污水處理應用系統(tǒng)的設計與體系構想

楊 帆

(北京機電研究院高技術股份有限公司環(huán)保事業(yè)一部工程中心，北京 100027)

隨著改革開放以來工業(yè)粗放型發(fā)展，工廠廢水不達標排放造成自然水體的污染日益嚴重。污水處理問題越來越受到人們的關注，2007年中央投入20億元專項資金用于建設科學完善的污染減排指標體系、減排監(jiān)測體系和減排考核體系，即“三大體系”。其中污染減排監(jiān)測體系是在占全國主要污染物工業(yè)排放負荷65%的企業(yè)約7 000個重點排污單位安裝自動監(jiān)控設備，建設國家、省、市三級336個重點污染源監(jiān)控中心，通過網(wǎng)絡連接構成國控重點污染源自動監(jiān)控系統(tǒng)。項目實施后雖有起色，但有些地方依然污染嚴重。這與上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)不準、管理不嚴、沒有先進的技術而造成無法獲得準確的實時數(shù)據(jù)有很大關系。2009年政府提出“感知中國”戰(zhàn)略，物聯(lián)網(wǎng)、云計算這些新興技術得到大力的推廣和發(fā)展。應用物聯(lián)網(wǎng)將監(jiān)控中心和污水處理廠連接在一個網(wǎng)絡里，監(jiān)控中心可隨時獲取一手數(shù)據(jù)資料，實時監(jiān)控，再根據(jù)海量數(shù)據(jù)的存儲和分析，掌握未來的發(fā)展趨勢，這對于節(jié)污減排工作的監(jiān)控和管理有非常好的效果。

機對機(M2M)技術也稱為物聯(lián)網(wǎng)，是近幾年迅速發(fā)展并為人們所熟知的概念，其市場前景預期將遠遠超過計算機、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信，必將成為世界經(jīng)濟的新增長點，為未來社會經(jīng)濟發(fā)展、社會進步和科技創(chuàng)新提供最重要的基礎設施保障，也必將徹底改變人們的生活方式。物聯(lián)網(wǎng)技術的基礎是互聯(lián)網(wǎng)技術，并在此基礎上進行了延伸和擴展，任何物品和物品之間，都可以進行信息交換和通信[1]。

隨著污水廠處理規(guī)模的增大，控制系統(tǒng)的“自動化孤島模式”越來越不能滿足日益發(fā)展的需要，集過程控制、常規(guī)控制、生產(chǎn)調度及企業(yè)管理等功能于一體的綜合自動化系統(tǒng)成為當前發(fā)展的趨勢。目前網(wǎng)絡技術的發(fā)展迅猛，將新興的物聯(lián)網(wǎng)技術與過程控制系統(tǒng)結合，實現(xiàn)信息和功能的集成，把控制、優(yōu)化、調度、管理、經(jīng)營和決策集成在一起，最終形成一個能適應生產(chǎn)環(huán)境的不確定性，市場需求的多變性，全局優(yōu)化的高質量、高效益、高柔性的智能生產(chǎn)系統(tǒng)[2]。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡構架

從技術架構上來看，物聯(lián)網(wǎng)可分為3層：感知層、網(wǎng)絡層和應用層[3]，如圖1所示。感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關構成，包括污水廠各個車間的儀表，如各種流量計、液位計、COD、總磷總氮測量儀表、攝像頭以及廠區(qū)紅外報警傳感器等終端。感知層的作用相當于人的眼耳鼻喉和神經(jīng)末梢，其主要功能是識別物體和采集信息。網(wǎng)絡層由各種私有網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡管理系統(tǒng)及云計算平臺等組成，相當于人的神經(jīng)中樞和大腦，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。應用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶(包括環(huán)保局、監(jiān)測站、污水廠或污水處理公司遠程用戶訪問端)的接口，它與污水污泥處理行業(yè)需求結合，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)針對各行業(yè)的具體應用。前兩層主要是通用技術的應用，應用層則是針對各個領域的專業(yè)技術和專家系統(tǒng)軟件。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡構架

3 綜合處理系統(tǒng)在污水污泥處理中的應用

3.1 污水污泥處理工藝

污水處理廠工藝流程為：進水→粗格柵間→預沉砂池→進水泵房→細格柵間→旋流沉砂池→初沉池→生物反應池→二沉池→紫外消毒間→應急提升泵站→出水。

污泥處理流程為：剩余污泥→污泥儲池→排泥泵房→污泥脫水間→外運衛(wèi)生填埋。

3.2 分布式過程控制系統(tǒng)

分布式過程控制系統(tǒng)選用羅克韋爾公司的CompactLogix 5370 L3控制器，中控室設置主站，二期廠區(qū)設置5個從站：1#配電間、2#配電間、鼓風機房、污泥處理間和細格柵間。1#配電間、2#配電間、鼓風機房和污泥處理間這4個車間級監(jiān)控分站和一、二期中控室通過100MB光纖構成環(huán)網(wǎng)，如圖2所示。

圖2 自控系統(tǒng)組態(tài)

分站PLC的CPU分別選用1769-L30ER和1769-L33ER,自帶1GB存儲卡(1784-SD1)，兩個Ethernet端口和一個USB端口。內存卡選用SD卡更易讀取數(shù)據(jù)，CPU內置大電容可斷電后保持30min，為CPU掉電提供了冗余配置，提供更大安全保障。這款CPU支持基于Ethernet/IP的集成運動控制。可連接256路Ethernet/IP，1769-L30ER在一個Logix設計器應用程序中Ethernet/IP節(jié)點為16個，可擴展8個1769模塊。1769-L33ER在一個Logix設計器應用程序中Ethernet/IP節(jié)點為32個，可擴展16模塊。

從站I/O模塊選用1769 Compact I/O模塊，模塊具有集成的通信總線，通過可移動總線連接器將各模塊連接起來。設計組態(tài)軟件采用RSLogix 5000，畫面軟件采用FactoryTalk View Studio 。

3.2.1廠級監(jiān)控中心

廠級監(jiān)控中心能監(jiān)控污水廠所有設備和工藝參數(shù)并采集和存儲數(shù)據(jù)，和各車間及監(jiān)控中心實現(xiàn)對等通信。正常情況下污水廠通過廠級監(jiān)控中心進行監(jiān)視。設備進行調試、維護、保養(yǎng)時必須在就地控制級或手動控制級進行。

3.2.2車間級監(jiān)控室

用PLC作為核心直接監(jiān)控現(xiàn)場水處理工藝的過程單元。本系統(tǒng)設計5個車間級監(jiān)控分站，分別是1#配電間分站、細格柵間分站、2#配電間分站、鼓風機房分站和污泥處理間分站。其中1#配電間分站、鼓風機房分站和污泥處理間分站選用CPU、電源、輸入輸出模塊及通信模塊等設備，采用與監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一品牌的液晶顯示操作屏作為人機界面接口。

車間級監(jiān)控分站的任務是在分站所在車間進行下屬現(xiàn)場設備運行工況信號與工藝參數(shù)的采集、檢測和監(jiān)控，并通過分站的人機界面監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，適時對設備進行操作，同時向監(jiān)控中心傳送實時數(shù)據(jù)。

3.2.3現(xiàn)場PLC自動控制級

現(xiàn)場PLC自動控制級即現(xiàn)場控制站PLC控制方式，各個工藝區(qū)域內的聯(lián)鎖控制和程序控制主要通過現(xiàn)場控制級來實現(xiàn)。當污水廠在自動控制方式運行時，現(xiàn)場控制站PLC可以獨立自動對它所負責的工藝區(qū)域進行控制，而不需要任何中央控制級的介入。并將采集到的設備數(shù)據(jù)及運行狀態(tài)送至通信網(wǎng)絡中，為別的現(xiàn)場控制站PLC和中央控制站服務，同時接收車間級控制站PLC和中央控制站送來的指令信息。

3.3 遠程控制系統(tǒng)

中控室可對提升泵房泵站進行遠程控制，通過光纖與現(xiàn)場PLC通信，也可通過無線(數(shù)傳、擴頻電臺、GPRS)通信方式與泵站進行通信。由監(jiān)控室統(tǒng)一監(jiān)控、指揮、協(xié)調泵站的運行。現(xiàn)場PLC負責控制泵站機組的啟停、閘門的開關(或調節(jié)開度)以及輔助設備油、氣、水的自動控制。中控室還可以通過從重要設備的電機智能保護器上調取電機的運行參數(shù)(電流、電壓及故障信息等)從而監(jiān)視設備是否正常運轉。監(jiān)視水位、水質、電量、溫度以及壓力等是否有越限等。

中控室采用Factory View實現(xiàn)的HMI人機交互系統(tǒng)作為上位組態(tài)軟件，在泵站運行現(xiàn)場也可采用設備級HMI人機界面(PanelView Plus)。

3.4 SCADA系統(tǒng)

SCADA系統(tǒng)分為3層：中央控制層、各車間分控制層和現(xiàn)場控制單元。中央控制層綜合全局考慮，對重要設備實時監(jiān)測(如變壓器、斷路器及刀閘等運行情況)，根據(jù)需要進行總調度。各車間分控制層對車間級設備(如電動蝶閥、調節(jié)閥、泵組及風機等)進行監(jiān)控。現(xiàn)場控制單元采用PLC進行控制。 通過光纖將各個車間、現(xiàn)場的監(jiān)控攝像頭組成視頻監(jiān)控網(wǎng)絡，在中央控制室可以查看到各車間重要設備的運行情況。配合上位機畫面的工業(yè)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，對于整套系統(tǒng)中最為重要的風機、泵類設備可以實現(xiàn)更為全面的監(jiān)控。智能軟件能將預見的各種問題防患于未然，對可能發(fā)生的設備故障提前預警，及時排除。

3.5 云計算

監(jiān)控中心設置的歷史數(shù)據(jù)服務器與云計算服務器通過網(wǎng)絡連接，時間較早的歷史數(shù)據(jù)可以在遠端備份存儲，節(jié)省了前端的存儲空間和費用。后臺的污水處理專家系統(tǒng)還可以對大數(shù)據(jù)進行分析處理，對生產(chǎn)工藝進行指導，便于改進和提高。

4 結束語

構建了基于物聯(lián)網(wǎng)的污水處理控制系統(tǒng)，通過國家制定統(tǒng)一的標準接口，在每個污水處理廠利用Web上傳相應的關鍵生產(chǎn)指標，監(jiān)測部門通過物聯(lián)網(wǎng)絡實時訪問各個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)信息，使得國家層面對污水處理的有效監(jiān)管得以實現(xiàn)。

[1] 劉麗軍，鄧子云.物聯(lián)網(wǎng)技術與應用[M].北京：清華大學出版社，2012.

[2] 梁昭峰，李兵，裴旭東.過程控制工程[M]. 北京：北京理工大學出版社，2010.

[3] 王文珍.基于物聯(lián)網(wǎng)的污水處理智能監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 化工自動化及儀表，2013,40(2)：247～249.