操作可靠性对于任何水处理厂都是至关重要的。如果自动化系统和其所控制的工艺过程并不可靠，那么处理厂将面临触犯当地或者国家水质规章的风险。
        在纽约北部的Marcellus水处理厂，Onondaga郡水务局（OCWA）进行了一个重大项目，将其工艺和技术升级，以满足最新提议的州卫生部门和EPA的规定。这项努力包括将工厂的过滤床由4个扩展到6个，以及各种机械系统和化学工艺过程的现代化。处理厂还升级了整套控制和仪表系统以提升自动化性能、提高可靠性，为日后提供简单、低成本的扩展空间，降低操作和维护成本。一家隶属于OCWA并由其运营的水处理厂负责处理来自于Otisco湖的湖水，提供差不多一半的公共用水。位于Marcellus的这家水处理厂已经完成了基础设施的升级，提升了整体性能。OCWA最近恢复了4个现有的过滤单元，并且又增加了2个新的过滤单元，以提高处理厂的水质，提升可靠性，以满足州和国家对于饮用水厂的标准。
        过程描述
        OCWA在Otisco湖有两个入水管。从这两个管道流入的水被立即用氯消毒，以抑制斑马贻贝的生长，然后水由于重力作用流到大约5英里外的位于Marcellus的水处理厂（见图1）。

图1. 位于Marcellus的OCWA水处理工厂，已经完成了基础设施的升级，提升了其整体性能。

        湖水最初进入快速混合罐，罐中加入凝结剂（聚合氯化铝）和用于去除味道和气味的化学试剂（活性炭粉末）。30秒混合后，水流进接触池，在平静的条件下，凝结剂使小悬浮物汇聚成较大的颗粒。这些颗粒中的一部分沉降并在之后被滤除。在池中的接触时间确保活性炭粉末（在藻类含量较高的湖中使用）能够吸收有机物质和产生气味的化学物质。
        在大约1小时的接触时间后，水流进6个过滤装置之一，流经含有活性炭颗粒和沙粒的滤床时微粒被滤除。过滤装置定期清洗，清洗用水来自于沉降用的污水贮存塘。然后这些水被循环处理，再次回到处理厂的最初处理过程（见图2）。

图2.作为水处理过程的一部分，含有活性炭颗粒和沙粒的过滤器被用于滤除水中的悬浮物。

        过滤之后，再次使用氯对水进行消毒，并且在水中添加氟化物。水随后被存储在处理厂的大罐中，使氯有足够的时间发生反应。一旦水流出罐体，立即用正磷酸盐对管道和分流系统进行涂层处理，以防来自管道的铅和铜污染。
        操作上的挑战
        作为现代化控制的一部分，OCWA决定使用Emerson公司的ControlWave可编程自动化控制器（PAC）取代原有的Bristol-Babcock 3335远程终端模块（RTU）。为了提升控制室的工作效果控制工程网版权所有，公司使用带有以太网和Modbus网络通讯的全自动SCADA系统取代了手工模拟控制作业方式（见图3）。而且，OCWA希望减少水处理设施的布线和设备维护成本，这就要求摒除传感器、执行器和控制器之间的多根较长的电缆，辅以从传感器和控制器现场获取数据的解决方案。这样一来，就节省了成百上千的双绞线对、电缆桥架和复杂接线图，进而节省了相应的维护成本。

图3.Onondaga郡水处理龙头企业Otisco Lake Water Treatment Plant 以前的模拟控制系统。

        新技术
        2008年8月，Marcellus工厂开始使用具有最新技术的设备以代替老旧的模拟控制设备CONTROL ENGINEERING China版权所有，将所有过程自动化功能都移植到在线SCADA系统上。项目旨在将现有的RTU更换成可升级的平台，以支持多种局部应用乃至整个工程的控制策略，进而实现现代数字信号传输功能（见图4）。

图4.现在处理工艺都是由基于PC/PLC的控制系统管控。

        控制室升级的关键就是安装分布式远程I/O——使用独立I/O模块的解决方案，以取消以太网控制网络上的信号环路接口。这样一来，发生在任何一点的接地故障和信号失常都不会影响工厂中其他的测量节点。数字通讯取代了模拟信号，也解决了传感器和控制信号衰减问题（及相应的校准）和对于纯模拟通讯十分常见的交叉通讯（噪音）问题。
        现在很多自动化设备供应商都有模块化I/O系统，是一种相对成本较低的方法，可以将厂区现场设备通过以太网与SCADA或者控制系统连接起来。这些系统可以彼此互相通讯，也可以通过标准以太网，使用现成的集线器、交换机和路由器与其他计算机通讯，更可以使用无线笔记本、网页浏览器、电子数据表或者第三方HMI工具显示其状态（见图5）。

图5.自动阀门也是改进的一部分，而且已被接入了设备网络。

        在考虑了多家供应商的方案之后，OCWA的项目团队决定使用Moore Industries公司的NET Concentrator System (NCS)。此智能I/O系统利用集线技术，通过一个数据通讯环路，在现场和控制室之间发送过程监控和控制型号，无需点对点电缆、导管和桥架。此系统同时使用了模拟和数字I/O，真正实现了信号的隔离。所有离散和模拟信号都数字化、分组，并使用标准电缆、LAN交换机和路由器等以太网硬件，在以太网上进行传输（见图6）。

图6.Moore Industries公司的NET Concentrator System (NCS)提供了分布式远程I/O解决方案。

        这种分布、远程I/O系统功能可以作为全局信号网关使用，与兼容OPC的DCS或者PLC接口，工作于10/100Base-T以太网（Modbus/ TCP）和Modbus RTU网络之上。系统包含通讯模块和多个I/O模块。每个I/O模块都支持多组模拟或者离散通道，可以与远程传感器、开关、执行器和显示器接口。每一个模拟输入通道都具有独立20位A/D输入。这保证了在通过以太网将信号从现有的模拟变送器传送至主系统时，不会降低精度。
        在Marcellus水处理厂中，这种分布式远程I/O通讯模块以数字化的形式将信号传送至主从网络的网络集中装置。带有纠错的数字通讯和高速以太网电缆确保信号完整性并最小化信号的衰减，在传统模拟信号中，这些都是无法做到的。
        控制结构
        对于OCWA公司的工程和操作人员来说， 主从分布式I/O系统提供了一种将监视和控制信号从基于PLC的控制系统中传入和传出的可靠方法。在这种结构下，工厂的不同区域在以太网上分布着5个远程I/O站点，每个站点具有10到15个I/O模块。对于监视作业，系统从模拟变送器或者离散设备收集信号www.cechina.cn，将信号压缩，并通过网络控制器在以太网上直接发送至主PLC控制面板。对于控制作业，主机的控制命令通过网络传输，并转换成模拟或者离散信号，用于控制阀、泵、电机和其他类型的比例和开/关控制器件。
        一旦现场设备的数据传送至基于计算机的主机，SCADA软件就可以提供用户接口，以支持数据采集、警报管理、数据记录和报告、历史数据收集和趋势分析和监督控制功能（见图7）。现场集中装置使现有和新增的过程控制信号和传感器与控制策略之间的连接变得很容易。这种方法通过远程集中I/O来扩展控制结构——极大地降低了布线成本。模拟输入模块每个输入通道都带有内嵌24V电源，无需在模块和其他端子或者辅助24V电源之间布线www.cechina.cn，这使得远程控制面板尺寸更小。

图7.主从系统中的多现场集中器网络被用于处理信号输入和输出。

        使用分布和远程I/O系统，操作人员现在可以直接使用本地HMI或者无线笔记本浏览厂区内的I/O端口。确保操作人员在工厂的任何地点都可以监控并调整设备作业情况。即使控制系统发生故障CONTROL ENGINEERING China版权所有，I/O信号仍旧可用。而且，技术人员无需再经常进入现场进行流量计、压力变送器、阀和其他设备的排障。
        项目成果
        Marcellus工厂的新型PLC、SCADA和分布式远程I/O系统扩展了过程的自动化程度，使操作人员能够安全快速地应对潜在问题。它们还帮助减少了硬件成本并降低了维护需求。最为重要的是，新型设备已经证明十分可靠，这是OCWA投资目标之一。
        多亏了改进的数据采集和控制能力，OCWA的工作人员可以更好地应对工厂中的问题。经理、操作人员和技师可以在任何一台站点HMI或者计算机上浏览水处理过程。而且，他们无需离开Marcellus站点，就可以对公司的水配给作业进行控制。
        使用实时现场数据监控过滤床和其他过程，减少了反应时间并最终提高了工厂效率。也增加了安全性，确保更精确的水质报告。
        从工程和维护的角度，近期的技术升级以一种便捷的方式提供了独立于控制系统的额外的排障工具。通过工厂以太网，所有I/O都是可见的——即使在PLC完全关断时也是如此。
        OCWA现在可以保证稳定、高质的水处理，不会发生异常停机和昂贵的维修作业。而且工厂人员获得了实时监控工厂过程的必要方法，以确保水质满足所有相关的要求。