送，设备状态信号和控制命令的传送，计算机网络系统 的连接； 自控仪表的防雷、过电压保护、接地系统； ( 2 ) 设计工艺要求； 主要测控参数有：温度、压力、流量、物位、p h 值、氧化还原电位、浊度、 溶解氧浓度、固体悬浮物浓度、极限液位、格栅运动控制、沉沙池运行控制、泵 组轮值控制、溶氧一曝气量控制、电气设备运行状态等。 主要测控内容如下： 压力：鼓风机出口压力； 流量：污水进水流量、回流污泥流量、剩余污泥流量、工厂出水流量、鼓 风流量等； 物位：细格栅水位差、生物池水泥位、贮泥池水位等i 水质分析：进出水p h 值、进出水浊度、生物池溶解氧浓度、生物池固 体悬浮物浓度等； 其他：各池极限液位、电气设备运行状态。 ( 3 ) 自动控制要求： 格栅、沉砂池排沙及砂水分离器；s b r 池的迸水、循环、空气曝气量、滗水 器、回流污泥量；剩余污泥量；脱水药液制备系统；中水处理设备、污泥脱水机； 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 各工艺电动阀门等。 根据保税区整个现代化小型污水处理厂s c a d a 监控系统和仪表系统，现有和 期中水处理量：4 x 1 0 0吨日以及扩建后的工艺处理要求，采用北京亚控公司提 供的，先进的组态王监控系统k i n gv i e w 用于污水厂监控中心的控制系统，同时选 用欧姆龙o m r o n 公司提供的工业级s y s m a cc j l 系列p l c 系统，用于污水处 理厂内的现场控制站。当控制人员在公司中控室发出上传指令时，将当前时刻运 行过程中的主要工作参数( 水质参数、流量、液位等) 、运行状态及一定时间段内 的主要工艺过程曲线等信息上传到公司中控室。 系统拟实现的主要功能如下： ( 1 ) 控制操作； ( z ) 显示功能； ( 3 ) 数据管理； ( 4 ) 报警功能； ( 5 ) 打印功能。 1 4 论文研究的主要内容 论文在分析天津保税区污水处理现状的基础上，根据污水处理厂s b r 工艺特 点，设计现代化小型污水处理厂s c a d a 监控系统。 论文的主要工作如下： ( 1 ) 设计基于污水处理厂s b r 工艺的s c a d a 监控系统总体方案 经过现场调研分析及方案论证，同时结合我国的水厂建设和污水处理方面的 成功经验，本课题将分布式计算机控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 的理论应用于污水处理厂s b r 工艺的s c a d a 监控系统。污水厂控制系统分为三 级：管理级、控制级和现场级。管理级完成对污水处理过程各部分的管理和控制， 并实现厂级的办公自动化；控制级接受管理层设置的参数或命令，对污水处理生 产过程进行控制，同时将现场状态输送到管理层；现场级是对系统设备的状态、 传感器参数进行监测，并把监测到的数据上传；接受控制级的指令对执行机构进 行控制。 ( 2 ) 设计s c a d a 监控系统的硬件系统并选择主要设备 本课题的硬件系统包含可编程控制器、过程仪表及可编程终端。根据用户要 求，所有硬件设备选型需充分考虑其先进性、实用性、可扩展性及易维护性，均 采用世界知名品牌。 ( 3 ) 设计s c a d a 监控系统的软件系统并编程 r 西安建筑科技大学硕士学位论文 本课题的软件系统由p l c 编程软件系统和上位机监控软件系统两部分组成。 p l c 编程软件系统采用基于统一的w i n d o w s 开发环境，易于设计、开发和操作； 上位机监控软件系统采用组态王，该系统具有完善的网络通讯功能、完备图形功 能、良好的界面一致性及易学易用的特点。 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 基于分布式控制技术的污水厂s b r 工 艺s c a d a 监控系统结构 2 1 分布式监控系统概述 分布式计算机控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 又名集散型控制 系统，其实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控 制的一种新型控制技术。它是由计算机技术、信号处理技术、通信网络技术和人 机接口技术相互渗透发展而产生的。分布式计算机控制系统概括起来由集中管理 部分、分散控制检测部分和通信部分组成。集中管理部分又可分为工程师站、操 作员站和管理计算机。工程师站主要用于组态和维护，操作员站则用于监视和操 作，管理计算机用于全系统的信息管理和优化控制。分散控制检测部分按功能可 分为控制站、检测站或现场控制站，它用于控制和监测。通信部分连接分布式控 制系统的各个分布部分，完成数据、指令及其他信息的传递。分布式计算机控制 系统软件是由实时多任务操作系统、数据库管理系统、数据通信软件、组态软件 和各种应用软件组成。使用组态软件这一工具，就可生成用户所要求的实用系统。 ( 1 ) d c s 的特点 7 1 s o 】口2 】 1 ) 控制分散、信息集中 采用大系统递阶控制的思想，生产过程的控制采用全分散的结构，而生产过 程的信息则全部集中并存储于数据库，利用高速数据通道或通信网络输送到有关 设备。这种结构使系统的危险分散，提高了可靠性。 2 ) 系统模块化 在分布式控制系统中，有许多不同功能的模块，如c p u 模块、a i 和a o 模块、 d i 和d o 模块、通信模块、存储器模块等。选择不同数量和不同功能的模块可组 成不同规模和不同要求的硬件环境。同样，系统的应用软件也采用模块化结构， 用户只需借助于组态软件，即可方便地将所选硬件和软件连接起来组成控制系统。 此种软、硬件的模块化结构提高了系统的灵活性和可扩展性。 3 ) 数据通信能力强 利用高速数据通道连接各个模块或设备，并经通道接口与局域网络连接，从 而保证各设备间的信息交换及数据库和系统资源的共享。 4 ) 友好而丰富的人机接口 操作员可通过人机接口及时获取整个生产过程的信息，如流程画面、趋势显 l o 西安建筑科技大学硕士学位论文 示、报警显示、数据表格等。同时，操作员还可以通过功能键直接改变操作量， 干预生产过程、改变运行状况或做事故处理。 5 ) 可靠性高 在分布式控制系统中，采用了各种措施来提高系统的可靠性，如硬件自诊断 系统、通信网络、电源以及输入输出接口等关键部分的双重化( 又称冗余) ，还有 自动后援和手动后援等。由于各个控制功能的分散，使得每台计算机的任务相应 减少，同时有多台同样功能的计算机，彼此之间有很大的冗余量，必要时可重新 排列或调用备用机组。因此分布式控制系统的可靠性相当高。 ( 2 ) d c s 的功能分层体系 分布式控制系统通常分为四层，如图2 1 所示。每层具有一台或多台计算机， 各计算机联成网络，相互协调。每层也称为一级。各层( 级) 的功能划分如下： 1 ) 第一层：直接测控级 这一层上有多台计算机或p l c 和专用控制器，直接面对生产现场的各类设备， 完成各现场设备的监测、控制，它的功能与多级系统中的直接测控级类似。 2 ) 第二层：过程优化级 这一层主要有监控计算机、操作站、工程师站。它综合监视直接控制级中的 所有信息，集中显示，集中操作，进行各控制回路的组态、参数设定和修改，优 化控制过程等。 3 ) 第三层；生产管理级 这层上的管理计算机为决策者提供有关信息，以做出关于生产计划、调度 和管理的方案，使计划协调和生产管理处于最佳状态。这些管理工作主要是针对 车间和工厂的生产，而不涉及市场和营销。 4 ) 第四层：经营决策级 这层的中央计算机担负全厂或全公司的总体协调、计划管理、市场营销。 它与厂里的财务、人事、档案、仓库、经营等各办公自动化系统联结，指定长期 发展规划和近期的发展计划，综合生产的计划、管理、销售、订货、，了解与分析 市场经营动向和本部门的财务收支及预算，对全企业进行总决策，向下级下达任 务，实现总调度。在现代化的企业系统中，也联结到i n t c r n e t 上，实现电子商务。 经营决策级的计算机大都是大中型计算机，一般要求数据处理和科学计算能力强， 存储容量大。 西安建筑科技大学硕士学位论文 ；生产过程 l l 一一一一一一一一一j 图2 1 分布式计算机监测控制系统 1 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 i i i 2 2 分布式污水厂s b r 工艺s c a d a 监控系统的功能要求 上位机系统要求具有与多台下位机系统通讯的能力，实时监控多台下位机的 工作状态，显示生产过程中的工作曲线；具有远程控制能力；向下位机采集数据， 对历史数据进行存储、查询、显示、打印等。因此，在一个自动监控系统中，投 入运行的监控组态软件是系统的数据收集处理中心、远程监视中心和数据转发中 心，处于运行状态的监控组态软件与各种控制、检测设备( 如p l c 、智能仪表等) 共同构成能快速响应的控制中心。 选用组态软件一一组态王鼬醒v i e w 6 5 的组态软件。“组态王”是在流行的p c 机上建立工业控制对象人机接口的一种智能软件包，它以w i n d o w s 9 8 w i n d o w s 2 0 0 0 w i n d o w s n t 4 0 中文操作系统作为其操作平台，充分利用了w i n d o w s 图形功 能完备、界面一致性好、易学易用的特点。使用p c 机开发组态王的系统工程比以 往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，从而大大减少了工控软件开发 者的重复性工作，并可运用p c 机丰富的软件资源进行二次开发。 在两台服务器上安装服务器版和冗余软件包，客户机安装运行版。 ( 1 ) 状态采集功能： 能动态采集下列信号： 1 ) 压力：鼓风机出口压力； 2 ) 流量：污水进水流量、回流污泥流量、剩余污泥流量、工厂出水流量、鼓 风流量等： 3 ) 物位：细格栅水位差、生物池水泥位、贮泥池水位等； 4 ) 水质分析：进出水p h 值、进出水浊度、生物池溶解氧浓度、生物池固 体悬浮物浓度等； 5 ) 液位：各池极限液位： 6 ) 其他：电气设备运行( 格栅、沉砂池排沙及砂水分离器；s b r 池的进水、 循环、滗水器、脱水药液制备系统；中水处理设备、污泥脱水机；各工艺电动阀 门等的开、停) 等状态。 ( 2 ) 状态数据的处理与分析 1 ) 能对采集数据进行存储； 2 ) 能对监控参数进行趋势分析； 3 ) 能对监控参数进行趋势预报； 4 ) 能对监控参数的异常状态进行关联分析。 ( 3 ) 报警功能 对监控参数能实施报警功能，能进行记录( 包括发生时间、监测参数数据、 西安建筑科技大学硕士学位论文 相关参数数据等) ，自动生成异常状态数据库。当参数超过设定范围或设备( 如电 机启停、阀门开关) 发生故障时，可根据组态发出不同等级的声光报警，如屏幕 显示报警信息、打印机输出报警信息等。可根据报警信息自动切换到相应的监控 画面。所有的报警信息均被记录在报警数据库中，便于以后的事故分析使用。 ( 4 ) 集中显示功能 1 ) 主要设备的运行状态显示： 2 ) 工艺流程的动态显示； 3 ) 主要参数的历史曲线及趋势显示； 4 ) 相关参数的历史曲线及趋势显示； 5 ) 历史数据及特种记录显示。 ( 5 ) 存储功能 1 ) 各种监控参数的动态存储； 2 ) 各种监控参数的异常动态存储； 3 ) 控制行为的动态存储。 ( 6 ) 查询功能 1 ) 各种监控参数的历史数据； 2 ) 各种监控参数的曲线及趋势； 3 ) 异常状态查询； 4 ) 控制行为查询。 ( 7 ) 报表及打印功能 1 ) 各种监控参数的报表自动生成； 2 ) 各种监控参数的指定区段数据打印； 3 ) 各种监控参数的报表打印； 4 ) 异常状态及控制行为的报表打印。 2 3 分布式污水厂s b r 工艺s c a d a 监控系统总体方案设计 ( 1 ) 系统组成及功能设计【2 】p 】 2 0 】 2 1 】 2 2 j 现代化的污水处理系统需要实现管理与控制一体化，实现办公自动化。控制 系统不仅与下层控制设备有良好的接口，而且具有与上层管理系统集成的接口， 同时具有可扩展性。所以现代化污水处理系统要求在底层采用现场总线或者工业 以太网等技术，上层则选用优秀的监控组态软件。为了加强系统的可靠性，使整 个系统能够长时间无故障地运行，需要采用容错技术。根据全集成自动化( t o t a l l y 1 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 i n t e g r a t e da u t o m a t i o n ) 的思想，将污水厂控制系统分为三级：管理级、控制级和 现场级。图2 2 为网络结构图。 1 ) 管理级 管理级是系统的核心部分，完成对污水处理过程各部分的管理和控制，并实 现厂级的办公自动化。管理级提供人机接口，是整个控制系统与外部信息交换的 界面。管理级的各台计算机具有相互通讯的功能，实现数据交换或共享。 系统中央监控中心由一台工程师站和两台操作员站，打印机、g p s 时钟服 务器、投影仪、电动屏幕显示装置及u p s 等组成。监控中心主要完成系统的数据 采集和监控管理任务，将现场站传送来的数据信息进行处理、分析及存档，并向 现场站发送调度及控制现场主要工艺设备的启动和停止命令。 系统中一台计算机为工程师使用，两台操作员工作站通过组态王k i n g v i e w 6 5 的监控系统授权级别管理，工程师能离线或在线对整个监控系统进行组 态、参数修改、开发等。另外可通过工控软件实时监视全厂工艺参数变化、设备 运行、故障发生等情况，并进行多种模式操作，同时负责日常报表打印、事故打 印和数据记录等。 工程师计算机上安装p l c 的编程软件，程序可方便地通过以太网 ( e n t e r n e t ) 和控制网络分别下载到指定的现场控制站的o m r o ns y s m a c c j l 系列p l c 支持在线修改p l c 程序和参数。通过冗余式工业以太总线网 ( 1 0 1 0 0 m b ) 数据通信系统，污水处理厂监控中心的s c a d a 系统保证二台监控主 机，具有相对独立操作和互为备份的功能。这样允许被授权的操作人员和系统工 程师，通过整个系统来监视数据和进行各自的控制操作和管理任务。当一个计算 机发生系统故障时，不仅不会影响另外的计算机的工作，而且会承担其运行和操 作的工作。使系统不致于失去控制，保证了系统的可靠性。 两台打印机通过终端共享器连接到以太网上，允许两台工程师站和操作员 站共享使用。可随时打印所需要的各种资料及事故报表，并可定时打印日报、周 报、月报等。 在中央监控中心，设置一台高分辨率的投影仪与一台工程师站相连接，在 电动投影幕上显示全厂工艺流程、设备的运行状态、故障状态和部分工艺参数。 在控制中心设置一套g p s 时钟服务器，对整个s c a d a 系统实现时间同 步的功能。 为保证s c a d a 监控系统的正常工作和提高系统的利用率，采用不问断电 源系统u p s 为各调度中心计算机监控系统供电。在外电源断电的情况下，u p s 能 保证调度中心的主要设备8 小时的正常工作。 两台安装北京亚控公司的组态王瞄n gv i e w6 5 监控组态软件的冗余 西安建筑科技大学硕士学位论文 服务器作为上位机的一部分，两台服务器安装k i n gv i e w6 5 组态软件的完全版以 及冗余软件包，两台服务器互为备用，实现冗余，提高系统的可靠性。 装有k i n g g i e w6 5 运行版的p c 机作为监控工程师操作站。这种配置的最 主要的优点是保证数据的完整性和监控操作的连续性。如果一个k i n gv i e w6 5 服 务器出现故障，该服务器的客户机自动从发生故障的服务器切换到备用的服务器 上，使所有的客户机始终可以监控生产过程，修复后的服务器回到系统后，自动 实现归档数据的匹配。 控制级 控制级是实现系统功能的关键，也是管理级与现场级之间的枢纽层。其主要 功能是接受管理层设置的参数或命令，对污水处理生产过程进行控制，同时姆现 场状态输送到管理层。控制级要求具有高可靠性，控制器是整个系统的核心，所 以在控制级中，采用欧姆龙公司c j l h - c p u 4 5 h 型p l c 组成控制器，集中控制使 得整个污水厂控制系统各个部分之间能够完全协调工作。 厂区内控制级包括：现场控制站( 一套可编程序控制器( p l c ) 和一台轻 触式可编程终端( h m i ) 、一台u p s 电源) 以及一套化验室操作站。监控中心可调 用现场站的全部运行信息，并可控制现场主要工艺设备的启动和停止。 现场控制站和化验室操作站在现场进行工艺检测参数、设备运行工况信号 的采集、顺序控制、连锁保护、检测和控制，可以独立完成各站点的自动控制工 作；并向中央控制室进行实时传送。化验室操作站采集工厂化验室对生产过程取 样的各种化验数据。根据管理要求和授权，人工录入数据。 现场控制站在网上支持远程访问，支持双e t h e r n e tt c p i p 及d n p3 0 等协 议；网络媒介采用双绞线或光纤等。 3 ) 现场级 现场级是实现系统功能的基础。现场级主要由测控管理区域内的自控仪表仪 表( 如超声波液位差测量仪、浊度测量仪、溶解氧温度测量仪、酸度温度测量 仪、空气流量计、固定式自动取样器、电磁流量计、液位开关) 等控制设备等组 成。其功能主要是对系统设备的状态、传感器参数进行监测，并把监测到的数据 上传；接受控制级的指令对执行机构进行控制。由于控制设备比较分散，在传统 的工厂内，输入输出设备连接到一个集中的控制柜内，在设备改变和系统扩展 时，导致接线工作量大，成本高，柔性度低。通过开放的、标准化的现场总线系 统来连接部件。分布式配置意味着可编程序控制器、i o 模块和现场设备通过称为 现场总线的信号电缆连接。将输入输出模块转换成就地监测器和执行器，可就地 转换和处理过程信号。可像集中配置那样进行程序设计。在实际现场，由于控制 点与控制现场的距离较近( 在2 0 0 米以内) ，所以没有采用现场总线技术进行布 1 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 线，而是采用双绞屏蔽电缆。 圈2 2 s b r t _ 艺s c a d a j | 盘控系统结构图 1 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 基于分布式控制技术的污水厂s b r 工艺s c a d a 监控系统的硬件系统设计 3 1 分布式监控系统p l c 选型设计 水处理厂的操作人员多为工人，技术能力有限，而一个污水厂的自控系统往 往要运行1 0 年、2 0 年。因此在选择可编程控制器时，霈充分考虑其先进性、实用 性。p l c 应采用世界知名公司的最新产品，应考虑选择货源充足中文资料丰富、 备品备件容易，技术服务方便、国内有维修处的生产商的产品，p l c 的控制点数 应留有余量，并具有可扩充性。另外与发达国家相比，我国电网质量尚有差距，应选 择对电源波动适应范围大于4 - 2 0 的产品。考虑到国内用户的技术水平，p l c 系统 应结构简洁、使用方便、特别是程序编制方法应简单易学。 目前应用中