摘要：西门子过程控制与现场总线技术的应用使得 仙女河污水处理厂的自动化控制系统突破了传统DCS的局限性，将智能仪表、计算机网络和开放系统互连（OSI）等技术有机的融为了一体，形成了真正开放的、可扩展的、易升级的、高可靠的、低成本的过程控制系统。
前 言
随着中国城市化、工业化的加速，水资源的需求缺口也日益增大。目前，国内人均水资源占有量约为世界平均水平的30%，有110个城市严重缺水，超过3亿人缺乏干净的饮用水，半数以上的主要水道受到污染，海洋环境总体受污染情况亦不容乐观——中国已逐渐进入严重缺水期。近年来，水污染的控制和防治已然成为了中国乃至世界亟待解决的热点问题之一。
作为中国著名重工业城市——沈阳，曾经一度因为污染问题，而被列入“世界十大污染城市”的黑名单。而沈阳的细河，就是对半个世纪污染的最好见证。细河作为沈阳“母亲河”浑河的重要支流之一，曾有个非常美丽的名字叫“仙女河”，但因长期接纳沈阳半数以上的污水而一度成为著名的臭水沟。细河每天要接纳全市60％至70％污染物，各类污染物总量约550吨，其中，剧毒、致癌物和主要污染指标COD、NH3-N等均远超过国家标准，超标最高的重金属镉的平均浓度为28.2mg／kg，超过国家标准140倍。
图1雪中仙女河（厂区雪景）
也正是这样一个污染重镇，2001年大胆的提出了创建“国家环境模范城市”的宏伟目标。为了实现“创模”的目标，仙女河污水处理厂（图1）应运而生。2003年11月30日仙女河污水处理厂一期工程建成并通水运行，日处理能力达20万吨；2005年12月1日二期工程建成并通水运行，扩建后，日处理能力达40万吨；2010年1月14日过程控制系统升级改造工程顺利通过国家环保部的节能减排技改工作检查。
仙女河污水处理厂能如此快速的实现系统的多次升级改造、顺应时代的快速发展，完全得益于西门子过程控制与现场总线技术的应用。该项技术的应用使得污水处理厂的自动化控制系统突破了传统DCS的局限性，将智能仪表、计算机网络和开放系统互连（OSI）等技术有机的融为了一体，形成了真正开放的、可扩展的、易升级的、高可靠的、低成本的过程控制系统，保证了仙女河污水处理厂的可持续发展，使曾经的“臭水沟”一去不复返，“仙女”常留人间。
十年不变的选择
仙女河污水处理系统采用高效预处理工艺及两段曝气生物滤池（Biological aerated filter：BAF）工艺，设计结构紧凑、占地面积小、生物处理后不设二沉池、不采用污泥回流、耐高负荷污水冲击、高速过滤。所使用各类污水处理设备达498台套，主要设施有生物滤池80座（图2），反应沉淀池12座，格栅间5个，污水提升泵房2个，污泥缓冲池2个，高压变电站5个。另外，厂区还配有污泥处理系统和中水处理系统，其中污泥处理系统采用离心脱水技术；中水处理系统采用石英砂过滤及加氯消毒。
图2曝气生物滤池
污水处理系统的处理效率和出水水质对控制系统都具有很大的依赖性，尤其是对于像仙女河污水处理厂这种规模大、工艺新、人员少的大型污水处理系统，对过程控制更是提出诸多较高的要求，这主要体现在以下几个方面：
控制精度和稳定性。BAF作为一种先进复杂的污水处理工艺，它的实施和运行都对控制系统的精度和稳定性提出了颇高的要求，要想使BAF工艺达到最好的处理效果，就必须有一流的控制系统与之配套。
抗干扰能力和可靠性。污水处理系统工作于室外，环境恶劣，且需要全天候不间断工作，因此，对控制设备和系统的抗干扰能力和可靠性有着较强的要求。
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无人值守。污水处理过程中，会产生大量硫化氢气体。若人体不慎吸入硫化氢气体，便会发生急性硫化氢中毒事故，甚至引起死亡。面对不能回避的风险，除了增加相应的防护措施之外，更重要的是尽可能的实现系统的无人值守运行。
扩展和升级性。水资源的日益短缺、水污染问题的日益凸显，使得人们对污水处理的需要越来越广泛、要求也越来越高，系统可以通过扩展和升级控制系统，从而快速、低成本的实现工艺的优化、系统性能的提高。因而，污水处理控制系统的可扩展性和易升级性，就成为了污水处理系统可持续发展的前提。
针对仙女河污水处理厂的具体情况，其全厂控制系统全部选择的是西门子过程控制技术，电磁流量计、压力变送器、温度变送器和超声波液位计等均采用的是西门子PI过程仪表；一期和二期的自控及仪表工程均是与上海西门子工业自动化有限公司（SIAS）签订的交钥匙总包合同，一期工程自控系统采用SIMATIC PLC及WinCC；二期工程采用SIMATIC PCS 7 DCS控制系统。
谈到对西门子过程控制技术的执着，仙女河污水处理厂中控室孙科长说道：“不仅仅是为了保证系统的连续性和兼容性，更重要的是我们已经从实践中验证了西门子系统的可靠性和稳定性。” 而且，由于西门子PCS 7 DCS控制系统的成功应用，在现场设备运转正常的情况下，仙女河污水处理厂二期就可实现无人值守的运行模式。
一、二期工程实施方案
图3：全厂过程控制系统
全厂过程控制系统（图3）由工程师站、操作员站、I/O卡、各类机柜和OPC服务器等设备组成，全厂I/O总点数10000多点，一期6000多点，二期5000多点。全厂过程控制系统利用Siemens Simatic 技术实现了将生产控制信息向管理层网络的发布。同时，利用OPC及SDH通讯技术将关键的污水水质指标如进出水的流量、pH、COD、SS等指标及全厂的生产过程数据传输到集团的数据监控中心进行远程监控。
其中，一期工程自控系统采用S7-300和S7-400 PLC及WinCC 5.0，整体结构采用WinCC C/S结构，在污水提升泵房及生物滤池配置了三个现场控制子站，三个现场控制子站采用西门子10/100Mbit/s工业以太网联接。
图4 中央控制室
二期工程采用SIMATIC PCS 7控制系统。该系统分布于中央控制室（图4）和两个现场控制子站, 通过开放式的工业实时网络——100M 光纤冗余工业以太网, 将中央控制室内的工程师站、操作员站、数据服务器和现场控制站连接起来,使系统数据可在骨干网上高速传输, 实现数据共享。现场控制站的 SIMATIC S7-400 PLC通过 Profibus-DP 现场总线与分散型 ET200M I/O站及现场阀门、水泵等设备相连接, 实现了现场控制站、中央处理站和分散的现场设备 (I/O、仪表、阀门等)的循环数据通信, 实时采样现场数据, 并对生产过程进行控制。
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升级改造的“沈阳速度”
图5：新城子污水处理厂厂区、工艺流程图及控制柜
2009年年末和2010年年初，为了深化节能减排，提升系统过程控制能力，沈阳振兴环保产业集团对其旗下的五个污水处理厂（包括新城子（图5）和东陵白塔两个新建污水处理厂，以及仙女河污水处理厂在内的三个老污水处理厂）进行了全面的过程控制系统的升级改造工程。
此次升级改造中，包括仙女河污水处理厂在内的多数改造工程都再一次选择了西门子过程控制和现场总线技术。在不改变工艺的基础上，增加了诸如监测曝气量的溶解氧测量仪、悬浮物浊度仪，污泥浓度计、风量仪等过程控制仪表，并依据现场监测的变化对原有西门子过程控制系统进行了同步的升级。此次升级的重点是对过程控制系统中在线监测和远程控制能力的大幅提升，从而实现对工艺参数更精准的掌控，以便进一步提高系统的控制精度和控制性能。
该工程是由西门子最佳授权分销商和高级系统集成商——沈阳蓝英工业自动化装备有限公司承接的总包合同。此次振兴环保产业集团的五厂自控系统升级改造工程，从策划到完工仅用了20天的时间，其中，现场改造仅用了8天的时间。而且，此次升级改造已于2010年1月14日顺利通过国家环保部的节能减排技改工作检查，不论是各项技改指标的实现，还是升级改造的高效性无疑都得到了各方面高度的评价。
谈及此次“沈阳速度”的缔造，集团生产管理部郑部长不无感慨的说：“西门子模块化的设计、系统的开放性和普及性，都是此次短时间内实现升级改造的关键。”
作为沈阳“创模”中的重要一环，仙女河污水处理厂不仅改善了细河的生态环境，同时，其成功的运营也为众多新建污水处理厂的发展和建设积累了丰富的经验，尤其是其过程控制系统更是成为了众多新建工程参考、效仿的对象。
突破传统的技术优势
从2003年建厂到如今，采用西门子过程控制技术的仙女河污水处理厂的全厂过程控制系统已经平稳运行了将近6年的时间，期间不仅历经了大规模扩容的考验，还历经了快速升级改造的考验。一次次迎接挑战，一次次战胜考验，不但证明了企业选择，更加验证了西门子过程控制技术的优势：
标准化。仙女河污水处理厂的过程控制系统完全基于SIMATIC家族中可靠的标准元件、标准控制器以及普遍通用的过程控制系统SIMATIC PCS 7，系统可轻松实现规模升级，为企业打开了一扇不断优化附加值链的大门。
模块化。由于西门子过程控制系统的模块化与便携式设计,不仅可以使系统灵活地进行扩展，来适应不断更新的测量和控制任务；而且，还可以大幅度降低系统维护和升级的成本。
高可靠。西门子过程控制技术对数值与参数的自动化处理和集成纪录功能为系统的可靠性奠定了基础。而所有模块完善的自诊断功能、传感器断线监测功能、在线插拔功能，进一步保证了系统安全、长时间的可靠运行，提高了系统的可用性和可维护性。
普及性。西门子SIMATIC系列产品，在过程控制领域应用范围广泛、容易操作、相当普及，已被广大工程设计人员所熟知和接受，大量减少了工程设计和施工的时间，大大降低了使用、管理和维护的难度，并为系统快速升级、改造提供了前提保障。
预测性维护。厂区中绝大多数的过程仪表都选用了西门子PI过程仪表设备，如SITRANS P 系列压力变送器、MultiRanger多功能液位计、InterRangerDPS300超声波污泥界面计等等。西门子PI过程仪表充分体现了预测性维护的设计理念，不仅重视仪表的精度，同时，更加重视仪表的智能化、可维护性，从而，最大化的保证了系统参数采集和监控的精度和可靠性。
现场总线技术。系统现场级控制采用的是PROFIBUS现场总线技术。现场总线技术的成功引入，大大简化了系统结构，降低了成本；加强了现场设备的自治能力，全面提高了系统性能；增强了信号传输的可靠性和精度；突破了传统DCS控制系统的限制，实现了真正全分散、全数字化的控制网络。
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亲水细河的仙女回归
作为沈阳创建“国家环境模范城市”以及沈西大开发的重大战略型项目，仙女河污水处理厂主要技术经济指标均达到国内先进水平，整体技术装备和技术水平均处于国内领先地位，其建设和运行，使沈阳城市西部的工业和生活污水全部得到处理，为细河50余年的纳污历史画上了句号。
在西门子过程控制和现场总线技术的大力协助下，仙女河污水处理厂日处理污水可达40万吨，处理后的水质全部达到国家二级排放标准，大大改善了细河的生态环境，使得细河的主要污染指标从2000年的劣Ⅴ类达到了Ⅳ类水质标准，丰水期的水质更可达到了Ⅲ类水质标准。环保、生态的细河终于露出了它“仙女”的本来面貌。她改变的不仅仅是生态环境，更重要的是改变了沈阳铁西地区的经济发展模式，为铁西地区的长足发展提供了有利的保障。正是由于西门子过程控制系统的严密监控，往日人们心目中污水横流、环境难看、气味难闻的污水处理厂不复存在，在人们眼前的是花园式的污水处理厂，没有难闻气味、没有恶劣环境，昔日荒芜的厂区周边已变得日趋繁华，小区，商户比比皆是。
可持续发展的技术保障
面对不断袭来的变革之潮，固步自封必然会被时代所摒弃，怎样才能紧握时代发展的脉搏，怎样才能时刻走在时代发展的最前端，则成为了每一个企业，乃至每一个行业选择的最终标准。
先进的自动化系统不仅能够显著提高污水处理的节能效果、控制系统的整体运营成本，同时，更可以保证企业长期可持续的发展。仙女河污水处理厂，始建于时代的变革初期，扩容于经济发展之时，改造于全球性金融危机之中，在西门子过程控制系统的帮助下，仙女河污水处理厂随时都能因时因地的跟随时代发展而不断升级，时刻紧握着时代发展脉搏的最强音，这恰恰再一次有力的证明了，标准化、开放性的控制系统对企业可持续发展至关重要的作用。
污水处理厂运营管理工作，除保障正常出水达标排放外，安全运行至关重要，是企业可持续发展的根本保障。西门子过程控制技术在仙女河污水处理厂的成功应用，不仅充分展示了其系统稳定、易操作、易升级的卓越性能，更展示其在危险环境中，无人值守功能实现的能力。这不仅为污水处理系统的安全操作提供了保证，也为更多危险工作环境的控制管理系统提供了一种可靠、可信赖的选择。
6年的选择、6年的信赖，不仅有赖于高质量的产品，同时，也有赖于西门子丰富的工程经验，以及完善、强大的技术支持。其项目的成功实施和运行，不仅证实了西门子作为世界领先的水处理自动化及工艺解决方案供应商和可信任的工程承包商的实力，同时，也为西门子打开了中国污水处理行业发展的契机，打开了西门子在中国过程控制领域更广阔的发展空间。踏着成功的足迹，西门子过程控制技术不断创造着新的辉煌。2008年西门子就获得了当时世界最大的污水处理工程之一——北京北小河污水回收处理工程的控制系统订单。
当前，国际金融危机的影响尚未消除，世界经济复苏的基础尚不稳固，全球性资源环境和气候变化等问题日益突出，可持续的发展正面临前所未有的挑战。仙女河污水处理厂的过程控制系统随着时代变化的步伐，不断对自身进行有效调整，以其自身6年的发展历程，生动的诠释了可持续发展的真谛。
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