PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)在AAO生物反應(yīng)池自控系統(tǒng)中的應(yīng)用

相柳堂，韋樹鈮，朱 杰

(1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200030;2.上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院有限公司,上海 200233)

0 引言

城市污水處理常用厭氧-缺氧-好氧(anaerobic-anoxic-oxic,AAO)法，又稱A2O法[1]。厭氧池、缺氧池和好氧池三者互連在一起，簡稱為AAO生物反應(yīng)池。它是由活性污泥工藝、生物硝化及反硝化工藝和生物除磷工藝三個(gè)生物凈化部分組成的。經(jīng)過AAO工藝的各個(gè)處理步驟，城市污水中含有的生化耗氧量、懸浮在水中的固體物質(zhì)，以及以多種形式存在的氮和磷可以被全部清除。

目前，國內(nèi)外的城市污水廠普遍使用AAO工藝。因?yàn)樵摴に嚨钠貧夂涂刂葡到y(tǒng)繁瑣，操作人員憑經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)操作或采用半自動(dòng)方式控制所取得的處理效果一般不夠理想，導(dǎo)致了這種傳統(tǒng)的操作控制方式難以符合工藝設(shè)計(jì)要求。因此，AAO生物反應(yīng)池的在線儀表布置和自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在整個(gè)污水處理廠的在線儀表布置和自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。

1 AAO生物反應(yīng)池工藝流程

AAO生物反應(yīng)池工藝采用根據(jù)空間來進(jìn)行劃分的連續(xù)流活性污泥法。在城市污水流經(jīng)AAO生物反應(yīng)池三個(gè)不同功能區(qū)域的過程中，城市污水中的氮、磷和有機(jī)物因不同微生物菌群的作用而被去除。工藝流程圖如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

日照市第二污水處理廠新建20 000 m3/d的AAO生物反應(yīng)池、沉淀池以及深度處理設(shè)施中，共有2組AAO生物反應(yīng)池。將現(xiàn)有規(guī)模為50 000 m3/d的氧化溝工藝改造成規(guī)模為40 000 m3/d的常規(guī)AAO工藝，同時(shí)將改造完成的AAO工藝與現(xiàn)有規(guī)模為40 000 m3/d的回用水處理工藝結(jié)合，使得最終出水水質(zhì)達(dá)到GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

2 在線儀表設(shè)置和監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 儀表設(shè)置

日照市第二污水處理廠AAO生物反應(yīng)池共2組，在線儀表設(shè)置如下。①厭氧池和缺氧池中間設(shè)氧化還原電位檢測(cè)儀(oxidation reduction potential,ORP)；②缺氧池和好氧池中間設(shè)溶解氧檢測(cè)(dissolved oxygen,DO)儀；③好氧池設(shè)污泥濃度檢測(cè)儀(mixed liquid suspended solids,MLSS)；④進(jìn)水流量計(jì)井內(nèi)設(shè)電磁流量計(jì)；⑤反應(yīng)池曝氣管道設(shè)空氣流量計(jì)；⑥反應(yīng)池曝氣總管設(shè)壓力變送器；⑦污泥回流泵房設(shè)液位計(jì)。

在2組生物反應(yīng)池上，分別設(shè)置哈希SC1000新型標(biāo)準(zhǔn)控制器1臺(tái)。每臺(tái)控制器控制5個(gè)哈希在線儀表(2個(gè)ORP、2個(gè)DO、1個(gè)MLSS)。SC1000新型標(biāo)準(zhǔn)控制器通信協(xié)議為全球廣泛采用的PROFIBUS-DP[2]。該協(xié)議是為分散的I/O設(shè)備和各現(xiàn)場設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化所需的高速數(shù)據(jù)通信而設(shè)計(jì)的[3]，具有協(xié)議開放、傳輸穩(wěn)定、不受不同設(shè)備生產(chǎn)商制約等優(yōu)點(diǎn)。除了通過設(shè)置在線儀表檢測(cè)相應(yīng)的工藝參數(shù)外，還要對(duì)潛水?dāng)嚢杵?、?nèi)回流泵、進(jìn)水渠道調(diào)節(jié)堰門、混合液回流渠道閘門、污泥回流渠道閘門、污泥回流泵、剩余污泥泵和鼓風(fēng)機(jī)等現(xiàn)場電器設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)控制，實(shí)現(xiàn)過濾、反沖洗過程的自動(dòng)控制。其中，鼓風(fēng)機(jī)采用磁懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)。鼓風(fēng)機(jī)機(jī)房內(nèi)設(shè)有1臺(tái)獨(dú)立的三菱牌可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)，用來測(cè)量鼓風(fēng)機(jī)和其輔助設(shè)備的狀態(tài)，并控制它們的運(yùn)行[4]。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)

日照市第二污水處理廠AAO生物反應(yīng)池的自控系統(tǒng)采用西門子的PLC[5]。該P(yáng)LC負(fù)責(zé)新建AAO生物反應(yīng)池、沉淀池、二級(jí)提升泵房和活性砂濾池等部分設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)控制，其配備Modbus通信接口、以太網(wǎng)接口和DP通信接口等[6-7]。該P(yáng)LC站的詳細(xì)配置情況如下：①2個(gè)480 mm導(dǎo)軌機(jī)架；②CPU 315-2PN/DP，帶2 MB存儲(chǔ)卡；③IM153-1擴(kuò)展模塊；④PS307(5A)電源模塊；⑤Modbus通信模塊(含協(xié)議權(quán))；⑥4個(gè)32點(diǎn)DI模塊；⑦1個(gè)32點(diǎn)DO模塊；⑧1個(gè)8點(diǎn)AI模塊；⑨1個(gè)4點(diǎn)AO模塊；⑩CP343-1以太網(wǎng)通信模塊；TP1200型觸摸屏。

監(jiān)控系統(tǒng)采用2套Dell Precision塔式T5810工作站系列計(jì)算機(jī)作為上位機(jī),設(shè)置在中央控制室，負(fù)責(zé)自控系統(tǒng)的監(jiān)控管理工作。選用ForceControl作為上位機(jī)人機(jī)界面監(jiān)控軟件，通過ForceControl處理傳統(tǒng)監(jiān)控軟件出現(xiàn)的常見問題，開發(fā)人員可以根據(jù)客戶的控制要求進(jìn)行自由組態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控軟件的高效開發(fā)。2個(gè)上位機(jī)互為冗余、并行工作，從而確保當(dāng)其中1臺(tái)上位機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，能立即切換至另1臺(tái)上位機(jī)進(jìn)行不間斷監(jiān)控工作。WEB數(shù)據(jù)服務(wù)器采用DELL公司的PowerEdge R430系列高性能服務(wù)器，其配備高性能中央處理器(central processing unit,CPU)，效率更高、能耗更??；同時(shí)，在該服務(wù)器里組建RAID5，為系統(tǒng)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)提供安全保障。上位機(jī)和WEB數(shù)據(jù)服務(wù)器的操作系統(tǒng)選用Microsoft公司的 Win 7和Server 2012操作系統(tǒng)。

WEB數(shù)據(jù)服務(wù)器與廠長室、工程師室、生產(chǎn)部門和化驗(yàn)室構(gòu)成局域EtherNet網(wǎng)。該網(wǎng)采用TCP/IP協(xié)議，系統(tǒng)具備開放型條件[8]。

3 標(biāo)準(zhǔn)控制器SC1000的應(yīng)用

SC1000是美國HACH公司生產(chǎn)的一款新型標(biāo)準(zhǔn)控制器。1臺(tái)SC1000控制器可以連接1～8只傳感器，適用于所有HACH及Lange新型傳感器。多臺(tái)SC1000的網(wǎng)絡(luò)可以連接20只傳感器。該控制器采用觸摸屏設(shè)計(jì)、即插即用型連接方式，具有模擬或數(shù)字2種通信方式，同時(shí)具有GSM無線通信功能，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和數(shù)據(jù)訪問功能。

SC1000控制器在AAO生物反應(yīng)池上采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的數(shù)字通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。SC1000控制器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SC1000控制器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2組AAO生物反應(yīng)池上分別設(shè)計(jì)有1臺(tái)SC1000控制器、2臺(tái)SC1000控制器和PLC站。三者之間采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場通信電纜串聯(lián)的組網(wǎng)方式。其中,每臺(tái)SC1000控制器設(shè)計(jì)連接5個(gè)HACH傳感器。

4 組態(tài)軟件功能設(shè)計(jì)及應(yīng)用

自動(dòng)化組態(tài)軟件在工控領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，其本身的種類也日漸豐富，對(duì)于組態(tài)軟件的選擇范圍也越來越廣泛。使用者可以根據(jù)監(jiān)控的要求，對(duì)組態(tài)軟件進(jìn)行不受約束的組態(tài)，從而達(dá)到監(jiān)控的目的[9]。

日照市第二污水處理廠自控系統(tǒng)選用ForceControl組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和控制的功能。該組態(tài)軟件是完全集成的工業(yè)控制軟件，通過軟件提供的組態(tài)開發(fā)環(huán)境，可以直接使用其提供的大量可導(dǎo)入設(shè)置和等值化工具，實(shí)現(xiàn)變量、數(shù)據(jù)庫、I/O設(shè)備、對(duì)象數(shù)據(jù)和圖庫等的高度復(fù)用，從而極大地提高工程項(xiàng)目的組態(tài)效率，保證良好的監(jiān)控效果[10]。

現(xiàn)場在線儀表和設(shè)備的監(jiān)控信號(hào)通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸至中央控制室的上位機(jī)。根據(jù)使用者的功能要求，監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)和歷史查閱，并且可將結(jié)果通過報(bào)表、圖表和曲線等形式表現(xiàn)出來；同時(shí)，可以進(jìn)行打印和數(shù)據(jù)導(dǎo)出等多項(xiàng)服務(wù)，并實(shí)時(shí)提示儀表和設(shè)備的故障[11]。

5 結(jié)束語

AAO生物反應(yīng)池是決定污水處理廠出水口水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵工藝段，也是污水處理廠生產(chǎn)運(yùn)行中的重要耗電環(huán)節(jié)。

在AAO工藝段合理設(shè)置在線儀表、采集客觀的監(jiān)控信息、采用先進(jìn)的通信和自動(dòng)化控制技術(shù)，將便于運(yùn)行人員、維護(hù)人員和管理者監(jiān)控在線儀表和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)時(shí)情況。

AAO生物反應(yīng)池自控和監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)劃方案和實(shí)際運(yùn)用，保證了污水處理廠出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)、減少了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、避免了人工控制的隨意性。因此，污水處理廠的生產(chǎn)運(yùn)行變得更加靈活和高效，實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展[12]。