以西門子過程控制與現場總線技術為依托，仙女河污水處理廠的自動化控制系統突破了傳統DCS的局限性，將智能儀表、計算機網絡和開放系統互連（OSI）等技術有機的融為了一體，形成了真正開放的、可擴展的、易升級的、高可靠的、低成本的過程控制系統，保證了仙女河污水處理廠的可持續發展，從而，使得曾經的“臭水溝”一去不復返，“仙女”常留人間。
前 言
隨著中國城市化、工業化的加速，水資源的需求缺口也日益增大。目前，國內人均水資源占有量約為世界平均水平的30%，有110個城市嚴重缺水，超過3億人缺乏干凈的飲用水，半數以上的主要水道受到污染，海洋環境總體受污染情況亦不容樂觀——中國已逐漸進入嚴重缺水期。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問題之一。
作為中國著名重工業城市——沈陽，曾經一度因為污染問題，而被列入“世界十大污染城市”的黑名單。而沈陽的細河，就是對半個世紀污染的最好見證。細河作為沈陽“母親河”渾河的重要支流之一，曾有個非常美麗的名字叫“仙女河”，但因長期接納沈陽半數以上的污水而一度成為著名的臭水溝。細河每天要接納全市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COD、NH3-N等均遠超過國家標準，超標最高的重金屬鎘的平均濃度為28.2mg／kg，超過國家標準140倍。
也正是這樣一個污染重鎮，2001年大膽的提出了創建“國家環境模范城市”的宏偉目標。為了實現“創模”的目標，仙女河污水處理廠（圖1）應運而生。2003年11月30日仙女河污水處理廠一期工程建成并通水運行，日處理能力達20萬噸；2005年12月1日二期工程建成并通水運行，擴建后，日處理能力達40萬噸；2010年1月14日過程控制系統升級改造工程順利通過國家環保部的節能減排技改工作檢查。
仙女河污水處理廠能如此快速的實現系統的多次升級改造、順應時代的快速發展，完全得益于西門子過程控制與現場總線技術的應用。該項技術的應用使得污水處理廠的自動化控制系統突破了傳統DCS的局限性，將智能儀表、計算機網絡和開放系統互連（OSI）等技術有機的融為了一體，形成了真正開放的、可擴展的、易升級的、高可靠的、低成本的過程控制系統，保證了仙女河污水處理廠的可持續發展，使曾經的“臭水溝”一去不復返，“仙女”常留人間。
十年不變的選擇
仙女河污水處理系統采用高效預處理工藝及兩段曝氣生物濾池（Biological aerated filter：BAF）工藝，設計結構緊湊、占地面積小、生物處理后不設二沉池、不采用污泥回流、耐高負荷污水沖擊、高速過濾。所使用各類污水處理設備達498臺套，主要設施有生物濾池80座（圖2），反應沉淀池12座，格柵間5個，污水提升泵房2個，污泥緩沖池2個，高壓變電站5個。另外，廠區還配有污泥處理系統和中水處理系統，其中污泥處理系統采用離心脫水技術；中水處理系統采用石英砂過濾及加氯消毒。
污水處理系統的處理效率和出水水質對控制系統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模大、工藝新、人員少的大型污水處理系統，對過程控制更是提出諸多較高的要求，這主要體現在以下幾個方面：
- 控制精度和穩定性。BAF作為一種先進復雜的污水處理工藝，它的實施和運行都對控制系統的精度和穩定性提出了頗高的要求，要想使BAF工藝達到最好的處理效果，就必須有一流的控制系統與之配套。
- 抗干擾能力和可靠性。污水處理系統工作于室外，環境惡劣，且需要全天候不間斷工作，因此，對控制設備和系統的抗干擾能力和可靠性有著較強的要求。
- 無人值守。污水處理過程中，會產生大量硫化氫氣體。若人體不慎吸入硫化氫氣體，便會發生急性硫化氫中毒事故，甚至引起死亡。面對不能回避的風險，除了增加相應的防護措施之外，更重要的是盡可能的實現系統的無人值守運行。
- 擴展和升級性。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，系統可以通過擴展和升級控制系統，從而快速、低成本的實現工藝的優化、系統性能的提高。因而，污水處理控制系統的可擴展性和易升級性，就成為了污水處理系統可持續發展的前提。
針對仙女河污水處理廠的具體情況，其全廠控制系統全部選擇的是西門子過程控制技術，電磁流量計、壓力變送器、溫度變送器和超聲波液位計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，一期工程自控系統采用SIMATIC PLC及WinCC；二期工程采用SIMATIC PCS 7 DCS控制系統。
談到對西門子過程控制技術的執著，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的連續性和兼容性，更重要的是我們已經從實踐中驗證了西門子系統的可靠性和穩定性。” 而且，由于西門子PCS 7 DCS控制系統的成功應用，在現場設備運轉正常的情況下，仙女河污水處理廠二期就可實現無人值守的運行模式。
一、二期工程實施方案
全廠過程控制系統（圖3）由工程師站、操作員站、I/O卡、各類機柜和OPC服務器等設備組成，全廠I/O總點數10000多點，一期6000多點，二期5000多點。全廠過程控制系統利用Siemens Simatic DAT@Monitor技術實現了將生產控制信息向管理層網絡的發布。同時，利用OPC及SDH通訊技術將關鍵的污水水質指標如進出水的流量、pH、COD、SS等指標及全廠的生產過程數據傳輸到集團的數據監控中心進行遠程監控。
其中，一期工程自控系統采用S7-300和S7-400 PLC及WinCC 5.0，整體結構采用WinCC C/S結構，在污水提升泵房及生物濾池配置了三個現場控制子站，三個現場控制子站采用西門子10/100Mbit/s工業以太網聯接。
二期工程采用SIMATIC PCS 7控制系統。該系統分布于中央控制室（圖4）和兩個現場控制子站, 通過開放式的工業實時網絡——100M 光纖冗余工業以太網, 將中央控制室內的工程師站、操作員站、數據服務器和現場控制站連接起來,使系統數據可在骨干網上高速傳輸, 實現數據共享。現場控制站的 SIMATIC S7-400 PLC通過 Profibus-DP 現場總線與分散型 ET200M I/O站及現場閥門、水泵等設備相連接, 實現了現場控制站、中央處理站和分散的現場設備 (I/O、儀表、閥門等)的循環數據通信, 實時采樣現場數據, 并對生產過程進行控制。
升級改造的“沈陽速度”
2009年年末和2010年年初，為了深化節能減排，提升系統過程控制能力，沈陽振興環保產業集團對其旗下的五個污水處理廠（包括新城子（圖5）和東陵白塔兩個新建污水處理廠，以及仙女河污水處理廠在內的三個老污水處理廠）進行了全面的過程控制系統的升級改造工程。
此次升級改造中，包括仙女河污水處理廠在內的多數改造工程都再一次選擇了西門子過程控制和現場總線技術。在不改變工藝的基礎上，增加了諸如監測曝氣量的溶解氧測量儀、懸浮物濁度儀，污泥濃度計、風量儀等過程控制儀表，并依據現場監測的變化對原有西門子過程控制系統進行了同步的升級。此次升級的重點是對過程控制系統中在線監測和遠程控制能力的大幅提升，從而實現對工藝參數更精準的掌控，以便進一步提高系統的控制精度和控制性能。
該工程是由西門子最佳授權分銷商和高級系統集成商——沈陽藍英工業自動化裝備有限公司承接的總包合同。此次振興環保產業集團的五廠自控系統升級改造工程，從策劃到完工僅用了20天的時間，其中，現場改造僅用了8天的時間。而且，此次升級改造已于2010年1月14日順利通過國家環保部的節能減排技改工作檢查，不論是各項技改指標的實現，還是升級改造的高效性無疑都得到了各方面高度的評價。
談及此次“沈陽速度”的締造，集團生產管理部鄭部長不無感慨的說：“西門子模塊化的設計、系統的開放性和普及性，都是此次短時間內實現升級改造的關鍵。”
作為沈陽“創模”中的重要一環，仙女河污水處理廠不僅改善了細河的生態環境，同時，其成功的運營也為眾多新建污水處理廠的發展和建設積累了豐富的經驗，尤其是其過程控制系統更是成為了眾多新建工程參考、效仿的對象。
突破傳統的技術優勢
從2003年建廠到如今，采用西門子過程控制技術的仙女河污水處理廠的全廠過程控制系統已經平穩運行了將近6年的時間，期間不僅歷經了大規模擴容的考驗，還歷經了快速升級改造的考驗。一次次迎接挑戰，一次次戰勝考驗，不但證明了企業選擇，更加驗證了西門子過程控制技術的優勢：
- 標準化。仙女河污水處理廠的過程控制系統完全基于SIMATIC家族中可靠的標準元件、標準控制器以及普遍通用的過程控制系統SIMATIC PCS 7，系統可輕松實現規模升級，為企業打開了一扇不斷優化附加值鏈的大門。
- 模塊化。由于西門子過程控制系統的模塊化與便攜式設計,不僅可以使系統靈活地進行擴展，來適應不斷更新的測量和控制任務；而且，還可以大幅度降低系統維護和升級的成本。
- 高可靠。西門子過程控制技術對數值與參數的自動化處理和集成紀錄功能為系統的可靠性奠定了基礎。而所有模塊完善的自診斷功能、傳感器斷線監測功能、在線插拔功能，進一步保證了系統安全、長時間的可靠運行，提高了系統的可用性和可維護性。
- 普及性。西門子SIMATIC系列產品，在過程控制領域應用范圍廣泛、容易操作、相當普及，已被廣大工程設計人員所熟知和接受，大量減少了工程設計和施工的時間，大大降低了使用、管理和維護的難度，并為系統快速升級、改造提供了前提保障。
- 預測性維護。廠區中絕大多數的過程儀表都選用了西門子PI過程儀表設備，如SITRANS P 系列壓力變送器、MultiRanger多功能液位計、InterRangerDPS300超聲波污泥界面計等等。西門子PI過程儀表充分體現了預測性維護的設計理念，不僅重視儀表的精度，同時，更加重視儀表的智能化、可維護性，從而，最大化的保證了系統參數采集和監控的精度和可靠性。
- 現場總線技術。系統現場級控制采用的是PROFIBUS現場總線技術。現場總線技術的成功引入，大大簡化了系統結構，降低了成本；加強了現場設備的自治能力，全面提高了系統性能；增強了信號傳輸的可靠性和精度；突破了傳統DCS控制系統的限制，實現了真正全分散、全數字化的控制網絡。
親水細河的仙女回歸
作為沈陽創建“國家環境模范城市”以及沈西大開發的重大戰略型項目，仙女河污水處理廠主要技術經濟指標均達到國內先進水平，整體技術裝備和技術水平均處于國內領先地位，其建設和運行，使沈陽城市西部的工業和生活污水全部得到處理，為細河50余年的納污歷史畫上了句號。
在西門子過程控制和現場總線技術的大力協助下，仙女河污水處理廠日處理污水可達40萬噸，處理后的水質全部達到國家二級排放標準，大大改善了細河的生態環境，使得細河的主要污染指標從2000年的劣Ⅴ類達到了Ⅳ類水質標準，豐水期的水質更可達到了Ⅲ類水質標準。環保、生態的細河終于露出了它“仙女”的本來面貌。她改變的不僅僅是生態環境，更重要的是改變了沈陽鐵西地區的經濟發展模式，為鐵西地區的長足發展提供了有利的保障。正是由于西門子過程控制系統的嚴密監控，往日人們心目中污水橫流、環境難看、氣味難聞的污水處理廠不復存在，在人們眼前的是花園式的污水處理廠，沒有難聞氣味、沒有惡劣環境，昔日荒蕪的廠區周邊已變得日趨繁華，小區，商戶比比皆是（圖6）。
可持續發展的技術保障
面對不斷襲來的變革之潮，固步自封必然會被時代所摒棄，怎樣才能緊握時代發展的脈搏，怎樣才能時刻走在時代發展的最前端，則成為了每一個企業，乃至每一個行業選擇的最終標準。
先進的自動化系統不僅能夠顯著提高污水處理的節能效果、控制系統的整體運營成本，同時，更可以保證企業長期可持續的發展。仙女河污水處理廠，始建于時代的變革初期，擴容于經濟發展之時，改造于全球性金融危機之中，在西門子過程控制系統的幫助下，仙女河污水處理廠隨時都能因時因地的跟隨時代發展而不斷升級，時刻緊握著時代發展脈搏的最強音，這恰恰再一次有力的證明了，標準化、開放性的控制系統對企業可持續發展至關重要的作用。
污水處理廠運營管理工作，除保障正常出水達標排放外，安全運行至關重要，是企業可持續發展的根本保障。西門子過程控制技術在仙女河污水處理廠的成功應用，不僅充分展示了其系統穩定、易操作、易升級的卓越性能，更展示其在危險環境中，無人值守功能實現的能力。這不僅為污水處理系統的安全操作提供了保證，也為更多危險工作環境的控制管理系統提供了一種可靠、可信賴的選擇。
6年的選擇、6年的信賴，不僅有賴于高質量的產品，同時，也有賴于西門子豐富的工程經驗，以及完善、強大的技術支持。其項目的成功實施和運行，不僅證實了西門子作為世界領先的水處理自動化及工藝解決方案供應商和可信任的工程承包商的實力，同時，也為西門子打開了中國污水處理行業發展的契機，打開了西門子在中國過程控制領域更廣闊的發展空間。踏著成功的足跡，西門子過程控制技術不斷創造著新的輝煌。2008年西門子就獲得了當時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訂單。
當前，國際金融危機的影響尚未消除，世界經濟復蘇的基礎尚不穩固，全球性資源環境和氣候變化等問題日益突出，可持續的發展正面臨前所未有的挑戰。仙女河污水處理廠的過程控制系統隨著時代變化的步伐，不斷對自身進行有效調整，以其自身6年的發展歷程，生動的詮釋了可持續發展的真諦。
曝氣生物濾池
雪中仙女河（廠區雪景）
中央控制室全廠監控模擬屏
新城子污水處理廠廠區、工藝流程圖及控制柜
