【摘 要】：基于分布式控制系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點(diǎn)、大型污水處理廠對生產(chǎn)過程控制自動化及管理信息化的要求，結(jié)合實例從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軟件平臺、硬件配置、實現(xiàn)功能幾方面對污水處理廠管控一體化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，指出企業(yè)管控一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是生產(chǎn)管理自動化的實現(xiàn)，復(fù)合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)尤適合已建或分期建設(shè)的大型污水處理廠。 關(guān)鍵詞：分布式控制 生產(chǎn)管理 經(jīng)營管理 一體化 信息化 1 前言 21世紀(jì)是信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的時代，信息產(chǎn)業(yè)已經(jīng)滲透到社會各行各業(yè)的各個環(huán)節(jié)，企業(yè)管理的信息化已經(jīng)成為一個企業(yè)立足市場的迫切要求和需要。 傳統(tǒng)的污水處理廠生產(chǎn)和管理結(jié)構(gòu)體系是分開的，其自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大多數(shù)采用分布式控制系統(tǒng)（DCS），由現(xiàn)場控制站（包括各種控制站、采集站、與網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)的各種智能儀表和智能調(diào)節(jié)器等）、操作站、工程師站、管理站及通信網(wǎng)絡(luò)組成，完成生產(chǎn)過程控制和對過程信息的管理。而管理系統(tǒng)即使是大型污水處理廠往往也只是個別的、獨(dú)立部門的辦公自動化，注重于企業(yè)的備品與備件的采購和庫存、財務(wù)等，缺乏生產(chǎn)管理、調(diào)度功能，是脫離DCS系統(tǒng)的。 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 深圳某污水處理廠是日處理35萬t的城市生活污水處理廠，一期15萬t采用A—B曝氣法工藝，二期20萬t工藝采用氧化溝法。污水經(jīng)過物理去污、生化過程、沉淀、消毒等處理過程，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的水就可直接排放了。其特點(diǎn)是工藝流程分布廣，由多個流程段組成，用電設(shè)備多，水質(zhì)復(fù)雜，對出水標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格，對自動化水平要求高，并要求實現(xiàn)管理的信息化。 采用一體設(shè)計、分步實施策略，將該廠管控一體化系統(tǒng)分成不同的層次實現(xiàn)，如圖1所示。 第1層：直接控制級。實現(xiàn)連續(xù)控制調(diào)節(jié)和順序控制，設(shè)備檢測和系統(tǒng)測試與自動診斷，進(jìn)行過程數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、檢查等。第2層：過程管理級。過程操作，各種生產(chǎn)過程報表打印，裝置協(xié)調(diào)、優(yōu)化控制和自適應(yīng)控制，歷史數(shù)據(jù)的收集和處理，各種報警信息的處理等。第3層：生產(chǎn)管理級。規(guī)劃產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和規(guī)模、產(chǎn)品監(jiān)視，產(chǎn)品報告、工廠生產(chǎn)監(jiān)視。此層也可稱為生產(chǎn)調(diào)度層，是管控一體化系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)回路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。第4層：經(jīng)營管理級。市場和用戶分析，備品備件采購與消耗統(tǒng)計、財務(wù)核算，生產(chǎn)協(xié)調(diào)和期限檢測等。 第1層和第2層與現(xiàn)場設(shè)備層的工業(yè)生產(chǎn)過程組成傳統(tǒng)的DCS控制系統(tǒng)，大量生產(chǎn)過程實時數(shù)據(jù)需要傳遞至管理層，用以實現(xiàn)上層的操作優(yōu)化、調(diào)度優(yōu)化和對生產(chǎn)的監(jiān)督，實時性和可靠性是關(guān)鍵；第3層和第4層的功能由計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)完成，將第3層和第4層合并成一層，為生產(chǎn)經(jīng)營管理級，即ERP（管理系統(tǒng)），信息流是關(guān)鍵?？刂普就瓿傻谝粚拥闹苯涌刂萍壍墓δ埽僮髡竞凸こ處熣就瓿傻诙拥倪^程管理級的功能，工作站和服務(wù)器構(gòu)成的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)完成第3層和第4層的生產(chǎn)管理級和經(jīng)營管理級的功能。 控制站與操作站和工程師站之間通過DH+網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信，最遠(yuǎn)通信距離800m；操作站和工程師站與工作站和服務(wù)器之間通過以太網(wǎng)實現(xiàn)通信，最遠(yuǎn)通信距離1200m。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為控制網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，尤其適合已建或分期建設(shè)的大型污水處理廠。 3 系統(tǒng)配置 3.1 DCS系統(tǒng) 系統(tǒng)設(shè)2臺操作站、2臺工程師站（一期與二期各用1臺），工程師站兼有操作站的功能。操作站/工程師站基本組成為工業(yè)PC機(jī)、DH+網(wǎng)絡(luò)通信卡、報警打印機(jī)、報表打印機(jī)、以太網(wǎng)卡等。工業(yè)PC機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)：CPU≥PⅣ2.0GHz、≥40G硬盤、彩色顯示器、標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、≥256MB內(nèi)存、1.44M軟驅(qū)、≥40XD-CDROM。 系統(tǒng)設(shè)8個控制站，選用美國Rockwell公司的PLC-5系列產(chǎn)品，具有模塊化結(jié)構(gòu)、高抗干擾的工業(yè)硬件平臺。每個控制站的基本組成是CPU模塊、DH+網(wǎng)絡(luò)通信模塊、數(shù)字量和模擬量的I/O模塊、底板等。完成所有的數(shù)據(jù)采集、控制、自檢、通信、報警等功能。 操作站的人機(jī)界面軟件采用Rockwell公司的RSView32，該軟件包含大量的圖形化工具、建立監(jiān)控過程實時畫面、在線組態(tài)、實時和歷史趨勢、數(shù)據(jù)采集和處理、報表、報警和管理等功能。操作系統(tǒng)為Microsoft Windows 2000。 DH+（Data Highway Plus）網(wǎng)絡(luò)是美國Rockwell公司推出的一種專為工廠級應(yīng)用而設(shè)計的工業(yè)局域網(wǎng)，是一開放網(wǎng)絡(luò)。DH+網(wǎng)支持網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備之間的通信，也可用于多個處理器之間的大量數(shù)據(jù)交換，并作為一個鏈路對多個控制器進(jìn)行編程，支持菊花鏈型和主干一分支線型，通信速率：57.6kb/s（最大電纜長度3048m）、230.4kb-s（最大電纜長度762m），是PLC-5系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，本系統(tǒng)具有12個獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。 系統(tǒng)主要特性：硬件可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)，能長期在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下工作；模塊化結(jié)構(gòu)、可帶電插拔，系統(tǒng)維護(hù)方便；高速傳送系統(tǒng)數(shù)據(jù)和信息，實時性強(qiáng)；具有硬件配置的靈活性和擴(kuò)展性；通過以太網(wǎng)與上層管理網(wǎng)絡(luò)通信；開放的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，易于管理。 3.2 ERP系統(tǒng) ERP管理系統(tǒng)以Internet為組網(wǎng)技術(shù)，采用高性能的交換式網(wǎng)絡(luò)建造體系，通過以太網(wǎng)與DCS系統(tǒng)通信，將指令信息下達(dá)到控制層，優(yōu)化生產(chǎn)過程，保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)；將從DCS系統(tǒng)得到并處理后的生產(chǎn)過程狀況、生產(chǎn)工況等信息上傳至管理層與Internet電子商務(wù)相連。采用16個信息點(diǎn)數(shù)的交換機(jī)，各工作站及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器均通過以太網(wǎng)通信。 選用兩臺服務(wù)器，一臺作為主服務(wù)器，與DCS監(jiān)控系統(tǒng)相連接的同時，通過以太網(wǎng)另掛多臺管理用計算機(jī)工作站，使這些管理用工作站可訪問瀏覽DCS監(jiān)控系統(tǒng)所監(jiān)控的整個生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)，主服務(wù)器是管理系統(tǒng)的主域控制服務(wù)器、文件服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫與應(yīng)用服務(wù)器，同時配置一塊DH+網(wǎng)絡(luò)通信卡和一塊以太網(wǎng)卡；另一臺作為WEB服務(wù)器，用于連接Intranet，提供內(nèi)部和外部的Intranet服務(wù)。服務(wù)器基本配置為：CPU≥PⅣ2.0 GHz、雙CPU，≥40G硬盤、38cm彩色顯示器、標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、≥512MB內(nèi)存、1.44M軟驅(qū)、≥40XD-CDROM。 工作站設(shè)置在廠長辦公室、調(diào)度室、技術(shù)管理辦公室、財務(wù)室、倉儲管理室、化驗室等廠重要部門，選用一般的PC機(jī)且為當(dāng)前適用的配置即可。同時系統(tǒng)設(shè)一臺網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)，處理日常的辦公打印。 對實時監(jiān)控信息建立一個工廠實時關(guān)系數(shù)據(jù)庫，選用Wonderware公司的實時數(shù)據(jù)庫Industrial SQL Server開發(fā)環(huán)境創(chuàng)建，為C1ient/Server結(jié)構(gòu)，是開放的數(shù)據(jù)庫，可通過Microsoft Excel等軟件存取訪問實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和配置數(shù)據(jù)、匯總數(shù)據(jù)、相關(guān)的商業(yè)數(shù)據(jù)。操作系統(tǒng)為Microsoft Server 2000。 系統(tǒng)主要特性：以企業(yè)自身作為主體，以企業(yè)的資源管理為中心；科學(xué)利用企業(yè)內(nèi)部的資源管理，控制企業(yè)資金流、信息流，使其有機(jī)組合，達(dá)到提高效率、降低成本的目的；在實時、大容量、工廠監(jiān)控和控制環(huán)境與開放靈活的電子商務(wù)信息環(huán)境之間架起了橋梁；支持現(xiàn)代辦公自動化系統(tǒng)中的多媒體信息的快速傳遞，數(shù)據(jù)采集、輸入、分類、合并、檢索、存儲、計算、統(tǒng)計、分析、核算、輸出等功能；系統(tǒng)信息種類多、數(shù)據(jù)量大，實時性不強(qiáng)；簡 單、開放的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，易于維護(hù)；具有擴(kuò)展和升級能力。 4 功能設(shè)計 系統(tǒng)功能實現(xiàn)如圖2所示。實現(xiàn)監(jiān)控功能、生產(chǎn)管理功能和經(jīng)營管理功能。 4.1 監(jiān)控功能 控制站完成對現(xiàn)場I/O信號的采集、處理和控制，工程師站完成對系統(tǒng)的編程、組態(tài)及對硬件的配置，操作站實現(xiàn)系統(tǒng)的實時顯示、監(jiān)控、操作、報警、記錄、報表和歷史儲存等功能。實時數(shù)據(jù)庫的建立是核心，實時數(shù)據(jù)庫用來描述和構(gòu)造系統(tǒng)的一切實時事務(wù)活動。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述涵蓋過程控制中的所有類型的過程點(diǎn)、控制點(diǎn)和各類算法及接口，確定數(shù)據(jù)庫的各個組成部件，建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述和所有關(guān)聯(lián)操作，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖3所示。 1）數(shù)據(jù)處理功能。對系統(tǒng)采集的各種數(shù)字信號，利用各種計算功能、數(shù)據(jù)變換功能等實現(xiàn)；數(shù)據(jù)信號有電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信號、故障信號和啟/?？刂菩盘柤傲髁?、濃度、溶解氧含量、pH值模擬量信號等。 2）控制功能。系統(tǒng)具有現(xiàn)場手動、中控室遙控和自動控制3種控制方式，實現(xiàn)順序控制、聯(lián)鎖控制、故障聯(lián)鎖控制和生產(chǎn)過程回路控制功能。如：曝氣池、生化池，沉淀池液位與進(jìn)水閥門的聯(lián)鎖控制；污水泵房液位與污水提升泵的聯(lián)鎖控制；污水進(jìn)水量與污水提升泵運(yùn)行時間的聯(lián)鎖控制；總風(fēng)量與鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺數(shù)的聯(lián)鎖控制；溶解氧濃度自動調(diào)節(jié)等功能。 3）顯示功能。按污水提升泵房、沉砂池、生化池、曝氣池、氧化溝、沉淀池、濃縮與脫水等11個工藝流程段顯示工藝運(yùn)行工況，利用數(shù)據(jù)鏈接技術(shù)使畫面上的電氣設(shè)備和元件實現(xiàn)實時動態(tài)、閃爍、變色等功能，讓畫面上的工藝參數(shù)以數(shù)字、棒圖的形式實時顯示。 4）操作功能。利用彈出窗口、控制按鈕和DDE連接技術(shù)實現(xiàn)各臺設(shè)備和各系統(tǒng)的啟/停操作、控制操作、切換操作、熱鍵操作和權(quán)限操作等功能，對各種操作均實現(xiàn)誤操作保護(hù)。 5）實時與歷史趨勢功能。對流量、pH、濁度、溶解氧、溫度等工藝參數(shù)當(dāng)前運(yùn)行狀況和運(yùn)行以來某段時間內(nèi)各參數(shù)值以圖表或曲線的形式顯示。 6）報警功能。顯示各設(shè)備故障、操作故障、參數(shù)超限、系統(tǒng)錯誤等報警事件、報警狀態(tài)值及報警處理。 7）記錄功能。對各種報警事件、重要操作、系統(tǒng)運(yùn)行、重要參數(shù)等重要事件，進(jìn)行記錄和儲存。 8）報表功能。對當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行以來的各參數(shù)值生成實時和歷史生產(chǎn)報表，如班報表、日報表、月報表、年報表、報警報表等，實現(xiàn)定時或隨時打印。 4.2 生產(chǎn)管理功能 主要涉及數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和管理科學(xué)的有關(guān)內(nèi)容。采用以經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為目標(biāo)的生產(chǎn)過程優(yōu)化運(yùn)行、優(yōu)化控制和優(yōu)化管理，起承上啟下的作用。 1）生產(chǎn)統(tǒng)計管理。對污水處理過程數(shù)據(jù)、完成情況進(jìn)行統(tǒng)計與分析，分工藝流程段，按生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)回路或參數(shù)類型進(jìn)行。 2）生產(chǎn)調(diào)度管理。對上層生產(chǎn)計劃的判斷、識別，對生產(chǎn)過程進(jìn)行實時調(diào)度，執(zhí)行調(diào)度任務(wù)后，對污水處理完成情況進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，并修正計劃。 3）設(shè)備管理。對系統(tǒng)中的電氣設(shè)備，進(jìn)行設(shè)備標(biāo)定、預(yù)測故障發(fā)生、設(shè)備的壽命周期管理、運(yùn)行記錄、故障記錄、維護(hù)記錄及備品備件管理。 4）生產(chǎn)成本控制管理。對污水處理過程的物耗、能耗進(jìn)行在線計量和成本預(yù)測，與目標(biāo)成本比較、跟蹤和修正，給出降低成本的操作和控制指導(dǎo)。 5）物料控制管理。根據(jù)上層管理物料計劃，對生產(chǎn)過程進(jìn)行物料平衡，對物料進(jìn)行控制與管理。 6）質(zhì)量管理。對在線生產(chǎn)過程工藝參數(shù)與化驗室分析值進(jìn)行比較、分析，及時調(diào)整被控參數(shù)，保證產(chǎn)品質(zhì)量。 7）安全管理。通過設(shè)備預(yù)測故障發(fā)生系統(tǒng)及時提出設(shè)備維護(hù)計劃，通過信息安全與權(quán)限管理實現(xiàn)軟件安全保護(hù)功能 4.3 經(jīng)營管理功能 建立在Industrial SQL Server、辦公自動化軟件、電子商務(wù)的環(huán)境下，全面實現(xiàn)企業(yè)的經(jīng)營管理，見圖4。根據(jù)廠實際需要實現(xiàn)了實時信息管理、設(shè)備管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理、運(yùn)行管理、物資管理、質(zhì)量管理、安全管理、財務(wù)管理、人力資源管理及辦公自動化等功能。 財務(wù)核算層：實現(xiàn)財務(wù)自動化的基本功能，包括帳務(wù)、工資、人力資源、固定資產(chǎn)等。是經(jīng)營管理系統(tǒng)的起點(diǎn)。 物流管理層：實現(xiàn)企業(yè)以供應(yīng)、倉儲、銷售為主流的物流過程的自動化管理，包括采購、生產(chǎn)領(lǐng)料等。涵蓋了除生產(chǎn)管理以外的其它管理內(nèi)容，是業(yè)務(wù)自動化的主要內(nèi)容。計劃綜合管理層：實現(xiàn)以計劃為核心的全面管理，包括市場與用戶分析、綜合生產(chǎn)計劃、成本核算與 控制、以及服務(wù)管理和現(xiàn)場服務(wù)管理等。是現(xiàn)代企業(yè)管理思想的融會貫通，也是經(jīng)營管理系統(tǒng)的重點(diǎn)。 5 結(jié)束語 系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來運(yùn)行狀態(tài)良好，受到廣泛關(guān)注，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。廠二期投入運(yùn)行后并沒有在一期基礎(chǔ)上增添另一套生產(chǎn)運(yùn)行管理的操作、技術(shù)和管理人員，提高了效率、降低了成本；全廠只設(shè)置技術(shù)部與綜合管理辦公室，前者主要責(zé)任是生產(chǎn)管理與維護(hù)，后者主要承擔(dān)財務(wù)、倉儲、供應(yīng)、生產(chǎn)成本核算等經(jīng)營管理職責(zé)，二者直接對廠長負(fù)責(zé)，進(jìn)行網(wǎng)上辦公，優(yōu)化了管理模式。污水處理廠管控一體化系統(tǒng)在技術(shù)上和管理上的可行性已被證實。同時由于Internet技術(shù)的迅猛發(fā)展，改變了傳統(tǒng)的管理和信息傳遞的單向性，企業(yè)以管控一體化為基礎(chǔ)平臺，在供應(yīng)體系和設(shè)備維護(hù)體系引進(jìn)競爭機(jī)制后，企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益將會成倍提高。