基于复合型网络的污水处理厂管控一体化系统

1、    基于复合型网络的污水处理厂管控一体化系统【摘要】：基于分布式控制系统、计算机网络技术的特点、大型污水处理厂对生产过程控制自动化及管理信息化的要求，结合实例从系统结构、软件平台、硬件配置、实现功能几方面对污水处理厂管控一体化系统的设计与实现进行了详细的阐述，指出企业管控一体化系统的关键环节是生产管理自动化的实现，复合型网络结构尤适合已建或分期建设的大型污水处理厂。关键词：分布式控制生产管理经营管理一体化信息化1前言21世纪是信息产业飞速发展【摘 要】：基于分布式控制系统、计算机网络技术的特点、大型污水处理厂对生产过程控制自动化及管理信息化

2、的要求，结合实例从系统结构、软件平台、硬件配置、实现功能几方面对污水处理厂管控一体化系统的设计与实现进行了详细的阐述，指出企业管控一体化系统的关键环节是生产管理自动化的实现，复合型网络结构尤适合已建或分期建设的大型污水处理厂。关键词：分布式控制 生产管理 经营管理 一体化 信息化1 前言21世纪是信息产业飞速发展的时代，信息产业已经渗透到社会各行各业的各个环节，企业管理的信息化已经成为一个企业立足市场的迫切要求和需要。传统的污水处理厂生产和管理结构体系是分开的，其自动控制系统的结构大多数采用分布式控制系统（DCS），由现场控制站（包括各种控制站

3、、采集站、与网络相联的各种智能仪表和智能调节器等）、操作站、工程师站、管理站及通信网络组成，完成生产过程控制和对过程信息的管理。而管理系统即使是大型污水处理厂往往也只是个别的、独立部门的办公自动化，注重于企业的备品与备件的采购和库存、财务等，缺乏生产管理、调度功能，是脱离DCS系统的。2 系统结构设计深圳某污水处理厂是日处理35万t的城市生活污水处理厂，一期15万t采用AB曝气法工艺，二期20万t工艺采用氧化沟法。污水经过物理去污、生化过程、沉淀、消毒等处理过程，达到排放标准的水就可直接排放了。其特点是工艺流程分布广，由多个流程段组成，用电设备多，水质复杂，对出水标准要求严格，对自动

4、化水平要求高，并要求实现管理的信息化。采用一体设计、分步实施策略，将该厂管控一体化系统分成不同的层次实现，如图1所示。第1层：直接控制级。实现连续控制调节和顺序控制，设备检测和系统测试与自动诊断，进行过程数据采集、转换、检查等。第2层：过程管理级。过程操作，各种生产过程报表打印，装置协调、优化控制和自适应控制，历史数据的收集和处理，各种报警信息的处理等。第3层：生产管理级。规划产品结构和规模、产品监视，产品报告、工厂生产监视。此层也可称为生产调度层，是管控一体化系统构成闭环回路的关键环节。第4层：经营管理级。市场和用户分析，备品备件采购与消耗统计、财务核算，生产协调和期限检测等。第1层和第2层

5、与现场设备层的工业生产过程组成传统的DCS控制系统，大量生产过程实时数据需要传递至管理层，用以实现上层的操作优化、调度优化和对生产的监督，实时性和可靠性是关键；第3层和第4层的功能由计算机网络完成，将第3层和第4层合并成一层，为生产经营管理级，即ERP（管理系统），信息流是关键。控制站完成第一层的直接控制级的功能，操作站和工程师站完成第二层的过程管理级的功能，工作站和服务器构成的计算机网络完成第3层和第4层的生产管理级和经营管理级的功能。控制站与操作站和工程师站之间通过DH+网络实现通信，最远通信距离800m；操作站和工程师站与工作站和服务器之间通过以太网实现通信，最远通信距离1200m。此系

6、统结构为控制网络与以太网络的复合型网络结构，尤其适合已建或分期建设的大型污水处理厂。3 系统配置3.1 DCS系统系统设2台操作站、2台工程师站（一期与二期各用1台），工程师站兼有操作站的功能。操作站/工程师站基本组成为工业PC机、DH+网络通信卡、报警打印机、报表打印机、以太网卡等。工业PC机主要技术指标：CPUP2.0GHz、40G硬盘、彩色显示器、标准键盘、256MB内存、1.44M软驱、40XD-CDROM。系统设8个控制站，选用美国Rockwell公司的PLC-5系列产品，具有模块化结构、高抗干扰的工业硬件平台。每个控制站的基本组成是CPU模块、DH+网络通信模块

7、、数字量和模拟量的I/O模块、底板等。完成所有的数据采集、控制、自检、通信、报警等功能。操作站的人机界面软件采用Rockwell公司的RSView32，该软件包含大量的图形化工具、建立监控过程实时画面、在线组态、实时和历史趋势、数据采集和处理、报表、报警和管理等功能。操作系统为Microsoft Windows 2000。DH+（Data Highway Plus）网络是美国Rockwell公司推出的一种专为工厂级应用而设计的工业局域网，是一开放网络。DH+网支持网络上设备之间的通信，也可用于多个处理器之间的大量数据交换，并作为一个链路对多个控制器进行编

8、程，支持菊花链型和主干一分支线型，通信速率：57.6kb/s（最大电缆长度3048m）、230.4kb-s（最大电缆长度762m），是PLC-5系统应用最广泛的一种网络技术，本系统具有12个独立网络节点。系统主要特性：硬件可靠性高、稳定性强，能长期在工业生产环境下工作；模块化结构、可带电插拔，系统维护方便；高速传送系统数据和信息，实时性强；具有硬件配置的灵活性和扩展性；通过以太网与上层管理网络通信；开放的网络结构，易于管理。3.2 ERP系统ERP管理系统以Internet为组网技术，采用高性能的交换式网络建造体系，通过以太网与DCS系统通信，将指令信息下达到控制层，优化生产过程，保

9、证设备正常运转；将从DCS系统得到并处理后的生产过程状况、生产工况等信息上传至管理层与Internet电子商务相连。采用16个信息点数的交换机，各工作站及网络服务器均通过以太网通信。选用两台服务器，一台作为主服务器，与DCS监控系统相连接的同时，通过以太网另挂多台管理用计算机工作站，使这些管理用工作站可访问浏览DCS监控系统所监控的整个生产过程的数据，主服务器是管理系统的主域控制服务器、文件服务器、数据库与应用服务器，同时配置一块DH+网络通信卡和一块以太网卡；另一台作为WEB服务器，用于连接Intranet，提供内部和外部的Intranet服务。服务器基本配置为：CPUP2.0 G

10、Hz、双CPU，40G硬盘、38cm彩色显示器、标准键盘、512MB内存、1.44M软驱、40XD-CDROM。工作站设置在厂长办公室、调度室、技术管理办公室、财务室、仓储管理室、化验室等厂重要部门，选用一般的PC机且为当前适用的配置即可。同时系统设一台网络打印机，处理日常的办公打印。对实时监控信息建立一个工厂实时关系数据库，选用Wonderware公司的实时数据库Industrial SQL Server开发环境创建，为C1ient/Server结构，是开放的数据库，可通过Microsoft Excel等软件存取访问实时数据、历史数据和配置数据、汇总数据、相关的

11、商业数据。操作系统为Microsoft Server 2000。系统主要特性：以企业自身作为主体，以企业的资源管理为中心；科学利用企业内部的资源管理，控制企业资金流、信息流，使其有机组合，达到提高效率、降低成本的目的；在实时、大容量、工厂监控和控制环境与开放灵活的电子商务信息环境之间架起了桥梁；支持现代办公自动化系统中的多媒体信息的快速传递，数据采集、输入、分类、合并、检索、存储、计算、统计、分析、核算、输出等功能；系统信息种类多、数据量大，实时性不强；简单、开放的网络拓扑结构，易于维护；具有扩展和升级能力。4 功能设计系统功能实现如图2所示。实现监控功能、生产管

12、理功能和经营管理功能。4.1 监控功能控制站完成对现场I/O信号的采集、处理和控制，工程师站完成对系统的编程、组态及对硬件的配置，操作站实现系统的实时显示、监控、操作、报警、记录、报表和历史储存等功能。实时数据库的建立是核心，实时数据库用来描述和构造系统的一切实时事务活动。数据结构的描述涵盖过程控制中的所有类型的过程点、控制点和各类算法及接口，确定数据库的各个组成部件，建立数据结构描述和所有关联操作，数据库结构如图3所示。1）数据处理功能。对系统采集的各种数字信号，利用各种计算功能、数据变换功能等实现；数据信号有电气设备的运行状态信号、故障信号和启/停控制信号及流量、浓度、溶解氧含量

13、、pH值模拟量信号等。2）控制功能。系统具有现场手动、中控室遥控和自动控制3种控制方式，实现顺序控制、联锁控制、故障联锁控制和生产过程回路控制功能。如：曝气池、生化池，沉淀池液位与进水阀门的联锁控制；污水泵房液位与污水提升泵的联锁控制；污水进水量与污水提升泵运行时间的联锁控制；总风量与鼓风机运行台数的联锁控制；溶解氧浓度自动调节等功能。3）显示功能。按污水提升泵房、沉砂池、生化池、曝气池、氧化沟、沉淀池、浓缩与脱水等11个工艺流程段显示工艺运行工况，利用数据链接技术使画面上的电气设备和元件实现实时动态、闪烁、变色等功能，让画面上的工艺参数以数字、棒图的形式实时显示。4）操作功能。利用弹出窗口、

14、控制按钮和DDE连接技术实现各台设备和各系统的启/停操作、控制操作、切换操作、热键操作和权限操作等功能，对各种操作均实现误操作保护。5）实时与历史趋势功能。对流量、pH、浊度、溶解氧、温度等工艺参数当前运行状况和运行以来某段时间内各参数值以图表或曲线的形式显示。6）报警功能。显示各设备故障、操作故障、参数超限、系统错误等报警事件、报警状态值及报警处理。7）记录功能。对各种报警事件、重要操作、系统运行、重要参数等重要事件，进行记录和储存。8）报表功能。对当前运行参数和运行以来的各参数值生成实时和历史生产报表，如班报表、日报表、月报表、年报表、报警报表等，实现定时或随时打印。4.2 生产

15、管理功能主要涉及数据库技术、网络技术和管理科学的有关内容。采用以经济指标为目标的生产过程优化运行、优化控制和优化管理，起承上启下的作用。1）生产统计管理。对污水处理过程数据、完成情况进行统计与分析，分工艺流程段，按生产过程调节回路或参数类型进行。2）生产调度管理。对上层生产计划的判断、识别，对生产过程进行实时调度，执行调度任务后，对污水处理完成情况进行数据统计与分析，并修正计划。3）设备管理。对系统中的电气设备，进行设备标定、预测故障发生、设备的寿命周期管理、运行记录、故障记录、维护记录及备品备件管理。4）生产成本控制管理。对污水处理过程的物耗、能耗进行在线计量和成本预测，与目标成本比较、跟踪

16、和修正，给出降低成本的操作和控制指导。5）物料控制管理。根据上层管理物料计划，对生产过程进行物料平衡，对物料进行控制与管理。6）质量管理。对在线生产过程工艺参数与化验室分析值进行比较、分析，及时调整被控参数，保证产品质量。7）安全管理。通过设备预测故障发生系统及时提出设备维护计划，通过信息安全与权限管理实现软件安全保护功能4.3 经营管理功能建立在Industrial SQL Server、办公自动化软件、电子商务的环境下，全面实现企业的经营管理，见图4。根据厂实际需要实现了实时信息管理、设备管理、生产数据管理、运行管理、物资管理、质量管理、安全管理、财务管理、人力资源管理及办公自动化等功能。财务核算层：实现财务自动化的基本功能，包括帐务、工资、人力资源、固定资产等。是经营管理系统的起点。物流管理层：实现企业以供应、仓储、销售为主流的物流过程的自动化管理，包括采购、生产领料等。涵盖了除生产管理以外的其它管理内容，是业务自动化的主要内容。计划综合管理层：实现以计划为核心的全面管理，包括市场与用户分析、综合生产计划、成本核算与控制、以及服务管理和现场服务管理等。是现代企业管理思想的融会贯通，也是经营管理系统的重点。5 结束语系统自投入运行以来运行状态良好，受到广泛关注，取得了显著的经济效益和社会效益。厂二期投入运行后并没