1 引言
香洲污水處理廠于1994年1月建成投產，日處理規(guī)模3萬噸/日，采用帕氏維爾氧化溝工藝，成套引進法國得利滿公司的設備和技術，具備20世紀90年代國際先進水平。自動控制系統(tǒng)采用法國Telemecanique公司的TSX 4730可編過程控制器(PLC)，美國Wonder Ware的工廠監(jiān)控軟件Intouch4.0和微軟公司的操作系統(tǒng)Windows 3.1，如圖1。
圖1 原系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構
在10多年的生產中，自控系統(tǒng)運行穩(wěn)定，故障率低，較好地滿足出水達標排放的要求。但隨著時代的發(fā)展，自控系統(tǒng)生命周期的后期缺陷逐漸出現(xiàn)。主要表現(xiàn)在如下幾個方面:
(1) PLC生產商已經不生產TSX 4730系列產品及相關配件，如果PLC模塊損壞需要更換，將面臨備件供貨量極少并且價格較高的問題;
(2) 監(jiān)控計算機操作系統(tǒng)Windows 3.1和監(jiān)控軟件Intouch4.0，版本落后，運行速度慢，安全可靠性差，已經不能滿足生產的要求;
(3) 所有設備的手動或自動運行都需通過PLC進行控制，當PLC或相關模塊故障時，控制面臨“癱瘓”的危險，需手工改接線路才能使設備運行，這會使生產發(fā)生一段時間的中斷;
(4) 監(jiān)控系統(tǒng)只能設置工藝參數(shù)和監(jiān)視設備的運行狀態(tài)，不能通過計算機控制設備的運行和停止;
(5) 工藝控制的需要，增加了推流器和內回流泵等設備，氧化溝轉刷根據(jù)溶解氧的控制模型已不滿足實際生產的需要，而原有控制系統(tǒng)較難開發(fā)和擴展。綜合上述原因，我公司決定對香洲一期自控系統(tǒng)實施升級改造。
2 自控系統(tǒng)改造方案說明
(1) 網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)
考慮到一期和已建成的二期污水處理廠控制部分在同一個控制室，本次改造升級將和二期控制部分采用相同的架構，因所有I/O系統(tǒng)在同一個控制室內，距離較近，網(wǎng)絡通信方式采用工業(yè)以太網(wǎng)。
●主站采用施耐德公司的PLC;
● 采用Wago的I/O SYSTEM;
●采用Ethernet通信網(wǎng)絡;
●上位機采用WONDERWARE 的INTOUCH 8.0。
(2) 施耐德的QUANTUM PLC
Quantum易于組態(tài)和維護。它提供對結構與模塊的靈活選擇。即使是對要求最苛刻的應用，Quantum也是可靠的選擇。具有如下特點:高性能的控制器，先進的IEC編程和開放式的網(wǎng)絡連接。
(3) 德國萬可公司的WAGO
從站采用WAGO I/O SYSTEM/750系列產品，有如下功能和特點:
●安裝容易;
●使用靈活;
●功能齊全;
● 設計經濟;
●連接快速簡單。
(4) MODBUS TCP/IP以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡
整個系統(tǒng)采用MODBUS TCP/IP以太網(wǎng)網(wǎng)絡。
(5) WONDERWARE 的INTOUCH 8.0
InTouch HMI軟件用于可視化和控制工業(yè)過程。它為工程師提供了一種易用的開發(fā)環(huán)境和廣泛的功能，使工程師能夠快速地建立、測試和部署強大的連接和傳遞實時信息的自動化應用。InTouch軟件是一個開放的，可擴展的人機界面，為定制應用程序設計提供了靈活性，同時為工業(yè)中的各種自動化設備提供了連接能力。
3 自控改造方案詳述
改造后的自控系統(tǒng)由監(jiān)控PC、交換機、PLC和現(xiàn)場I/O等部分組成，網(wǎng)絡拓撲結構如圖2:
圖2 改造后的網(wǎng)絡拓撲結構
3.1 中央控制室CP操作柜改造
CP柜改造的主要內容是將設備原先手動經過PLC控制的回路→改為手動控制可以直接控制設備的啟動和停止的回路，這樣即使PLC故障，我們也可保證順序啟動設備，不會造成生產的中斷。改造過程中需把原先的報警信號(過載、溫度過高、泄漏等)使用中間繼電器把報警信號一分為二，一路作為PLC的數(shù)字輸入信號，另一路串入手動控制回路，這樣在手動控制設備時，所有的保護仍然起作用，保證設備的運行可靠。
3.2 PLC的更新及現(xiàn)場Wago I/O的接入
原PLC輸入、輸出點為48VAC信號，大部分設備的控制電源為48VAC，現(xiàn)輸入、輸出點為24VDC信號，因此，需要24VDC的直流電源和24VDC的中間繼電器以實現(xiàn)輸入、輸出信號的變更。
3.3 PLC程序的升級開發(fā)
原Telemecanique公司的TSX 4730可編過程控制器(PLC)采用PL7編程語言開發(fā)，現(xiàn)Quantum PLC采用Concept2.6編程語言開發(fā)，設備的控制邏輯除氧化溝曝氣控制模型外，其余部分沒有太大的改變。原氧化溝轉刷控制模式:每條生產線上有3臺轉刷，其中兩臺常開，第三臺根據(jù)時間周期控制，運行2小時，停止1小時，當出水溶解氧DO低于下限值，則第三臺轉刷立即啟動運行，當出水溶解氧DO高于上限值，則第三臺轉刷立即停止運行，由于溶解氧變化波動較大，這容易引起轉刷的頻繁起停。
3.4 幾個關鍵工藝控制點
(1) 轉刷自動運行
新的氧化溝轉刷控制模式根據(jù)氧化還原電位計ORP進行控制，增加推流器和內回流泵的控制。每組轉刷中有兩臺處于長期運行，在監(jiān)控計算機上選擇其中兩臺，最后一臺轉刷受ORP氧化還原電位計控制，當ORP值在設定的時間范圍內小于設定值并延時一段時間(缺省15min)都小于設定值時轉刷啟動，高于設定值并延時一段時間(缺省20min)都高于設定值時停機，并設定最小的開機時間和待機時間。
(2) 轉刷手動運行
可在計算機和中控室CP柜上進行操作。
報警類別:過載保護、溫度保護、緊急停機。
(3) 2臺推流器
計算機和中控室CP柜控制電機開停。
報警類別:過載保護、溫度保護、泄漏保護。
(4) 1臺內回流泵
計算機和中控室CP柜控制電機開停。
報警類別:過載保護、溫度保護。
3.5 監(jiān)控軟件Intouch的升級開發(fā)
(1) 監(jiān)控軟件Intouch從4.0版本升級到8.0版本，原先程序仍然可用，可經過如下步驟升級Intouch4.0→ Intouch5.6b→Intouch8.0。
(2) 原監(jiān)控系統(tǒng)只能設置工藝參數(shù)和監(jiān)視設備的運行狀態(tài)，不能通過計算機控制設備的運行和停止;此次開發(fā)后，我們不但能通過計算機控制設備的運行和停止，而且能靈活設置設備處于自動或遠程手動控制模式，通過編程，使設備報警和網(wǎng)絡監(jiān)控功能大大加強。
(3) 實現(xiàn)設備或工藝報警，能以短信的方式發(fā)到手機的功能，采用附表所示設備來實現(xiàn)。
附表 設備或工藝報警短信接口設備
注:本報警自動撥號系統(tǒng)需用戶提供供電話線。
本套短信發(fā)送報警系統(tǒng)，通過與Wago輸出模塊的連接通信來實現(xiàn)，具有強大的報警功能，能把設備的故障報警狀況以及工藝參數(shù)變化情況通過短信及時發(fā)送通知相關工作人員，縮短了獲取信息及作出處理意見的時間，提高了工作效率，為實現(xiàn)夜間無人值班創(chuàng)造了條件。
4三個污水處理廠監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)和遠程實時控制
香洲污水處理廠一、二期及北區(qū)污水處理廠使用VPN(專用虛擬網(wǎng)絡)組成一個網(wǎng)絡，通過Internet接入方式實現(xiàn)遠程監(jiān)控三個工廠的生產狀況。隨著科技的進步，網(wǎng)絡通訊的速度和安全可靠性得到了極大的提高，這使我們通過網(wǎng)絡，實現(xiàn)遠程監(jiān)視或控制工廠的生產狀況提供了可能。香洲一期、二期自控系統(tǒng)由于經這次改造后，采用了相同的網(wǎng)絡結構，它們通過以太網(wǎng)互聯(lián)，共同使用二臺上位監(jiān)控計算機，香洲中控室與北區(qū)中控室的監(jiān)控計算機、辦公室或家中的筆記本計算機等組成VPN網(wǎng)絡，實現(xiàn)了三個工廠的互相監(jiān)控，網(wǎng)絡結構如圖3所示:
圖3 三個工廠的監(jiān)控網(wǎng)絡結構
香洲廠監(jiān)控計算機采用固定IP并作為Intouch軟件數(shù)據(jù)服務器，接收來自三個工廠的生產數(shù)據(jù)信息，通過VPN虛擬網(wǎng)絡，在其中任何一臺計算機監(jiān)控終端可以監(jiān)視和控制三個廠的生產情況。所有計算機可采用ADSL方式或數(shù)據(jù)專線方式接入INTERNET。
5 自控改造的價值評述
5.1 網(wǎng)絡通信速度
自控系統(tǒng)技術改造完成后，PLC和上位機采用以太網(wǎng)通訊，PLC與Wago子站采用MODBUS TCP/
