摘要：西門子過程控制與現(xiàn)場總線技術的應用使得 仙女河污水處理廠的自動化控制系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)DCS的局限性，將智能儀表、計算機網絡和開放系統(tǒng)互連（OSI）等技術有機的融為了一體，形成了真正開放的、可擴展的、易升級的、高可靠的、低成本的過程控制系統(tǒng)。
前 言
隨著中國城市化、工業(yè)化的加速，水資源的需求缺口也日益增大。目前，國內人均水資源占有量約為世界平均水平的30%，有110個城市嚴重缺水，超過3億人缺乏干凈的飲用水，半數(shù)以上的主要水道受到污染，海洋環(huán)境總體受污染情況亦不容樂觀——中國已逐漸進入嚴重缺水期。近年來，水污染的控制和防治已然成為了中國乃至世界亟待解決的熱點問題之一。
作為中國著名重工業(yè)城市——沈陽，曾經一度因為污染問題，而被列入“世界十大污染城市”的黑名單。而沈陽的細河，就是對半個世紀污染的最好見證。細河作為沈陽“母親河”渾河的重要支流之一，曾有個非常美麗的名字叫“仙女河”，但因長期接納沈陽半數(shù)以上的污水而一度成為著名的臭水溝。細河每天要接納全市60％至70％污染物，各類污染物總量約550噸，其中，劇毒、致癌物和主要污染指標COD、NH3-N等均遠超過國家標準，超標最高的重金屬鎘的平均濃度為28.2mg／kg，超過國家標準140倍。
圖1雪中仙女河（廠區(qū)雪景）
也正是這樣一個污染重鎮(zhèn)，2001年大膽的提出了創(chuàng)建“國家環(huán)境模范城市”的宏偉目標。為了實現(xiàn)“創(chuàng)?！钡哪繕?，仙女河污水處理廠（圖1）應運而生。2003年11月30日仙女河污水處理廠一期工程建成并通水運行，日處理能力達20萬噸；2005年12月1日二期工程建成并通水運行，擴建后，日處理能力達40萬噸；2010年1月14日過程控制系統(tǒng)升級改造工程順利通過國家環(huán)保部的節(jié)能減排技改工作檢查。
仙女河污水處理廠能如此快速的實現(xiàn)系統(tǒng)的多次升級改造、順應時代的快速發(fā)展，完全得益于西門子過程控制與現(xiàn)場總線技術的應用。該項技術的應用使得污水處理廠的自動化控制系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)DCS的局限性，將智能儀表、計算機網絡和開放系統(tǒng)互連（OSI）等技術有機的融為了一體，形成了真正開放的、可擴展的、易升級的、高可靠的、低成本的過程控制系統(tǒng)，保證了仙女河污水處理廠的可持續(xù)發(fā)展，使曾經的“臭水溝”一去不復返，“仙女”常留人間。
十年不變的選擇
仙女河污水處理系統(tǒng)采用高效預處理工藝及兩段曝氣生物濾池（Biological aerated filter：BAF）工藝，設計結構緊湊、占地面積小、生物處理后不設二沉池、不采用污泥回流、耐高負荷污水沖擊、高速過濾。所使用各類污水處理設備達498臺套，主要設施有生物濾池80座（圖2），反應沉淀池12座，格柵間5個，污水提升泵房2個，污泥緩沖池2個，高壓變電站5個。另外，廠區(qū)還配有污泥處理系統(tǒng)和中水處理系統(tǒng)，其中污泥處理系統(tǒng)采用離心脫水技術；中水處理系統(tǒng)采用石英砂過濾及加氯消毒。
圖2曝氣生物濾池
污水處理系統(tǒng)的處理效率和出水水質對控制系統(tǒng)都具有很大的依賴性，尤其是對于像仙女河污水處理廠這種規(guī)模大、工藝新、人員少的大型污水處理系統(tǒng)，對過程控制更是提出諸多較高的要求，這主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
控制精度和穩(wěn)定性。BAF作為一種先進復雜的污水處理工藝，它的實施和運行都對控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性提出了頗高的要求，要想使BAF工藝達到最好的處理效果，就必須有一流的控制系統(tǒng)與之配套。
抗干擾能力和可靠性。污水處理系統(tǒng)工作于室外，環(huán)境惡劣，且需要全天候不間斷工作，因此，對控制設備和系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性有著較強的要求。
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無人值守。污水處理過程中，會產生大量硫化氫氣體。若人體不慎吸入硫化氫氣體，便會發(fā)生急性硫化氫中毒事故，甚至引起死亡。面對不能回避的風險，除了增加相應的防護措施之外，更重要的是盡可能的實現(xiàn)系統(tǒng)的無人值守運行。
擴展和升級性。水資源的日益短缺、水污染問題的日益凸顯，使得人們對污水處理的需要越來越廣泛、要求也越來越高，系統(tǒng)可以通過擴展和升級控制系統(tǒng)，從而快速、低成本的實現(xiàn)工藝的優(yōu)化、系統(tǒng)性能的提高。因而，污水處理控制系統(tǒng)的可擴展性和易升級性，就成為了污水處理系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的前提。
針對仙女河污水處理廠的具體情況，其全廠控制系統(tǒng)全部選擇的是西門子過程控制技術，電磁流量計、壓力變送器、溫度變送器和超聲波液位計等均采用的是西門子PI過程儀表；一期和二期的自控及儀表工程均是與上海西門子工業(yè)自動化有限公司（SIAS）簽訂的交鑰匙總包合同，一期工程自控系統(tǒng)采用SIMATIC PLC及WinCC；二期工程采用SIMATIC PCS 7 DCS控制系統(tǒng)。
談到對西門子過程控制技術的執(zhí)著，仙女河污水處理廠中控室孫科長說道：“不僅僅是為了保證系統(tǒng)的連續(xù)性和兼容性，更重要的是我們已經從實踐中驗證了西門子系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性?！?而且，由于西門子PCS 7 DCS控制系統(tǒng)的成功應用，在現(xiàn)場設備運轉正常的情況下，仙女河污水處理廠二期就可實現(xiàn)無人值守的運行模式。
一、二期工程實施方案
圖3：全廠過程控制系統(tǒng)
全廠過程控制系統(tǒng)（圖3）由工程師站、操作員站、I/O卡、各類機柜和OPC服務器等設備組成，全廠I/O總點數(shù)10000多點，一期6000多點，二期5000多點。全廠過程控制系統(tǒng)利用Siemens Simatic 技術實現(xiàn)了將生產控制信息向管理層網絡的發(fā)布。同時，利用OPC及SDH通訊技術將關鍵的污水水質指標如進出水的流量、pH、COD、SS等指標及全廠的生產過程數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊瘓F的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心進行遠程監(jiān)控。
其中，一期工程自控系統(tǒng)采用S7-300和S7-400 PLC及WinCC 5.0，整體結構采用WinCC C/S結構，在污水提升泵房及生物濾池配置了三個現(xiàn)場控制子站，三個現(xiàn)場控制子站采用西門子10/100Mbit/s工業(yè)以太網聯(lián)接。
圖4 中央控制室
二期工程采用SIMATIC PCS 7控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)分布于中央控制室（圖4）和兩個現(xiàn)場控制子站, 通過開放式的工業(yè)實時網絡——100M 光纖冗余工業(yè)以太網, 將中央控制室內的工程師站、操作員站、數(shù)據(jù)服務器和現(xiàn)場控制站連接起來,使系統(tǒng)數(shù)據(jù)可在骨干網上高速傳輸, 實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享?，F(xiàn)場控制站的 SIMATIC S7-400 PLC通過 Profibus-DP 現(xiàn)場總線與分散型 ET200M I/O站及現(xiàn)場閥門、水泵等設備相連接, 實現(xiàn)了現(xiàn)場控制站、中央處理站和分散的現(xiàn)場設備 (I/O、儀表、閥門等)的循環(huán)數(shù)據(jù)通信, 實時采樣現(xiàn)場數(shù)據(jù), 并對生產過程進行控制。
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升級改造的“沈陽速度”
圖5：新城子污水處理廠廠區(qū)、工藝流程圖及控制柜
2009年年末和2010年年初，為了深化節(jié)能減排，提升系統(tǒng)過程控制能力，沈陽振興環(huán)保產業(yè)集團對其旗下的五個污水處理廠（包括新城子（圖5）和東陵白塔兩個新建污水處理廠，以及仙女河污水處理廠在內的三個老污水處理廠）進行了全面的過程控制系統(tǒng)的升級改造工程。
此次升級改造中，包括仙女河污水處理廠在內的多數(shù)改造工程都再一次選擇了西門子過程控制和現(xiàn)場總線技術。在不改變工藝的基礎上，增加了諸如監(jiān)測曝氣量的溶解氧測量儀、懸浮物濁度儀，污泥濃度計、風量儀等過程控制儀表，并依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測的變化對原有西門子過程控制系統(tǒng)進行了同步的升級。此次升級的重點是對過程控制系統(tǒng)中在線監(jiān)測和遠程控制能力的大幅提升，從而實現(xiàn)對工藝參數(shù)更精準的掌控，以便進一步提高系統(tǒng)的控制精度和控制性能。
該工程是由西門子最佳授權分銷商和高級系統(tǒng)集成商——沈陽藍英工業(yè)自動化裝備有限公司承接的總包合同。此次振興環(huán)保產業(yè)集團的五廠自控系統(tǒng)升級改造工程，從策劃到完工僅用了20天的時間，其中，現(xiàn)場改造僅用了8天的時間。而且，此次升級改造已于2010年1月14日順利通過國家環(huán)保部的節(jié)能減排技改工作檢查，不論是各項技改指標的實現(xiàn)，還是升級改造的高效性無疑都得到了各方面高度的評價。
談及此次“沈陽速度”的締造，集團生產管理部鄭部長不無感慨的說：“西門子模塊化的設計、系統(tǒng)的開放性和普及性，都是此次短時間內實現(xiàn)升級改造的關鍵?！?BR> 作為沈陽“創(chuàng)?！敝械闹匾画h(huán)，仙女河污水處理廠不僅改善了細河的生態(tài)環(huán)境，同時，其成功的運營也為眾多新建污水處理廠的發(fā)展和建設積累了豐富的經驗，尤其是其過程控制系統(tǒng)更是成為了眾多新建工程參考、效仿的對象。
突破傳統(tǒng)的技術優(yōu)勢
從2003年建廠到如今，采用西門子過程控制技術的仙女河污水處理廠的全廠過程控制系統(tǒng)已經平穩(wěn)運行了將近6年的時間，期間不僅歷經了大規(guī)模擴容的考驗，還歷經了快速升級改造的考驗。一次次迎接挑戰(zhàn)，一次次戰(zhàn)勝考驗，不但證明了企業(yè)選擇，更加驗證了西門子過程控制技術的優(yōu)勢：
標準化。仙女河污水處理廠的過程控制系統(tǒng)完全基于SIMATIC家族中可靠的標準元件、標準控制器以及普遍通用的過程控制系統(tǒng)SIMATIC PCS 7，系統(tǒng)可輕松實現(xiàn)規(guī)模升級，為企業(yè)打開了一扇不斷優(yōu)化附加值鏈的大門。
模塊化。由于西門子過程控制系統(tǒng)的模塊化與便攜式設計,不僅可以使系統(tǒng)靈活地進行擴展，來適應不斷更新的測量和控制任務；而且，還可以大幅度降低系統(tǒng)維護和升級的成本。
高可靠。西門子過程控制技術對數(shù)值與參數(shù)的自動化處理和集成紀錄功能為系統(tǒng)的可靠性奠定了基礎。而所有模塊完善的自診斷功能、傳感器斷線監(jiān)測功能、在線插拔功能，進一步保證了系統(tǒng)安全、長時間的可靠運行，提高了系統(tǒng)的可用性和可維護性。
普及性。西門子SIMATIC系列產品，在過程控制領域應用范圍廣泛、容易操作、相當普及，已被廣大工程設計人員所熟知和接受，大量減少了工程設計和施工的時間，大大降低了使用、管理和維護的難度，并為系統(tǒng)快速升級、改造提供了前提保障。
預測性維護。廠區(qū)中絕大多數(shù)的過程儀表都選用了西門子PI過程儀表設備，如SITRANS P 系列壓力變送器、MultiRanger多功能液位計、InterRangerDPS300超聲波污泥界面計等等。西門子PI過程儀表充分體現(xiàn)了預測性維護的設計理念，不僅重視儀表的精度，同時，更加重視儀表的智能化、可維護性，從而，最大化的保證了系統(tǒng)參數(shù)采集和監(jiān)控的精度和可靠性。
現(xiàn)場總線技術。系統(tǒng)現(xiàn)場級控制采用的是PROFIBUS現(xiàn)場總線技術?，F(xiàn)場總線技術的成功引入，大大簡化了系統(tǒng)結構，降低了成本；加強了現(xiàn)場設備的自治能力，全面提高了系統(tǒng)性能；增強了信號傳輸?shù)目煽啃院途?；突破了傳統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)的限制，實現(xiàn)了真正全分散、全數(shù)字化的控制網絡。
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親水細河的仙女回歸
作為沈陽創(chuàng)建“國家環(huán)境模范城市”以及沈西大開發(fā)的重大戰(zhàn)略型項目，仙女河污水處理廠主要技術經濟指標均達到國內先進水平，整體技術裝備和技術水平均處于國內領先地位，其建設和運行，使沈陽城市西部的工業(yè)和生活污水全部得到處理，為細河50余年的納污歷史畫上了句號。
在西門子過程控制和現(xiàn)場總線技術的大力協(xié)助下，仙女河污水處理廠日處理污水可達40萬噸，處理后的水質全部達到國家二級排放標準，大大改善了細河的生態(tài)環(huán)境，使得細河的主要污染指標從2000年的劣Ⅴ類達到了Ⅳ類水質標準，豐水期的水質更可達到了Ⅲ類水質標準。環(huán)保、生態(tài)的細河終于露出了它“仙女”的本來面貌。她改變的不僅僅是生態(tài)環(huán)境，更重要的是改變了沈陽鐵西地區(qū)的經濟發(fā)展模式，為鐵西地區(qū)的長足發(fā)展提供了有利的保障。正是由于西門子過程控制系統(tǒng)的嚴密監(jiān)控，往日人們心目中污水橫流、環(huán)境難看、氣味難聞的污水處理廠不復存在，在人們眼前的是花園式的污水處理廠，沒有難聞氣味、沒有惡劣環(huán)境，昔日荒蕪的廠區(qū)周邊已變得日趨繁華，小區(qū)，商戶比比皆是。
可持續(xù)發(fā)展的技術保障
面對不斷襲來的變革之潮，固步自封必然會被時代所摒棄，怎樣才能緊握時代發(fā)展的脈搏，怎樣才能時刻走在時代發(fā)展的最前端，則成為了每一個企業(yè)，乃至每一個行業(yè)選擇的最終標準。
先進的自動化系統(tǒng)不僅能夠顯著提高污水處理的節(jié)能效果、控制系統(tǒng)的整體運營成本，同時，更可以保證企業(yè)長期可持續(xù)的發(fā)展。仙女河污水處理廠，始建于時代的變革初期，擴容于經濟發(fā)展之時，改造于全球性金融危機之中，在西門子過程控制系統(tǒng)的幫助下，仙女河污水處理廠隨時都能因時因地的跟隨時代發(fā)展而不斷升級，時刻緊握著時代發(fā)展脈搏的最強音，這恰恰再一次有力的證明了，標準化、開放性的控制系統(tǒng)對企業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關重要的作用。
污水處理廠運營管理工作，除保障正常出水達標排放外，安全運行至關重要，是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的根本保障。西門子過程控制技術在仙女河污水處理廠的成功應用，不僅充分展示了其系統(tǒng)穩(wěn)定、易操作、易升級的卓越性能，更展示其在危險環(huán)境中，無人值守功能實現(xiàn)的能力。這不僅為污水處理系統(tǒng)的安全操作提供了保證，也為更多危險工作環(huán)境的控制管理系統(tǒng)提供了一種可靠、可信賴的選擇。
6年的選擇、6年的信賴，不僅有賴于高質量的產品，同時，也有賴于西門子豐富的工程經驗，以及完善、強大的技術支持。其項目的成功實施和運行，不僅證實了西門子作為世界領先的水處理自動化及工藝解決方案供應商和可信任的工程承包商的實力，同時，也為西門子打開了中國污水處理行業(yè)發(fā)展的契機，打開了西門子在中國過程控制領域更廣闊的發(fā)展空間。踏著成功的足跡，西門子過程控制技術不斷創(chuàng)造著新的輝煌。2008年西門子就獲得了當時世界最大的污水處理工程之一——北京北小河污水回收處理工程的控制系統(tǒng)訂單。
當前，國際金融危機的影響尚未消除，世界經濟復蘇的基礎尚不穩(wěn)固，全球性資源環(huán)境和氣候變化等問題日益突出，可持續(xù)的發(fā)展正面臨前所未有的挑戰(zhàn)。仙女河污水處理廠的過程控制系統(tǒng)隨著時代變化的步伐，不斷對自身進行有效調整，以其自身6年的發(fā)展歷程，生動的詮釋了可持續(xù)發(fā)展的真諦。
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