污水处理厂网络化控制系统关键技术的实现
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摘 要
随着控制理论与技术、计算机技术和网络通信技术的发展，网络化控制系统
(NCS)应运而生，给工业控制领域带来了巨大的变革。网络化控制系统使分布在不
同地域的控制节点和装置有机地联系成为一个整体，为实现企业的管理控制一体
化、实现远程监视与控制提供了基础条件，也极大地简化了控制系统的设计，提
高了系统可靠性和控制质量，是未来综合自动化技术发展的必然形式。以太网
(Ethernet)技术是应用非常广泛的网络技术，它在工业自动化控制局域网中得到了
很好的应用。随着以太网技术在工业控制领域的应用，现场总线技术和以太网技
术相互结合，未来网络化控制系统将有更大的发展前景。
本文结合网络化控制系统的相关理论和工程实际需求，采用罗克韦尔工业网
络平台 NetLinx 解决方案，设计并实现了松江污水处理厂网络化控制系统，重点探
讨了系统关键技术的实现问题。该系统体现了控制系统网络化、集成化、智能化
的发展趋势，解决了在这一趋势下控制网络系统的设计与实现、多种现场总线的
集成、实时数据库的构建等关键技术的实现问题。
首先，利用工业网络平台方案 NetLinx，构成了以光纤以太网与现场总线相结
合的控制网络体系。由于系统规模大、地域分散、监控点数多、控制复杂等特点
及难点，根据“分布式控制，集中化管理”的设计原则，设计并实现了信息层、
控制层和现场控制层三层组成的网络控制系统。针对工业控制系统中多种总线并
存的情况，利用网关进行协议转换，将 Profibus-DP 现场总线集成到本网络系统。
其次，运用 ControlLogix 控制器，实现了污水处理各个工艺环节具体控制功
能。根据“分级控制”的原则，在对控制系统进行总体设计的基础上，实现了各
分控站和中央控制系统的具体控制功能。
最后，根据实时数据库的设计目标和需求，设计了用于实时控制、数据查询、
企业信息化集成等功能的实时数据库。
关键词：网络化控制系统 NetLinx 现场总线 EtherNet/IP 实时数据库
ABSTRACT
With the development of control theory and technology, computer technology and
network communication technology, networked control system (NCS) came into being,
and has brought great changes to the field of industrial control. Networked control
system enables the distributed control nodes or devices in different geographical
locations organically as a whole, provideed the basic conditions to achieve the
integration of enterprise management and control, remote monitoring and control. It
also greatly simplified the control system design, improved system reliability and
control quality, is the inevitable future development of integrated automation technology.
Ethernet technology is a widly used network technology, especially in industrial
automation and control LAN. As the applications of Ethernet technology in the field of
industrial control, field bus technology and Ethernet technology combined with each
other, the networked control systems will have greater development.prospects in the
future.
In this paper, we combined the networked control systems relevanted theoretical and
practical engineering requirements, used Rockwell Automation NetLinx industrial
networking platform solution, designed and implemented Songjiang Wastewater
Treatment Plant Networked Control Systems, focused on the problems of realization of
the key technologies. The system embodies the control system networked, integrated,
intelligent trend, realized the control network system design and implementation in the
this trend, the integration of a variety of field buses and construction of real-time
database.
Firstly, by using industrial networking platform program NetLinx, constituted control
network of the optical fiber Ethernet and Fieldbus. Because the system is large in scale,
geographic dispersion, more monitoring points and complicated in control
characteristics, according to "distributed control, centralized management" design
principles, we designed and implemented a networked control system composed of
three layers: information layer, control layer and field control layer. As a variety of bus
co-existence in industrial control systems we use protocol conversion gateway,
Profibus-DP fieldbus will be integrated into the network system.
Secondly, by using ControlLogix controller, realized all sewage treatment process
control functions. According to "hierarchical control" principle, based on the overall
design of the control system, realized various sub-control stations and the central
control system specific control functions.
Finally, based on real-time database design goals and needs, we designed real-time
database for real-time control, data query, enterprise information integration features.
Key Word: Networked Control System, NetLinx, Field Bus,
EtherNet/IP, RTDB
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 课题背景及意义 ...............................................................................................1
§1.2 倒置 AAO 污水处理工艺简介 ........................................................................2
§1.2.1 倒置 AAO 工艺的发展史 ......................................................................2
§1.2.2 倒置 AAO 工艺的流程 ..........................................................................2
§1.2.3 倒置 AAO 工艺的特点 ..........................................................................3
§1.3 网络化控制系统概述 .......................................................................................3
§1.4 国内外研究发展现状 .......................................................................................5
§1.4.1 国内外网络化控制系统的发展状况 .....................................................5
§1.4.2 国内外污水处理自动化的现状 .............................................................6
§1.5 本文的主要工作及主要关键技术 ...................................................................7
第二章 网络化控制系统实施方案 .................................................................................9
§2.1 工业网络的选择 ...............................................................................................9
§2.2 NetLinx 网络体系结构 ................................................................................... 10
§2.3 系统的性能要求 .............................................................................................12
§2.4 本章小结 .........................................................................................................13
第三章 网络系统的详细设计 .......................................................................................14
§3.1 网络化系统的总体设计 ..................................................................................14
§3.2 EtherNet/IP 工业以太网的构建 ..................................................................... 15
§3.2.1 EtherNet/IP 简介 ................................................................................... 15
§3.2.2 EtherNet/IP 网络的规划 ....................................................................... 16
§3.2.3 具体实现 ...............................................................................................18
§3.3 Profibus-DP 网络的构建 .................................................................................21
§3.3.1 Profibus 总线简介 ................................................................................. 21
§3.3.2 系统硬件配置 .......................................................................................22
§3.3.3 系统网络构建 .......................................................................................23
§3.3.4 Profibus-DP 通讯程序 ...........................................................................24
§3.4 本章小结 .........................................................................................................25
第四章 控制系统设计 ...................................................................................................26
§4.1 总体设计 .........................................................................................................26
§4.1.1 分级控制的实现 ...................................................................................27
§4.1.2 中央监控系统的组成和功能 ...............................................................28
§4.1.3 现场控制站功能介绍 ...........................................................................28
§4.2 粗格栅控制工艺的设计与实现 .....................................................................29
§4.2.1 格栅除污系统的控制要求 ...................................................................29
§4.2.2 格栅控制方式 .......................................................................................29
§4.3 细格栅控制工艺的设计与实现 .....................................................................32
§4.4 污泥回流控制工艺的设计与实现 .................................................................33
§4.5 污泥脱水控制工艺的设计与实现 .................................................................33
§4.6 高效滤池控制工艺的设计与实现 .................................................................34
§4.7 出水泵房控制工艺的设计与实现 .................................................................38
§4.8 本章小结 .........................................................................................................43
第五章 实时数据库的设计 ...........................................................................................44
§5.1 实时数据库概述 .............................................................................................44
§5.2 设计目标 .........................................................................................................45
§5.3 功能需求分析 .................................................................................................45
§5.4 系统结构 .........................................................................................................46
§5.5 OPC 接口通讯的实现 .....................................................................................48
§5.5.1 OPC 接口 ...............................................................................................48
§5.5.2 OPC Client 的实现 ................................................................................ 48
§5.6 本章小结 .........................................................................................................51
第六章 结论与展望 .......................................................................................................52
§6.1 总结 .................................................................................................................52
§6.2 展望 .................................................................................................................52
参考文献 .........................................................................................................................54
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................57
致谢 .................................................................................................................................58
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
网络化控制系统(Networked Control Systems，NCS)是近十几年来随着计算机
应用技术和网络技术的飞速发展而出现的一种新的控制系统。它的出现顺应了现
代科技的发展趋势，反映了在以信息科学为支柱的新世纪中各学科理论及应用相
互交叉渗透和融合的发展趋势，因此网络化控制系统越来越受到广泛的关注和应
用[1]。
§1.1 课题背景及意义
我国地域辽阔，资源总量大，是资源大国，但由于人口众多，人均拥有的资
源量却相对很少，尤其是淡水资源，我国淡水资源人均拥有量仅为世界人均水平
的四分之一，从这个意义上讲我国只是个资源小国，因此淡水资源缺乏是我国的
基本国情之一。随着我国经济社会的迅速发展，人口增加、人民生活水平逐步提
高，工业化和城市化的步伐加快，用水量急剧增加导致污水排放量也相应增加，
这无疑加剧了淡水资源的短缺和水环境的污染[2]。目前，全国 600 多座城市中大约
有一半的城市缺水，水体污染更使淡水资源短缺雪上加霜，己成为阻碍我国经济
社会可持续发展的严重因素。
上海松江污水处理厂处于黄浦江上游水资源保护区，出水排放口距上海市自
来水取水口 9.3 公里，地理位置特殊，肩负着保护黄浦江上游水资源的重任。污水
收集范围包括洞泾港以西、沈泾塘以东、张家港以南和黄浦江以北的松江大部分
城区。至 2007 年时，中心城区的日均排污总量便已达到了 7.5 万吨至 8万吨，松
江污水处理厂的容量已愈显不足。为了保护水源，不让污水排入自然河道，经市
发改委和建交委批准，启动了污水处理厂三期改扩建工程项目。为了达到上游水
源地要求的一级 A水质排放标准，松江污水厂的三期改扩建工程采用了很多在国
内较为领先的水处理工艺倒置 AAO 处理工艺，不论是过滤装置、二沉池的改造还
是污泥的处理，均采用目前国内领先的工艺。
该工程中采用网络化控制系统解决方案，由中央控制系统、五个现场控制站
组成。分别包括进水泵房控制站、AAO 生物反应池控制站、鼓风机房控制站、污
泥脱水机房控制站、反冲洗泵房控制站(下设两个高效滤池控制站)，通过冗余的光
纤通讯网络系统连接而成。现场控制站直接控制和检测若干生产过程的单元，并
向上级控制单元进行实时传送，上级控制单元可调用各现场站的全部运行信息。
系统规模大、监控点数多、多种总线通讯协议并存、控制复杂。
污水处理厂网络化控制系统关键技术的实现
2
§1.2 倒置 AAO 污水处理工艺简介
§1.2.1 倒置 AAO 工艺的发展史
AO 工艺的应用始于 20 世纪 80 年代初，是在目前城市污水生处理中广泛应用
的工艺之一，它具有充分利用原水中的有机碳源进行反硝化，能够有效的去除 BOD
和含氮化合物等等优点[2]。AAO 工艺是在 AO 工艺基础上发展起来的，它由于增
设厌氧区，所以具有脱氮和除磷能力，是一种新型污水处理工艺。AAO 生物脱氮
除磷工艺结合了传统的活性污泥、生物硝化工艺，相互取长补短，能够更高效的
去除水中的有机物。AAO 工艺即是通常所说的厌氧-缺氧-好氧法，污水依次流经
厌氧池、缺氧池、好氧池，最终水中的有机物被降解，达到排放标准。该工艺利
用聚磷菌的好氧聚磷，厌氧释磷的特性起到除磷效果，利用在好氧阶段硝化，厌
氧阶段反硝化的特性起到脱氮的作用。
现在城市污水脱氮除磷工艺主要有以下三类：SBR 法、氧化沟法、AAO 工艺，
其中 AAO 脱氮除磷工艺近十年来出现来出现了 Trizon 工艺、倒置 AAO 工艺等改
良型的 AAO 工艺，是应用较为广泛的一类[6]。
§1.2.2 倒置 AAO 工艺的流程
与常规 AAO 工艺相比，倒置 AAO 工艺的设计特点是省去了混合液内回流，
适当加大了生物活性污泥回流比，其工艺流程如图 1.1 所示。
图1.1 倒置 AAO 工艺流程
根据进水水质不同，调整初沉时间或者取消初沉池(由超越管实现)，以倒置
AAO 工艺的需要。缩短初沉时间，一方面使得沉砂池部分或全部有机物和出水中
的微生物直接进入生化反应系统，使得反应池进水的有机物总量增加，满足了脱
氮除磷工艺对碳源的需要，提高了生化反应系统对氮、磷的去除效率；另一方面
为微生物提供了良好的栖息场所，大幅度提高系统的生物种类和数量。
在厌氧池和缺氧池装搅拌器设备，而在好氧池通过曝气维持溶解氧的浓度。
AAO 三个工艺段的作用如下：在缺氧段，微生物以污水中有机物为碳源，反硝化
回流污泥带来的硝态氮，生成 N2，或者 NxOy逸至大气中，以达到脱氮目的；在厌
氧段，由于水中硝态氮结合氧和溶解氧均已消耗完毕，所以处于厌氧状态，聚磷
微生物分解产生的能量吸收污水中的易降解 COD，释放磷酸盐；在好氧段前段，
微生物主要降解污水中的有机质并过量吸磷，到好氧区后段，则 BOD 大幅度降低
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摘要随着控制理论与技术、计算机技术和网络通信技术的发展，网络化控制系统(NCS)应运而生，给工业控制领域带来了巨大的变革。网络化控制系统使分布在不同地域的控制节点和装置有机地联系成为一个整体，为实现企业的管理控制一体化、实现远程监视与控制提供了基础条件，也极大地简化了控制系统的设计，提高了系统可靠性和控制质量，是未来综合自动化技术发展的必然形式。以太网(Ethernet)技术是应用非常广泛的网络技术，它在工业自动化控制局域网中得到了很好的应用。随着以太网技术在工业控制领域的应用，现场总线技术和以太网技术相互结合，未来网络化控制系统将有更大的发展前景。本文结合网络化控制系统的相关理论和工程实际需...
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