基于CASS 工艺的污水处理自控系统设计

朱兰香，单泽彪，单泽涛，石要武

(1.长春建筑学院电气信息学院，长春130699;2.吉林大学通信工程学院，长春130022;3.诺博橡胶制品有限公司，河北保定071000)

0 引言

随着人们生活水平的不断提高和环境保护意识的日益增强，污水处理已得到人们的广泛关注，尤其是城市污水的处理俨然成为城市居民生活质量得到长期保证的一项重要举措，污水处理工程也已成为城市发展中必不可少的配套措施［1］。近年来，国家对水环境保护力度越发加强，对污水处理过程自动化程度的要求也在不断提高［2］，传统的污水处理方式已很难达到其控制要求，所以，利用先进的工艺和控制技术对污水处理过程进行监视与控制并开发出一套全自动监控系统有必要且具有重要的意义。

污水处理工艺就是对城市生活污水和工业废水的各种经济、合理、科学、行之有效的工艺方法。目前我国常用的城市污水处理工艺有传统活性污泥工艺、AB(Adsorption Biodegradation)工艺、间歇式活性污泥法(SBR:Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process)、氧化沟工艺、A/O(Anoxic/Oxic工艺以及A2/O(Anaerobic Anoxic Oxic)工艺等［3－5］。其中SBR工艺集除磷、脱氮、降解有机物及悬浮物等功能于一池完成，具有工艺流程简单，占地面积少，运行维护量少等优点，而循环式活性污泥法(CASS:Cyclic Activated Sludge System)工艺正是从SBR工艺的基础上演变而来的一种新型污水处理工艺，其完全继承了SBR工艺的优点，而且还实现了SBR工艺不具备的单池连续循环污水处理的功能［6］。笔者针对上述各污水处理工艺的分析以及结合长白污水处理厂接纳污水水质质量的实际情况，确定CASS工艺作为该污水处理厂的水处理工艺。

基于CASS工艺技术的选择并结合长白县污水处理厂自控系统的开发需求，从项目实际情况出发，笔者给出了整个污水处理自控系统的构架与设计过程。整个自控系统从总体上可分为以工业以太网网络拓扑结构链接的上、下位机两部分，其中安装有监控组态软件的工业控制机作为上位机，主要完成数据信息的采集与存储、远程控制、状态显示、分析处理、复杂运算以及打印报表等功能;以可编程控制器(PLC:Progarmmable Logic Controller)为主体的下位机主要完成数据采集、状态判别和输入输出控制等功能，充分考虑了PC机和PLC各自的特点，以实现二者的优势互补。最后利用远程操控软件DameWare设计的本地控制系统的远程监控与维护功能，给维护人员或专业人员带来了极大方便，无需亲临现场，便可远程操控，极大提高了工作效率、缩短了人员处理问题的时间。尤其借助于互联网可以在全国各地内实现远程操控，真正意义上实现了超远程监控与维护指导的功能。而且在上位机和PLC中分别设置了独立又统一的两套运行方案，即使在上位机不工作的情况下，即依靠PLC单独工作，也可完成整个工厂的污水处理任务，实现整个系统的自动控制与运行。系统运行结果表明，该系统控制质量高，性能稳定，运行可靠，到达了设计目标及要求。

1 污水处理的CASS工艺及流程

整个CASS工艺的核心构筑物为反应池，除磷、脱氮、降解有机物及悬浮物等功能均在该池内完成，一般不需设置调节池及二沉池。以CASS工艺为核心的整个污水处理工艺流程简单明了，设施布置紧凑，占地面积小，主要有粉碎性格栅(粗格栅)、提升泵、转鼓性格栅(细格栅)、曝气沉砂池、CASS反应池和紫外线消毒间(生物过滤池)等处理环节。其工艺流程如图1所示，其中实箭头表示污水的流向。

图1 CASS工艺流程图Fig.1 Flow chart of treatment process base on CASS

2 系统网络设计

在整个污水处理自动控制系统中，网络通信的可靠性直接决定了系统的好坏，因此，网络的拓扑结构、传输介质及参数设置都及其重要。整个控制系统从主体结构上可分为上位机监控系统和下位机控制系统。由于以太网可以一直延伸到现场设备控制层，且基于TCP/IP协议的工业以太网，实时性好，抗干扰性强，稳定性与可靠性高，易于远程控制和实现资源共享［7］。在此网络采用环形光纤工业以太网进行组网，其中环网还具有某段出现故障整个系统还可照常运行的特点，极大提高了系统的可靠性。系统拓扑结构如图2所示。

图2 系统拓扑结构Fig.2 Topological structure of automatic system

图2从结构上可分成3个网络层面，最上层为以WinCC组态构成的上位机监控管理层;中间层是由环形工业以太网组成的通讯层，其中S7－300PLC通过CP343－1通讯模块与以太网相连，上位机通过设置WinCC中设备的网络参数，再通过收发器与以太网相连;最底层为由下位机PLC和各个设备构成的过程控制与设备执行层，其中共有4个S7－300PLC站，以实现污水处理中各分区工段的分布式控制。

3 上位机监控系统设计

3.1 WINCC开发的污水处理监控系统

上位机监控系统的设计方法有很多，可采用可视化编程软件VB、Delphi等编程实现，也可直接运用组态软件开发设计，组态软件有西门子WinCC、InTouch、组态王和三维力控等，其中以WinCC开发简单、功能强大、网络通讯稳定可靠最为著名［8］。图3即为采用WinCC开发的污水处理监控系统总画面。

图3 上位机监控系统总画面Fig.3 The total screen of computer monitoring system

点击图3中的各小画面或左边的导航栏即可进入每一处理环节进行控制或浏览，其中设计了动态画面显示、历史报警记录、报警确认、历史/实时曲线、日/月/年报表和自动报表/曲线打印等基本功能，还开发了超远程监控与维护、故障参数自诊断报警、网络通断提示、设备故障排除提示等功能模块，极大地方便了操作人员的监视与控制。

3.2 超远程监控与维护功能的设计

整个污水处理厂地势广泛，设备种类繁多，控制逻辑复杂，设备出现故障如果得不到及时解决，会给企业带来严重后果，而且有较多的子工作站距离中心控制室较远且分布较散，本地维护人员较少，计算机工作人员总是疲于奔走各个工作站点，费时费力，工作效率低下。

由于现代化机械设备的应用及其自动化控制水平越来越高，污水处理厂的技术水平往往有限，一旦出现问题或故障，就必须联系设备厂家或自控专业人员前来维修，这往往需要几天甚至几周的时间，会给整厂带来严重的不良后果。超远程监控与维护功能的设计能很好地解决这类问题，不仅使本厂员工的工作变得方便与快捷，而且还可使身处全国各地的专业人员无需亲临现场就可进行远程监视与指导，进而解决部分问题，即使在不得不亲临现场维修前也可以预先进行故障诊断与问题排除，同时还可以远程指导现场人员进行初步维护维修，使故障损失减少到最小。

本系统设计中利用DameWare远程操控软件实现这一功能，图4为DameWare软件远程连接操作界面，其中Host/IP Address处填写需要被连接的计算机的用户名或IP地址，然后在User ID和Password处输入远控计算机上具有管理员权限的账号及密码，便可轻松连接，进而对本地控制系统进行监视与操控，而且还有效防止了无关人员的非法入侵。

图4 DameWare软件远程操作界面Fig.4 The operation interface of DameWare

4 下位机监控系统设计

4.1 下位机控制模式

本系统中下位机采用西门子PLC进行数据采集及运转控制，共设计了3种控制模式，即本地手动控制模式、上位机远程手动模式和全自动控制模式。污水处理系统主要以全自动控制模式运行为主，其他控制模式会在起初设备调试或设备维修时用到，而且当切换到手动控制处理设备故障时，不会影响到其他设备的自动运行。并且还实现了3种控制模式无缝切换的功能，即在手动控制模式运行下，直接切换到远程自动控制后，程序便会智能判断当前各设备的运行状态，从而进行周期性全自动控制。

在全自动控制模式下，整个污水处理流程中的工序切换，各种阀门和泵类等设备的启/停均由PLC按照预先编写的方案进行自动控制，无需人员参与。现场各类设备的运行状态等开关量及各仪表参数(如COD、氨氮、溶解氧及流量等)等数据也由下位机通过以太网传输到上位机予以显示及储存，其中累计流量和瞬时流量等实时性较强的参数通过RS485总线与PLC相连，保证了现场流量计与上位机的数据实时性与准确性，其他仪表数据则通过4～20 mA电流信号传输至各子系统的PLC。PLC通过各模块接口采样电信号的同时还需根据控制工艺要求输出相应的控制信号到执行机构，以控制各设备的动作。

4.2 状态图编程方法

由于污水处理系统中，外部设备众多，特别是阀类及泵类设备，控制逻辑比较复杂，往往利用传统的PLC编程方法很难达到设计要求，而且传统编程方法可读性差且修改麻烦，尤其对一些复杂动作的程序编写，加一个动作或减一个动作常常需要对原有程序做大篇幅的修改，有时甚至还会造成一些意想不到的错误。因此，笔者提出了一种状态图编程方法进行整个下位机系统的编程。所谓状态图编程，就是将一系列的复杂动作细致地划分为众多状态，然后根据各个状态之间的跳转关系进行编程，具有编写思路清晰、可读性强且易于添加及修改等优点。其编程步骤可简述如下:

1)将整个动作过程以状态图的方式表达;

2)写出状态图之间的跳转用梯形图的语句;

3)将输出寄存器中的控制指令与实际输出的线圈相结合，同时添加相应的限制程序。

5 结语

结合组态软件WinCC及西门子S7－300系列PLC的特点，开发了一套基于CASS工艺的污水处理控制系统，在系统开发过程中状态图编程方法的提出与运用，极大地简化了程序编写的难度，为后续的程序改写或系统维护提供了有力保障。整个系统投入运行效果表明，系统运行稳定、可靠且维护方便，实现了整个污水处理的全自动化控制，减轻了工作强度，提高了处理效率;尤其是真正意义上的超远程监控与维护功能的设计实现，给污水处理厂维护和厂家售后维修等相关人员带来了很大方便，极大提高了工作效率，有效降低了企业的损失。这样的控制系统尤其是超远程监控功能的设计对污水处理行业甚至整个工控行业都具有着重要的实际推广价值。

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