[編輯簡介]：以西門子過程控制與現(xiàn)場總線技術(shù)為依托，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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和開放系統(tǒng)互連（OSI）等技術(shù)有機(jī)的融為了一體，形成了真正開放的、可擴(kuò)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，從而，使得曾經(jīng)的“臭水溝”一去不復(fù)返，“仙女”常留人間。

[關(guān)鍵詞]：西門子 現(xiàn)場總線

[摘要]：以西門子過程控制與現(xiàn)場總線技術(shù)為依托，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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和開放系統(tǒng)互連（OSI）等技術(shù)有機(jī)的融為了一體，形成了真正開放的、可擴(kuò)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，從而，使得曾經(jīng)的“臭水溝”一去不復(fù)返，“仙女”常留人間。  

以西門子過程控制與現(xiàn)場總線技術(shù)為依托，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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和開放系統(tǒng)互連（OSI）等技術(shù)有機(jī)的融為了一體，形成了真正開放的、可擴(kuò)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，從而，使得曾經(jīng)的“臭水溝”一去不復(fù)返，“仙女”常留人間。

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(nèi)人均水資源占有量約為世界平均水平的30%，有110個(gè)城市嚴(yán)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(jìn)入嚴(yán)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(diǎn)問題之一。 

作為中國著名重工業(yè)城市——沈陽，曾經(jīng)一度因?yàn)槲廴締栴}，而被列入“世界十大污染城市”的黑名單。而沈陽的細(xì)河，就是對半個(gè)世紀(jì)污染的最好見證。細(xì)河作為沈陽“母親河”渾河的重要支流之一，曾有個(gè)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(xì)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(biāo)COD、NH3-N等均遠(yuǎn)超過國家標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)最高的重金屬鎘的平均濃度為28.2mg／kg，超過國家標(biāo)準(zhǔn)140倍。 

也正是這樣一個(gè)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(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)“創(chuàng)�！钡哪繕�(biāo)，仙女河污水處理廠（圖1）應(yīng)運(yùn)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(yùn)行，日處理能力達(dá)20萬噸；2005年12月1日二期工程建成并通水運(yùn)行，擴(kuò)建后，日處理能力達(dá)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多次升級改造、順應(yīng)時(shí)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(shù)的應(yīng)用。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和開放系統(tǒng)互連（OSI）等技術(shù)有機(jī)的融為了一體，形成了真正開放的、可擴(kuò)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(jīng)的“臭水溝”一去不復(fù)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(yù)處理工藝及兩段曝氣生物濾池（Biological aerated filter：BAF）工藝，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、生物處理后不設(shè)二沉池、不采用污泥回流、耐高負(fù)荷污水沖擊、高速過濾。所使用各類污水處理設(shè)備達(dá)498臺套，主要設(shè)施有生物濾池80座（圖2），反應(yīng)沉淀池12座，格柵間5個(gè)，污水提升泵房2個(gè)，污泥緩沖池2個(gè)，高壓變電站5個(gè)。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(shù)；中水處理系統(tǒng)采用石英砂過濾及加氯消毒。 

污水處理系統(tǒng)的處理效率和出水水質(zhì)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(gè)方面： 

控制精度和穩(wěn)定性。BAF作為一種先進(jìn)復(fù)雜的污水處理工藝，它的實(shí)施和運(yùn)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(dá)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(shè)備和系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性有著較強(qiáng)的要求。 

無人值守。污水處理過程中，會產(chǎn)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(fēng)險(xiǎn)，除了增加相應(yīng)的防護(hù)措施之外，更重要的是盡可能的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無人值守運(yùn)行。 

擴(kuò)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(kuò)展和升級控制系統(tǒng)，從而快速、低成本的實(shí)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(kuò)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(shù)，電磁流量計(jì)、壓力變送器、溫度變送器和超聲波液位計(jì)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(shù)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(jīng)從實(shí)踐中驗(yàn)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(yīng)用，在現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常的情況下，仙女河污水處理廠二期就可實(shí)現(xiàn)無人值守的運(yùn)行模式。 

一、二期工程實(shí)施方案 

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(jī)柜和OPC服務(wù)器等設(shè)備組成，全廠I/O總點(diǎn)數(shù)10000多點(diǎn)，一期6000多點(diǎn)，二期5000多點(diǎn)。全廠過程控制系統(tǒng)利用Siemens Simatic DAT@Monitor技術(shù)實(shí)現(xiàn)了將生產(chǎn)控制信息向管理層網(wǎng)絡(luò)的發(fā)布。同時(shí)，利用OPC及SDH通訊技術(shù)將關(guān)鍵的污水水質(zhì)指標(biāo)如進(jìn)出水的流量、pH、COD、SS等指標(biāo)及全廠的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊瘓F(tuán)的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心進(jìn)行遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)采用WinCC C/S結(jié)構(gòu)，在污水提升泵房及生物濾池配置了三個(gè)現(xiàn)場控制子站，三個(gè)現(xiàn)場控制子站采用西門子10/100Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)接。 

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(gè)現(xiàn)場控制子站, 通過開放式的工業(yè)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)——100M 光纖冗余工業(yè)以太網(wǎng), 將中央控制室內(nèi)的工程師站、操作員站、數(shù)據(jù)服務(wù)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(wǎng)上高速傳輸, 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。現(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(shè)備相連接, 實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場控制站、中央處理站和分散的現(xiàn)場設(shè)備 (I/O、儀表、閥門等)的循環(huán)數(shù)據(jù)通信, 實(shí)時(shí)采樣現(xiàn)場數(shù)據(jù), 并對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。 

升級改造的“沈陽速度” 

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(chǎn)業(yè)集團(tuán)對其旗下的五個(gè)污水處理廠（包括新城子（圖5）和東陵白塔兩個(gè)新建污水處理廠，以及仙女河污水處理廠在內(nèi)的三個(gè)老污水處理廠）進(jìn)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(nèi)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(shù)。在不改變工藝的基礎(chǔ)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(jì)、風(fēng)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(jìn)行了同步的升級。此次升級的重點(diǎn)是對過程控制系統(tǒng)中在線監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制能力的大幅提升，從而實(shí)現(xiàn)對工藝參數(shù)更精準(zhǔn)的掌控，以便進(jìn)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(quán)分銷商和高級系統(tǒng)集成商——沈陽藍(lán)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(chǎn)業(yè)集團(tuán)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(shí)間，其中，現(xiàn)場改造僅用了8天的時(shí)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(xiàng)技改指標(biāo)的實(shí)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(jià)。 

談及此次“沈陽速度”的締造，集團(tuán)生產(chǎn)管理部鄭部長不無感慨的說：“西門子模塊化的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的開放性和普及性，都是此次短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)升級改造的關(guān)鍵�！� 

作為沈陽“創(chuàng)模”中的重要一環(huán)，仙女河污水處理廠不僅改善了細(xì)河的生態(tài)環(huán)境，同時(shí)，其成功的運(yùn)營也為眾多新建污水處理廠的發(fā)展和建設(shè)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，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(shù)優(yōu)勢 

從2003年建廠到如今，采用西門子過程控制技術(shù)的仙女河污水處理廠的全廠過程控制系統(tǒng)已經(jīng)平穩(wěn)運(yùn)行了將近6年的時(shí)間，期間不僅歷經(jīng)了大規(guī)模擴(kuò)容的考驗(yàn)，還歷經(jīng)了快速升級改造的考驗(yàn)。一次次迎接挑戰(zhàn)，一次次戰(zhàn)勝考驗(yàn)，不但證明了企業(yè)選擇，更加驗(yàn)證了西門子過程控制技術(shù)的優(yōu)勢： 

標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)元件、標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(shè)計(jì),不僅可以使系統(tǒng)靈活地進(jìn)行擴(kuò)展，來適應(yīng)不斷更新的測量和控制任務(wù)；而且，還可以大幅度降低系統(tǒng)維護(hù)和升級的成本。 

高可靠。西門子過程控制技術(shù)對數(shù)值與參數(shù)的自動化處理和集成紀(jì)錄功能為系統(tǒng)的可靠性奠定了基礎(chǔ)。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(jìn)一步保證了系統(tǒng)安全、長時(shí)間的可靠運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的可用性和可維護(hù)性。 

普及性。西門子SIMATIC系列產(chǎn)品，在過程控制領(lǐng)域應(yīng)用范圍廣泛、容易操作、相當(dāng)普及，已被廣大工程設(shè)計(jì)人員所熟知和接受，大量減少了工程設(shè)計(jì)和施工的時(shí)間，大大降低了使用、管理和維護(hù)的難度，并為系統(tǒng)快速升級、改造提供了前提保障。 

預(yù)測性維護(hù)。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(shè)備，如SITRANS P 系列壓力變送器、MultiRanger多功能液位計(jì)、InterRangerDPS300超聲波污泥界面計(jì)等等。西門子PI過程儀表充分體現(xiàn)了預(yù)測性維護(hù)的設(shè)計(jì)理念，不僅重視儀表的精度，同時(shí)，更加重視儀表的智能化、可維護(hù)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(shù)。系統(tǒng)現(xiàn)場級控制采用的是PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)�，F(xiàn)場總線技術(shù)的成功引入，大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了成本；加強(qiáng)了現(xiàn)場設(shè)備的自治能力，全面提高了系統(tǒng)性能；增強(qiáng)了信號傳輸?shù)目煽啃院途�度；突破了傳統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)的限制，實(shí)現(xiàn)了真正全分散、全數(shù)字化的控制網(wǎng)絡(luò)。 

親水細(xì)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(xiàng)目，仙女河污水處理廠主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，整體技術(shù)裝備和技術(shù)水平均處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，其建設(shè)和運(yùn)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(xì)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(shù)的大力協(xié)助下，仙女河污水處理廠日處理污水可達(dá)40萬噸，處理后的水質(zhì)全部達(dá)到國家二級排放標(biāo)準(zhǔn)，大大改善了細(xì)河的生態(tài)環(huán)境，使得細(xì)河的主要污染指標(biāo)從2000年的劣Ⅴ類達(dá)到了Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，豐水期的水質(zhì)更可達(dá)到了Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。環(huán)保、生態(tài)的細(xì)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(jīng)濟(jì)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(yán)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(fù)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（圖6）。 

可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)保障 

面對不斷襲來的變革之潮，固步自封必然會被時(shí)代所摒棄，怎樣才能緊握時(shí)代發(fā)展的脈搏，怎樣才能時(shí)刻走在時(shí)代發(fā)展的最前端，則成為了每一個(gè)企業(yè)，乃至每一個(gè)行業(yè)選擇的最終標(biāo)準(zhǔn)。 

先進(jìn)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(yùn)營成本，同時(shí)，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(shí)代的變革初期，擴(kuò)容于經(jīng)濟(jì)發(fā)展之時(shí)，改造于全球性金融危機(jī)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(shí)都能因時(shí)因地的跟隨時(shí)代發(fā)展而不斷升級，時(shí)刻緊握著時(shí)代發(fā)展脈搏的最強(qiáng)音，這恰恰再一次有力的證明了，標(biāo)準(zhǔn)化、開放性的控制系統(tǒng)對企業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要的作用。 

污水處理廠運(yùn)營管理工作，除保障正常出水達(dá)標(biāo)排放外，安全運(yùn)行至關(guān)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(shù)在仙女河污水處理廠的成功應(yīng)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(xiǎn)環(huán)境中，無人值守功能實(shí)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(xiǎn)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(zhì)量的產(chǎn)品，同時(shí)，也有賴于西門子豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，以及完善、強(qiáng)大的技術(shù)支持。其項(xiàng)目的成功實(shí)施和運(yùn)行，不僅證實(shí)了西門子作為世界領(lǐng)先的水處理自動化及工藝解決方案供應(yīng)商和可信任的工程承包商的實(shí)力，同時(shí)，也為西門子打開了中國污水處理行業(yè)發(fā)展的契機(jī)，打開了西門子在中國過程控制領(lǐng)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(shù)不斷創(chuàng)造著新的輝煌。2008年西門子就獲得了當(dāng)時(shí)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(dāng)前，國際金融危機(jī)的影響尚未消除，世界經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇的基礎(chǔ)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(shí)代變化的步伐，不斷對自身進(jìn)行有效調(diào)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。