污水處理應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與體系構(gòu)想

楊 帆

(北京機電研究院高技術(shù)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(biāo)排放造成自然水體的污染日益嚴(yán)重。污水處理問題越來越受到人們的關(guān)注，2007年中央投入20億元專項資金用于建設(shè)科學(xué)完善的污染減排指標(biāo)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(fù)荷65%的企業(yè)約7 000個重點排污單位安裝自動監(jiān)控設(shè)備，建設(shè)國家、省、市三級336個重點污染源監(jiān)控中心，通過網(wǎng)絡(luò)連接構(gòu)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(yán)重。這與上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、管理不嚴(yán)、沒有先進的技術(shù)而造成無法獲得準(zhǔn)確的實時數(shù)據(jù)有很大關(guān)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(shù)得到大力的推廣和發(fā)展。應(yīng)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(luò)里，監(jiān)控中心可隨時獲取一手?jǐn)?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(shù)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(yù)期將遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(chǔ)設(shè)施保障，也必將徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞?。物?lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并在此基礎(chǔ)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(diào)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(dāng)前發(fā)展的趨勢。目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展迅猛，將新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與過程控制系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)信息和功能的集成，把控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理、經(jīng)營和決策集成在一起，最終形成一個能適應(yīng)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(zhì)量、高效益、高柔性的智能生產(chǎn)系統(tǒng)[2]。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

從技術(shù)架構(gòu)上來看，物聯(lián)網(wǎng)可分為3層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)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(guān)構(gòu)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(dāng)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(luò)層由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)及云計算平臺等組成，相當(dāng)于人的神經(jīng)中樞和大腦，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。應(yīng)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(yuǎn)程用戶訪問端)的接口，它與污水污泥處理行業(yè)需求結(jié)合，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)針對各行業(yè)的具體應(yīng)用。前兩層主要是通用技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)用層則是針對各個領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)和專家系統(tǒng)軟件。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

3 綜合處理系統(tǒng)在污水污泥處理中的應(yīng)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(yù)沉砂池→進水泵房→細(xì)格柵間→旋流沉砂池→初沉池→生物反應(yīng)池→二沉池→紫外消毒間→應(yīng)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(shè)置主站，二期廠區(qū)設(shè)置5個從站：1#配電間、2#配電間、鼓風(fēng)機房、污泥處理間和細(xì)格柵間。1#配電間、2#配電間、鼓風(fēng)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(gòu)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(nèi)存卡選用SD卡更易讀取數(shù)據(jù)，CPU內(nèi)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?？蛇B接256路Ethernet/IP，1769-L30ER在一個Logix設(shè)計器應(yīng)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(shè)計器應(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)備進行調(diào)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(shè)計5個車間級監(jiān)控分站，分別是1#配電間分站、細(xì)格柵間分站、2#配電間分站、鼓風(fēng)機房分站和污泥處理間分站。其中1#配電間分站、鼓風(fēng)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(shè)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(wù)是在分站所在車間進行下屬現(xiàn)場設(shè)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(shè)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(nèi)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(dāng)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(fù)責(zé)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(shè)備數(shù)據(jù)及運行狀態(tài)送至通信網(wǎng)絡(luò)中，為別的現(xiàn)場控制站PLC和中央控制站服務(wù)，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(yuǎn)程控制系統(tǒng)

中控室可對提升泵房泵站進行遠(yuǎn)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(diào)泵站的運行。現(xiàn)場PLC負(fù)責(zé)控制泵站機組的啟停、閘門的開關(guān)(或調(diào)節(jié)開度)以及輔助設(shè)備油、氣、水的自動控制。中控室還可以通過從重要設(shè)備的電機智能保護器上調(diào)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(shè)備是否正常運轉(zhuǎn)。監(jiān)視水位、水質(zhì)、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(shè)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(shè)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(diào)度。各車間分控制層對車間級設(shè)備(如電動蝶閥、調(diào)節(jié)閥、泵組及風(fēng)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(luò)，在中央控制室可以查看到各車間重要設(shè)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(fēng)機、泵類設(shè)備可以實現(xiàn)更為全面的監(jiān)控。智能軟件能將預(yù)見的各種問題防患于未然，對可能發(fā)生的設(shè)備故障提前預(yù)警，及時排除。

3.5 云計算

監(jiān)控中心設(shè)置的歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器與云計算服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)連接，時間較早的歷史數(shù)據(jù)可以在遠(yuǎn)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(dǎo)，便于改進和提高。

4 結(jié)束語

構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)接口，在每個污水處理廠利用Web上傳相應(yīng)的關(guān)鍵生產(chǎn)指標(biāo)，監(jiān)測部門通過物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)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(shù)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)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(xué)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.