“互聯(lián)網(wǎng)+”視域下SCADA系統(tǒng)在污水處理廠中的應(yīng)用探究

[摘 要]社會(huì)生產(chǎn)、生活污水體量及復(fù)雜程度的增加給污水處理廠帶來(lái)更高的作業(yè)壓力，文章探究新時(shí)期SCADA系統(tǒng)在污水處理廠的應(yīng)用，給出完善的系統(tǒng)搭建方案，帶來(lái)一種自動(dòng)化、遠(yuǎn)程化、實(shí)時(shí)化的污水處理廠運(yùn)行管理方式，不斷提高污水處理廠管理效率，提升污水處理能力。

[關(guān)鍵詞]SCADA系統(tǒng);污水處理廠;系統(tǒng)搭建

SCADA系統(tǒng)指的是數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，其依托于計(jì)算機(jī)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)污水處理廠的集中化管理。近年來(lái)國(guó)內(nèi)城市積極開(kāi)展污水處理廠建設(shè)優(yōu)化活動(dòng)，以提高城市水資源管理成效，實(shí)現(xiàn)水資源的合理化利用。大規(guī)模污水處理廠內(nèi)大型設(shè)備及構(gòu)筑物較多，各類儀器儀表分布相對(duì)零散，給處理廠運(yùn)行管理工作帶來(lái)不小難度，為此有必要將SCADA系統(tǒng)融入其中，并對(duì)其應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。

1 SCADA系統(tǒng)在污水處理廠中應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

污水處理廠SCADA系統(tǒng)主要包括終端信息采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和核心控制系統(tǒng)兩部分，通過(guò)數(shù)據(jù)接口能夠?qū)⑽鬯幚韽S及泵站的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸至管理平臺(tái)當(dāng)中。

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

終端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于污水處理廠實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集，包括儀器儀表、控制閥門(mén)及其他電氣設(shè)備。

第一，儀器儀表。污水處理廠運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)配備溫度計(jì)、雷達(dá)流量計(jì)、電磁流量計(jì)、ORP檢測(cè)儀、污泥濃度監(jiān)測(cè)儀等裝置，用以對(duì)污水處理各環(huán)節(jié)中的溫度、流量、液面、水質(zhì)等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和分析，以獲取最真實(shí)的污水處理現(xiàn)場(chǎng)信息。不同類型的儀器儀表采用不通的通信協(xié)議，如溫度計(jì)、壓力檢測(cè)裝置等均采用5～20mA的兩線信號(hào)，其余設(shè)備采用Profibus/Modbus協(xié)議[1]。用于監(jiān)測(cè)污水處理水質(zhì)情況的磷、氨氮、BOD等大型分析儀器采用Profibus DP總線通信方式。SCADA系統(tǒng)除采集來(lái)自污水處理現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息外，還對(duì)儀器儀表的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督，監(jiān)測(cè)儀器儀表運(yùn)行參數(shù)并與標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)相對(duì)比，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行異常信號(hào)，幫助儀器儀表維修養(yǎng)護(hù)工作的高效開(kāi)展。

第二，控制閥門(mén)。污水處理廠中的控制閥門(mén)分布零散，范圍較大，建議選用智能化的電控閥門(mén)，以24V直流電及Profibus DP總線進(jìn)行控制。電控閥門(mén)控制參數(shù)包括遠(yuǎn)程啟停、急停、過(guò)熱跳閘等，利用通信方式將電控閥門(mén)通過(guò)同一根雙絞線接入到控制系統(tǒng)當(dāng)中。除控制參數(shù)外，還可對(duì)運(yùn)行時(shí)間、設(shè)備溫度、電流過(guò)載情況等進(jìn)行控制。

第三，其他電氣設(shè)備。終端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的其他電器設(shè)備采用MCC進(jìn)行控制，變頻器、高低壓綜合保護(hù)等可通過(guò)Profibus DP與PLC之間進(jìn)行通信，將電機(jī)全部運(yùn)行參數(shù)傳輸至SCADA系統(tǒng)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)污水處理廠的全面信息化管理。

1.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

SCADA系統(tǒng)的控制單元分為區(qū)域控制和中央控制兩個(gè)層級(jí)。其中，區(qū)域控制層級(jí)的主要結(jié)構(gòu)為PLC和觸摸顯示屏。選用PLC系統(tǒng)的主要原因是，PLC系統(tǒng)能夠適應(yīng)污水處理控制系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量多、模擬量少的特點(diǎn)，且其結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔，不易發(fā)生故障，可充分滿足污水處理廠對(duì)PLC系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。PLC機(jī)柜上設(shè)有觸摸顯示屏，用于顯示處理廠現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控畫(huà)面及采集到的信息，通過(guò)顯示屏進(jìn)行人機(jī)交互。區(qū)域控制層級(jí)被劃分為多個(gè)控制模塊。網(wǎng)絡(luò)連通后，將中斷期間的數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳至服務(wù)器，以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

中央控制層級(jí)為SCADA系統(tǒng)的核心，包括冗余操作員站、防火墻、冗余數(shù)據(jù)服務(wù)器等模塊。冗余服務(wù)器平行運(yùn)行，當(dāng)某一服務(wù)器突發(fā)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換至其他服務(wù)器，當(dāng)原服務(wù)器恢復(fù)正常后，將故障過(guò)程中采集數(shù)據(jù)同步。

1.4 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第一，終端監(jiān)測(cè)與區(qū)域控制層級(jí)之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。終端監(jiān)測(cè)層級(jí)與區(qū)域控制層級(jí)間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，可被分為Profibus DP通信、Modbus通信和Profibus PA通信。例如，Profibus DP通信中各儀器儀表為串聯(lián)關(guān)系，單個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障不影響其他儀表的正常通信，但發(fā)生線路中斷時(shí)，其后的全部?jī)x表均無(wú)法完成通信活動(dòng)。當(dāng)采用RS-485串口通信規(guī)范，網(wǎng)絡(luò)中接入的硬件設(shè)備超過(guò)32個(gè)或通信距離無(wú)法與傳輸效率相匹配時(shí)，應(yīng)增加中繼器擴(kuò)展物理網(wǎng)段。

第二，區(qū)域控制層級(jí)內(nèi)部的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。CPU與I/O之間采用Profibus DP通信，該方式的兼容性更高，借助光電轉(zhuǎn)換器形成光纖環(huán)網(wǎng)后，可實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的通信傳輸，并提高通信過(guò)程的抗電磁干擾能力。若系統(tǒng)中出現(xiàn)單點(diǎn)斷網(wǎng)現(xiàn)象，通信活動(dòng)仍可正常進(jìn)行。其中光電轉(zhuǎn)換器的作用是將Profibus的通信介質(zhì)改為光纖，常見(jiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、線性、星形等。以上拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在使用時(shí)應(yīng)選擇雙光纖端口，且要求光電轉(zhuǎn)換器的型號(hào)相同。

第三，區(qū)域與中央控制層級(jí)之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。區(qū)域與中央控制層級(jí)之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用工業(yè)以太網(wǎng)，在中央控制室及各分站內(nèi)設(shè)置千兆級(jí)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，要求每一交換機(jī)端口在2個(gè)以上，以便形成光纖環(huán)網(wǎng)。若系統(tǒng)中發(fā)生單點(diǎn)光纖故障，整個(gè)數(shù)據(jù)鏈路轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性結(jié)構(gòu)，發(fā)揮冗余功能。

1.5 監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

污水處理廠SCADA系統(tǒng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)選用B/S架構(gòu)，主要包括GIS系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)平臺(tái)，能夠?qū)ξ鬯幚韽S的運(yùn)行情況進(jìn)行全面監(jiān)管和調(diào)度。系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心分類存儲(chǔ)SCADA數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)、運(yùn)行調(diào)度數(shù)據(jù)、日常管理數(shù)據(jù)等，通過(guò)平臺(tái)可完成運(yùn)行調(diào)度、報(bào)表輸出、系統(tǒng)設(shè)置等工作[2]。例如，系統(tǒng)管理模塊下設(shè)權(quán)限管理、用戶管理、系統(tǒng)管理等功能。該監(jiān)測(cè)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)在于，能夠兼容SHP和CAD格式文件，通過(guò)圖層屬性配置及圖層組合，展示現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信息。

2 SCADA系統(tǒng)在污水處理廠中應(yīng)用成效分析

2.1 案例背景

某污水處理企業(yè)下轄3個(gè)污水出廠，綜合污水處理能力為39×104m3/d，其運(yùn)行管理任務(wù)主要包括28座泵站及市區(qū)內(nèi)240km排污管線的調(diào)度與運(yùn)維。將SCADA系統(tǒng)應(yīng)用于污水處理廠運(yùn)行管理當(dāng)中，以污水井液位為監(jiān)測(cè)對(duì)象，對(duì)SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用成效進(jìn)行分析。

2.2 成效分析

首先，實(shí)現(xiàn)3座污水處理廠運(yùn)行的集中化管理。SCADA系統(tǒng)將污水處理廠、泵站及管網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)集中到同一平臺(tái)中，相關(guān)人員可在隨時(shí)掌握污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，以根據(jù)污水處理廠的處理能力、管網(wǎng)布施特點(diǎn)等科學(xué)調(diào)整泵站運(yùn)行方案。其次，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)的全面監(jiān)管，溢流現(xiàn)象的可監(jiān)管、防范程度大幅度提升。SCADA系統(tǒng)能夠?qū)﹄[蔽排污管線運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，系統(tǒng)終端顯示泵站及管網(wǎng)運(yùn)行液位情況，當(dāng)出現(xiàn)異常狀況時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警并定位到異常監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以輔助管理人員快速做出處理。最后，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的精準(zhǔn)、快速定位。該污水處理公司所轄范圍較廣，在日常管理過(guò)程中面臨較高的排污管線應(yīng)急處理工作壓力[3]。在全面實(shí)現(xiàn)SCADA系統(tǒng)管理后，管網(wǎng)中封堵、滲漏等問(wèn)題能夠在第一時(shí)間被發(fā)現(xiàn)，相關(guān)人員根據(jù)系統(tǒng)給出的提示，即可迅速達(dá)到故障點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)急處理。例如，觀察系統(tǒng)中給出的管道液位差即可大致判斷出該位置淤泥堵塞情況，發(fā)現(xiàn)液位差異常后，可提前組織開(kāi)展清淤活動(dòng)，避免堵塞程度進(jìn)一步發(fā)展帶來(lái)更嚴(yán)重的管網(wǎng)故障。

3 結(jié)論

SCADA系統(tǒng)在污水處理廠運(yùn)行管理中的應(yīng)用成為污水處理系統(tǒng)現(xiàn)代化發(fā)展的必然方向。引進(jìn)自動(dòng)化、智能化的污水處理廠運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理體系，在降低人工管理強(qiáng)度及壓力的同時(shí)，提高污水處理廠管理水平，降低管網(wǎng)故障發(fā)生概率，不斷優(yōu)化城市環(huán)保功能。

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[3]高天海，張興勇，董浩，等.淺析市政污水處理存在的問(wèn)題及解決對(duì)策[J].居舍，2018（2）.

[作者簡(jiǎn)介]王維娜（1984—），女，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士，河套學(xué)院機(jī)電工程系教師，研究方向：電氣工程教學(xué)研究與能源優(yōu)化。