水是人類生活和國民經濟發展不可缺少的壹部分。隨著科學技術的快速發展和人類生活水平的極大提高，對清潔優質水源的需求也在快速釋放。為了建設壹個可靠、穩定、先進、經濟、可擴展的水處理自動化系統，已經成為工程界和城市水務行業運營管理部門共同關心的問題。微電子技術、通信技術和計算機技術的發展極大地提高了水處理控制系統的信息化和智能化程度。PLC結合3C技術，以其優良的可靠性、抗幹擾性和靈活的控制方式成為水處理自動化系統的核心控制器。它與開放式網絡通信系統壹起，推動了水處理自動化系統的智能化發展。
水處理行業主要分為兩部分:凈水處理和汙水處理。凈水廠的控制系統通常分為水廠調度系統、加藥室(加氯室)PLC控制站、過濾站PLC控制站、供水泵房PLC控制站等。各控制站獨立工作，通過有線網絡進行通信，將所有數據信息送至水廠調度室進行處理，或通過調度系統將部分數據以無線(或有線)通信方式送至市調度中心。對於汙水處理，需要根據汙水水源的情況確定汙水處理的工藝流程。由於汙水處理工藝不同，PLC在自動控制系統中的應用要求也不同。壹般來說，整個汙水處理廠有壹個主控室和若幹個現場控制站，通過壹個控制器層網絡或壹個信息層網絡連接，然後全部連接到主控室。主控室中的許多計算機、工作站和圖形站通過壹個信息層網絡連接起來，從而形成壹個集中管理、分散控制並與現場控制站進行高速數據交換的工廠級自動化網絡[1]。PLC自動控制系統是水處理廠的控制核心部分。而PLC網絡是最重要的壹個，網絡的好壞直接影響汙水廠的正常運行。
二、系統結構
汙水處理廠的自動控制系統壹般包括汙水廠和廠外泵站。監控系統通信網絡和PLC是汙水處理自動化系統的核心部件，它們的性能將對汙水處理自動化系統起著決定性的作用[2]。根據汙水處理自動化的特點和監控要求選擇合適的PLC和通信網絡是保證汙水處理自動化系統性能的重要因素。
通信網絡:
在汙水處理自動化系統結構中，國內管理系統主要采用三級管理，即監控中心、區域監控分中心和監控站。由於監控站不直接控制汙水處理廠的外場設備，工程界根據系統結構的劃分，將監控系統分為信息層、控制層和設備層。
第壹層是信息層，主要負責不同廠商的不同設備之間的大量信息和信息傳遞。工業以太網是目前常用的信息網絡。世界各大PLC廠商都支持工業以太網，並在原有TCP/IP的基礎上，相繼開發出實時性更高的工業以太網，如歐姆龍和洛克維爾支持的Ethernet/IP、施耐德支持的Modbus-TCP/IP、西門子支持的ProfiNet等。由於信息量大，汙水處理廠自動化系統中各控制分站與監控中心之間主要采用以太網進行數據傳輸，包括各種傳感器數據等大量歷史數據信息。
第二層是控制層，主要利用現場總線構成隧道區域控制器網絡。其特點是標準總線組網既能滿足實時通信的要求，又具有開放協議的標準接口，可以方便地掛接總線上的各種現場設備，有利於監控系統的擴展。目前有40多種現場總線。汙水處理廠自動化系統中使用的主要現場總線有ControllerLink、LonWorks、Inetrtbus、Profibus、Can和Modbus。它們的共同特點是速度快、可靠性高，適用於PLC與計算機、PLC與PLC等設備之間大量數據的高速通信。為了使系統穩定可靠，控制層的網絡結構多由環網組成，包括電纜型和光纖作為傳輸介質，具體組網將在後面舉例說明。
第三層是設備層，用於PLC與現場設備、遠程I/O終端、現場儀表之間的通信，包括DeviceNet、Modbus、Profibus/DP，其中DeviceNet已經成為工業上的標準總線，得到了廣泛的應用，而Profibus/DP還沒有成為標準，但應該是相當廣泛的。
值得指出的是，近年來以太網的廣泛應用使人們開始關註現場總線，工業以太網是否會最終取代現場總線仍是壹個有爭議的話題。但是無論是Ethernet/IP還是Modbus-TCP/IP，以太網在壹些重要的性能指標上仍然無法具備現場總線的特點和優勢。本質上，以太網載波幀碰撞監測的CSMA/CD的訪問方式不如現場總線采用的令牌總線和令牌環的訪問方式實時。無論人們采用什麽方法，如協議封裝、分時訪問控制等，都只能提高以太網的實時性能，而沒有本質的改變。在當前技術完全成熟之前，將現場總線應用於控制層是壹種積極安全的選擇。隨著以太網技術的不斷發展，未來也有可能取代現場總線用於控制層。
監控分中心和上位監控軟件:
監控分中心壹般會設置多個SCADA工作站(工控機)。用於分別對水廠調度系統、加藥間(加氯間)、過濾站、供水泵房進行監控，完成汙水廠各種設備的狀態顯示、自動控制、半自動控制、報警打印、報表分析。同時，監控分中心還將設置多臺服務器，為其他計算機提供支持，並與監控中心進行通信。
PLC的選擇:
施耐德、西門子、歐姆龍、羅克韋爾和通用電氣(GE)是全球五大PLC制造商和整體解決方案提供商。他們的產品面向不同的領域，其中羅克韋爾、歐姆龍、施耐德在汙水處理自動化系統的應用最為廣泛。
汙水處理自動控制系統對PLC的性能提出了更高的要求。作為汙水處理自動控制系統的核心控制器，必須具備以下幾大功能特點:首先必須穩定可靠，具有數據預處理和數據集中傳輸能力，具有較高的故障保護能力；其次，控制分站的本地控制器可以獨立承擔控制分區的基本控制任務，即使監控站或監控中心因故障停止運行，相鄰區域的控制器也可以交換數據信息；第三，當壹個控制站的控制量發生變化時，可以根據預定的方案和程序采用相應的算法，相應地調整相關區域的控制對象，如泵或加藥系統。因此至少要具備以下功能模塊:數據采集、存儲和處理功能(實現集中獨立工作模式，特別是獨立控制時實現與相鄰控制器的數據交換)；通信功能、容錯功能、自動診斷功能和本地操作功能(即帶觸摸屏)。
必須綜合考慮整個監控系統的性能要求、自然條件和運行周期來選擇設備要求，特別是在極端氣候和惡劣環境條件下或大型汙水處理廠，需要選擇性能更好的雙機熱備冗余PLC，如施耐德的2 Quantum系列、羅克韋爾的2ControlLogix、歐姆龍的CS1D系列、西門子的S7-417系列；不同的是，歐姆龍的雙系統是在壹塊背板上實現的，而西門子等是通過光纖連接，會在壹定程度上占用控制櫃的空間，但它們的配置非常靈活，可以任意實現雙CPU雙電源、雙CPU單電源、單CPU單電源的多種冗余結構。
在壹般環境條件或小型汙水處理廠中，常采用標準型號作為現場控制器，如施耐德的Quantom140系列，羅克韋爾的ControlLogix，歐姆龍的CS1系列，西門子的S7-400系列等。它們都支持工業以太網和各種現場總線。控制方式采用帶遠程CPU的智能分布式結構。該系統具有很強的開放性和兼容性，豐富的I/O和高功能模塊，完全滿足汙水處理自動控制系統對信號處理的要求。
三、應用案例
以天津鹹陽路汙水處理廠為例[3]，詳細描述了汙水處理廠自動控制系統的組成，控制系統的拓撲圖如圖1所示:
信息層:鹹陽路汙水處理系統在廠區內設有5個PLC分站:預處理系統PLC1，生物處理系統PLC2，汙泥處理系統PLC3，出水及雨水系統PLC4，汙泥消化系統PLC5。使用的CPU是歐姆龍的CS1H-CPU66H。該功能層實現了對汙水處理廠各單元工藝的所有工藝參數、設備運行狀態和電氣參數的數據采集，以及對單元工藝和設備的控制。通過歐姆龍網絡模塊CS1W-ETN21，中央控制室通過赫斯曼以太網交換機，形成100M光纖以太環網。在中央控制室，作為工業以太網節點、系統數據服務器、兩臺工程師/操作員站計算機、打印機、UPS電源、監控屏等設備，其主要功能是系統中的信息交換和信息顯示與控制。該層通過上層監控軟件實現主要工藝設備的控制和調度，對汙水處理全過程進行數據采集、監控、工藝參數的優化和調整，對主要工藝流程進行動態模擬和趨勢分析、實時數據處理和實時控制，在控制組態上實現常規和復雜優化控制、專家控制、模糊控制等各種先進智能控制。同時，強大而穩定的實時和歷史數據庫也通過以太網成為上下層之間的信息通道。汙水處理廠中控室的控制站還通過RIAMBView與信息中心、便攜式電腦、場外泵站(鹹陽路泵站、密雲路泵站)進行通信。RIAMBView具有遠程數據服務功能(最適合SCADA)，通過寬帶接收或發送相關數據，實現對壹些實時圖像和過程數據庫的遠程訪問。
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