1 引言
香洲污水处理厂于1994年1月建成投产，日处理规模3万吨/日，采用帕氏维尔氧化沟工艺，成套引进法国得利满公司的设备和技术，具备20世纪90年代国际先进水平。自动控制系统采用法国Telemecanique公司的TSX　4730可编过程控制器(PLC)，美国Wonder Ware的工厂监控软件Intouch4.0和微软公司的操作系统Windows 3.1，如图1。

图1 原系统网络拓扑结构

在10多年的生产中，自控系统运行稳定，故障率低，较好地满足出水达标排放的要求。但随着时代的发展，自控系统生命周期的后期缺陷逐渐出现。主要表现在如下几个方面:
(1) PLC生产商已经不生产TSX　4730系列产品及相关配件，如果PLC模块损坏需要更换，将面临备件供货量极少并且价格较高的问题;
(2) 监控计算机操作系统Windows 3.1和监控软件Intouch4.0，版本落后，运行速度慢，安全可靠性差，已经不能满足生产的要求;
(3) 所有设备的手动或自动运行都需通过PLC进行控制，当PLC或相关模块故障时，控制面临“瘫痪”的危险，需手工改接线路才能使设备运行，这会使生产发生一段时间的中断;
(4) 监控系统只能设置工艺参数和监视设备的运行状态，不能通过计算机控制设备的运行和停止;
(5) 工艺控制的需要，增加了推流器和内回流泵等设备，氧化沟转刷根据溶解氧的控制模型已不满足实际生产的需要，而原有控制系统较难开发和扩展。综合上述原因，我公司决定对香洲一期自控系统实施升级改造。

2 自控系统改造方案说明
(1) 网络通讯系统
考虑到一期和已建成的二期污水处理厂控制部分在同一个控制室，本次改造升级将和二期控制部分采用相同的架构，因所有I/O系统在同一个控制室内，距离较近，网络通信方式采用工业以太网。
●主站采用施耐德公司的PLC;
● 采用Wago的I/O SYSTEM;
●采用Ethernet通信网络;
●上位机采用WONDERWARE 的INTOUCH 8.0。
(2) 施耐德的QUANTUM　PLC
Quantum易于组态和维护。它提供对结构与模块的灵活选择。即使是对要求最苛刻的应用，Quantum也是可靠的选择。具有如下特点:高性能的控制器，先进的IEC编程和开放式的网络连接。
(3) 德国万可公司的WAGO
从站采用WAGO I/O SYSTEM/750系列产品，有如下功能和特点:
●安装容易;
●使用灵活;
●功能齐全;
● 设计经济;
●连接快速简单。
(4) MODBUS TCP/IP以太网通信网络
整个系统采用MODBUS TCP/IP以太网网络。
(5) WONDERWARE 的INTOUCH 8.0
InTouch HMI软件用于可视化和控制工业过程。它为工程师提供了一种易用的开发环境和广泛的功能，使工程师能够快速地建立、测试和部署强大的连接和传递实时信息的自动化应用。InTouch软件是一个开放的，可扩展的人机界面，为定制应用程序设计提供了灵活性，同时为工业中的各种自动化设备提供了连接能力。

3 自控改造方案详述
改造后的自控系统由监控PC、交换机、PLC和现场I/O等部分组成，网络拓扑结构如图2:

图2 改造后的网络拓扑结构

3.1 中央控制室CP操作柜改造
CP柜改造的主要内容是将设备原先手动经过PLC控制的回路→改为手动控制可以直接控制设备的启动和停止的回路，这样即使PLC故障，我们也可保证顺序启动设备，不会造成生产的中断。改造过程中需把原先的报警信号(过载、温度过高、泄漏等)使用中间继电器把报警信号一分为二，一路作为PLC的数字输入信号，另一路串入手动控制回路，这样在手动控制设备时，所有的保护仍然起作用，保证设备的运行可靠。
3.2 PLC的更新及现场Wago I/O的接入
原PLC输入、输出点为48VAC信号，大部分设备的控制电源为48VAC，现输入、输出点为24VDC信号，因此，需要24VDC的直流电源和24VDC的中间继电器以实现输入、输出信号的变更。
3.3 PLC程序的升级开发
原Telemecanique公司的TSX　4730可编过程控制器(PLC)采用PL7编程语言开发，现Quantum　PLC采用Concept2.6编程语言开发，设备的控制逻辑除氧化沟曝气控制模型外，其余部分没有太大的改变。原氧化沟转刷控制模式:每条生产线上有3台转刷，其中两台常开，第三台根据时间周期控制，运行2小时，停止1小时，当出水溶解氧DO低于下限值，则第三台转刷立即启动运行，当出水溶解氧DO高于上限值，则第三台转刷立即停止运行，由于溶解氧变化波动较大，这容易引起转刷的频繁起停。
3.4 几个关键工艺控制点
(1) 转刷自动运行
新的氧化沟转刷控制模式根据氧化还原电位计ORP进行控制，增加推流器和内回流泵的控制。每组转刷中有两台处于长期运行，在监控计算机上选择其中两台，最后一台转刷受ORP氧化还原电位计控制，当ORP值在设定的时间范围内小于设定值并延时一段时间(缺省15min)都小于设定值时转刷启动，高于设定值并延时一段时间(缺省20min)都高于设定值时停机，并设定最小的开机时间和待机时间。
(2) 转刷手动运行
可在计算机和中控室CP柜上进行操作。
报警类别:过载保护、温度保护、紧急停机。
(3) 2台推流器
计算机和中控室CP柜控制电机开停。
报警类别:过载保护、温度保护、泄漏保护。
(4) 1台内回流泵
计算机和中控室CP柜控制电机开停。
报警类别:过载保护、温度保护。
3.5 监控软件Intouch的升级开发
(1) 监控软件Intouch从4.0版本升级到8.0版本，原先程序仍然可用，可经过如下步骤升级Intouch4.0→ Intouch5.6b→Intouch8.0。
(2) 原监控系统只能设置工艺参数和监视设备的运行状态，不能通过计算机控制设备的运行和停止;此次开发后，我们不但能通过计算机控制设备的运行和停止，而且能灵活设置设备处于自动或远程手动控制模式，通过编程，使设备报警和网络监控功能大大加强。
(3) 实现设备或工艺报警，能以短信的方式发到手机的功能，采用附表所示设备来实现。
附表 设备或工艺报警短信接口设备

4三个污水处理厂监控系统的联网和远程实时控制
香洲污水处理厂一、二期及北区污水处理厂使用VPN(专用虚拟网络)组成一个网络，通过Internet接入方式实现远程监控三个工厂的生产状况。随着科技的进步，网络通讯的速度和安全可靠性得到了极大的提高，这使我们通过网络，实现远程监视或控制工厂的生产状况提供了可能。香洲一期、二期自控系统由于经这次改造后，采用了相同的网络结构，它们通过以太网互联，共同使用二台上位监控计算机，香洲中控室与北区中控室的监控计算机、办公室或家中的笔记本计算机等组成VPN网络，实现了三个工厂的互相监控，网络结构如图3所示:

图3 三个工厂的监控网络结构

香洲厂监控计算机采用固定IP并作为Intouch软件数据服务器，接收来自三个工厂的生产数据信息，通过VPN虚拟网络，在其中任何一台计算机监控终端可以监视和控制三个厂的生产情况。所有计算机可采用ADSL方式或数据专线方式接入INTERNET。

5 自控改造的价值评述
5.1 网络通信速度
自控系统技术改造完成后，PLC和上位机采用以太网通讯，PLC与Wago子站采用MODBUS TCP/IP以太网通讯，网络通讯速度最高可达10Mb，而原Telway网络最高通讯速度只能达到19.2kbps，这使网络通讯速度实现了质的提高。
5.2 监控系统运行速度和安全性
新的监控PC是采用P4处理器，操作系统为Windows XP SP1的工控机，运行速度和安全性都得到了极大的提高。
5.3 设备监视和控制功能
原系统设备的的手动或自动运行都需通过PLC进行控制，当PLC或相关模块故障时，控制面临“瘫痪”的危险，改造后，新系统保证即使监控PC或PLC故障，可立即转换到手动运行方式，保证生产的不中断;原监控系统只能设置工艺参数和监视设备的运行状态，不能通过计算机控制设备的运行和停止，新的监控系统较好地实现通过监控PC设置和调整工艺参数，按不同的自动控制模式控制生产，在出水达标的前提下，降低了电力的消耗;通过监控PC灵活地设置设备处于自动或远程手动控制模式，控制设备的起动和停止。这使设备的监视和控制功能得到了完善。
5.4 远程监视和控制
移动PC，接入互联网，通过VPN虚拟网络，实现了远程监视和控制三个工厂的生产情况。实践表明，通过防火墙设置访问控制的权限和策略，远程监控工厂的生产是稳定可靠的。经过一段时间的实践和试验后，夜间生产可以不需要工人值班，这样就降低了劳动力，提高了工作效率。
5.5 设备故障报警信息
通过使用第三方软件Powermax +和自动拨号装置，使设备故障信息能以短信方式发送到相关的手机用户，这使维修人员能够及时了解设备的故障情况，迅速采取有效措施，实现生产的不中断及达标排放。

6 结束语
新的控制系统自动化程度高，运行可靠，故障率低，全面反映了全厂的设备状态及生产信息，大大减轻了工人的工作强度，提高了工作效率。由于新的自控系统在PLC故障下能通过手动控制设备，实现生产的不中断，故没有采用Quantum冗余热备系统，如果系统有容错和最高利用率的要求，可考虑QuantumPLC的冗余控制器选项:Quantum热备。热备系统配置简单，安装容易，在部件损坏或电源中断的情况下，它提供无扰动的切换。主控制器和备用控制器的扫描是以同步方式进行的，使得所控制系统的迅速转换并保证最大程度的系统完整性。监控计算机采用INTOUCH软件，是美国WonderWare公司的产品，具有许多开发功能，为污水处理厂实现管理和控制一体化提供了方便。