力控科技污水處理調度系統解決方案
作者：北京三維力控科技有限公司 董黎芳
摘要：隨著計算機技術的發(fā)展和我國污水處理工程的迅速發(fā)展，對污水處理的過程的自動化程度要求也在不斷提高。同時因為污水處理也是環(huán)境保護中的最重要的一環(huán)，污水處理的達標合格性和環(huán)境保護密切相關，對污水處理的數據的監(jiān)控工作也開始提上了日程。本方案結合污水水務運營監(jiān)控管理系統的設計與實施，詳細介紹了力控科技產品在該系統中的功能與應用。
關鍵詞：力控,SCADA，調度平臺，ForceControl，監(jiān)控組態(tài)軟件，污水處理，實時數據庫
一、概述
城市污水處理廠建設作為城市環(huán)境污染防治的重要措施和手段之一，越來越受到政府和社會各界的高度重視。近幾年來，我國政府加大了城市污水處理基礎設施建設的投資力度，對改善和提高城市區(qū)域水環(huán)境質量發(fā)揮了重大作用。
二、現狀與需求
目前集團下屬的污水處理廠基本上都完成了廠級自控系統的升級改造，配備了監(jiān)控組態(tài)軟件及自控設備來維持著水廠的基本運營，但是集團調度中心還沒有具備完善的整體調度管理系統，無法實現生產過程管理信息的實時全覆蓋和工藝流程可視化，也無法滿足優(yōu)化資源分配，科學績效管理的需求。
通過對污水處理廠現場的分析，需要在集團總部設總調度中心，從而監(jiān)管全國污水處理廠的運行情況，實現對分布在全國各地的污水處理廠的整體管理，運營部人員可以實時的了解到全國各地的污水處理情況，實時掌握污水處理的第一手資料。
因此想要實現城市污水處理信息化需要將所有底層現場的電氣控制、過程控制、運動控制和數以萬計的儀器儀表測試系統都高度、有機地融合在綜合自動化網絡上。從自動化控制和生態(tài)管理到企業(yè)全方位管理的信息數據全部集成，再不是過去的PLC、DCS、FCS的自動化孤島，實現管理信息系統、生產監(jiān)控系統和生產決策系統的有機融合。
三、系統設計目標
力控科技污水處理廠監(jiān)控系統采用ForceControl系列監(jiān)控組態(tài)軟件，實現對PLC、儀表、變頻器等設備數據采集，以及對污水提升泵電機、閘門、電動\氣動閥門、粗\細格柵電機、鼓風機等設備的控制與管理。
污水處理現場數據采用GPRS/CDMA無線網絡、工業(yè)以太網、RS485總線等通訊方式經由力控I/O Server實現設備的實時數據快速采集。數據展示具有豐富的動態(tài)圖形、趨勢、報表等多種可視化途徑，可將現場視頻信息與實時采集數據、報警信息集成在同一畫面顯示。
SCADA系統能夠兼容各種不同廠家種類的硬件設備，方便系統改造升級，充分保護用戶初期投資并給用戶設備選型提供便利�？商峁┛旖莸姆治龉ぞ呤共僮魅藛T方便地完成數據存儲、查詢、分析、統計計算等操作，歷史數據能夠滿足設備管理、工藝分析、成本分析等需求，為統計計量部門提供真實、有效、及時、準確的數據依據，讓科學績效管理實現“有據可依”。
水務運營監(jiān)控管理系統，作為全廠信息化項目。將主要先啟動并實現以下功能：
●各水廠設備實時數據的采集、上傳及存儲；
●各生產裝置流程圖畫面、歷史趨勢、報警信息的監(jiān)控，并實現生產信息的整體觀察畫面；
●生產調度日報軟件的設計、開發(fā)、調試；
●自來水廠、供水及管網數字化分析、調度及決策。實現自來水廠、供水管網系統工況分析，保障供水及管網經濟合理運行，及時發(fā)現管網運行中存在的問題，建立事故應急處理和管理決策系統。
●能源管理系統，同工藝、同處理量污水廠和自來水廠能耗對比，及時發(fā)現能耗高原因，防止能源浪費，做到有效節(jié)能。
●大型設備管理系統，對大型水處理設備、重要儀表統一管理，提示維修人員及時更換備件、及時維護，延長大型設備、儀表的使用壽命。
四、實施方案
總體功能結構中，生產數據獲取是基礎部分，如果不能獲取現場的生產數據，也就談不上數據統計分析。同時，由于生產數據獲取要和生產現場的設備進行通訊，同時又不能影響現場的生產，因此必須設計更為穩(wěn)妥的方案。項目實施公司要擁有多年在控制系統領域的產品和服務經驗，對于控制系統數據獲取有較為成熟的方案，實現方案如下：
對系統的數據傳輸路由有兩種方式：
方式一、各污水廠通過工業(yè)安全防護網關采集污水廠工程師站的數據，向市調、省調、總部運營監(jiān)控管理系統分別主動上傳污水廠數據。
方式二、各污水廠通過工業(yè)安全防護網關采集污水廠工程師站的數據，數據送往市調度中心，市調度中心數據送省調度中心，省調度中心數據送總部運營監(jiān)控管理系統，逐級傳送數據。
中心服務器：集團總部的管理網中加兩臺冗余的實時數據服務器，此服務器的功能是將控制系統的數據進行接收、壓縮、計算、分析后存入數據庫，向管理網的其他用戶提供歷史數據及實時數據的查詢功能。系統不但要能滿足現階段的業(yè)務要求，而且要能滿足將來業(yè)務的增長和新技術發(fā)展的要求，要在原有設備繼續(xù)發(fā)揮作用的基礎上，保證用戶能方便地增加或調整設備，改善系統功能和性能，支持將來系統不斷更新和便于升級，從而保護原有投資。主機系統應具有良好的可擴展能力，滿足不同規(guī)模計算環(huán)境的要求，并且能提供多種升級途徑，給業(yè)務的不斷發(fā)展創(chuàng)造條件�？s放性是企業(yè)網結構要求中最重要的一個方面。企業(yè)業(yè)務的快速變化，用戶不可預測的需求都要求系統結構能適應這種情況。這就意味著我們在最初設計中，投資重點要放在一個可縮放的結構上以及支持它的相關的軟硬件。
Web服務器：遠程瀏覽：使用pSpace WEB SERVER或IIS等服務器的WEB發(fā)布功能，可以將整個煤礦系統的實時信息和歷史數據圖表發(fā)布到局域網和Internet上。
客戶端：實時顯示：pSpace Client\ForceControl等軟件以動態(tài)工藝流程圖、圖表趨勢等形式實時顯示各子系統信息；實時報警：系統數據庫提供分級報警、變化率報警、死區(qū)報警、優(yōu)先級報警等多種功能；歷史報警：數據庫支持報警記錄與查詢、支持關系數據庫的報警保存；事件查詢：保證相關人員實時掌握故障、報警信息、操作信息等的記錄和查詢；運行狀態(tài)統計與分析、生產管理、曲線分析。
省、市調度中心服務器：各省市調度中心設置獨立的實時數據庫服務器，功能是將控制系統的數據進行接收、壓縮、計算、分析后存入數據庫，向管理網的其他用戶提供歷史數據及實時數據的查詢功能。
數據采集：根據公司維護的每個污水廠的實際情況，從水廠操作站(工程師站) 通過pSafetylink（安全防護網關）以OPC標準進行數據交換，把數據送入中心冗余數據庫服務器，信息網絡與控制網絡實現互聯時，如何保證過程控制網絡的安全就變成了一個嚴峻的問題。一旦實現了信息網絡與控制網絡之間的互聯，就相當于將控制網絡直接暴露給外網而面臨被攻擊的可能。pSafetyLink是種專為工業(yè)網絡應用設計的防護設施，用于解決工業(yè)SCADA控制網絡如何安全接入信息網絡（外網）的問題。它與防火墻等網絡安全設備本質不同的地方是它阻斷網絡的直接連接，只完成特定工業(yè)應用數據的交換。由于沒有了網絡的連接，攻擊就沒有了載體，如同網絡的“物理隔離”。由于目前的安全技術，無論防火墻、UTM等防護系統都不能保證攻擊的一定阻斷，入侵檢測等監(jiān)控系統也不能保證入侵行為完全捕獲，所以最安全的方式就是物理的分開。對于有些工程師站不能授權OPC Server的，采用力控數據采集網關通過協議轉換，把采集數據主動送往相應的實時數據庫。
網絡系統：考慮到公司與被檢測對象的地理分布情況，本系統采用VPN的網絡模式或者集團專用網絡，組建大型網絡的應用。虛擬私有網絡VPN(Virtual Private Network)出現于Internet盛行的今天,它使企業(yè)網絡幾乎可以無限延伸到地球的每個角落,從而以安全、低廉的網絡互聯模式為包羅萬象的應用服務提供了發(fā)展的舞臺。
控制器：每個污水處理廠均采用可編程控制器PLC來實現邏輯控制功能，其先進、高度緊湊的模塊化特點，可以滿足各種現場控制需求，大大提高了整個自動化系統的智能性。
系統架構圖如下所示：
五、工藝簡介
下面以典型污水廠為例，簡要介紹污水處理工藝流程。該污水處理廠是被國家列入“三河三湖”、“渤海碧海”水污染治理的重點項目。日處理污水能力達到4萬噸，污水處理后可達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準，排放水質可直接用于農田灌溉。初步污水處理工藝采用MSBR工藝即序批式活性污泥處理工藝；污泥處理工藝推薦采用帶式濃縮、脫水一體機濃縮脫水；消毒工藝采用紫外線消毒。污水經處理后作為中水排入附近深化處理塘進行自然凈化，最終全部回用。該項目投入運營后，每年可以減少近千萬噸的污水排放量，不僅可大大改善該縣城區(qū)居民的居住環(huán)境，而且對改善該縣及周邊地區(qū)的海域水質起到關鍵性的作用，對縣域經濟社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
系統以美觀、友好的界面顯示設備運行狀態(tài)、流量、水位、COD、超聲波液位計、溶解氧計、氧化還原電位計、污泥濃度計、電磁流量計、等數據，并以仿真圖、直方圖和曲線圖、棒圖等多種方式清晰直觀的顯示各個敏感數據，方便用戶對各敏感數據進行歷史查詢和對比分析。
系統具備多種報警功能。當有報警產生時，系統會有自動彈出式報警窗口進行閃爍報警，并同時配以聲音報警對用戶具有強烈警示作用。
系統具備多種數據錄入方式。用戶可根據自己的需要，自由設置各水位、流量、壓力等敏感數據的高高報警值、高位報警值、低位報警值、低低報警值，并可設置開關量狀態(tài)等數據。
下圖所示為污水處理廠典型工藝流程：
5.1粗格柵間
爬式粗格柵，進水經過粗格柵間過濾一些大的固體雜質，去除那些可能對水泵有影響的無機物。需要監(jiān)測格柵水位差、進水流量、進水酸堿度、進水COD、提升泵狀態(tài)等參數。
工藝流程如下圖所示：
5.2細格柵間
細格柵的間距比粗格柵小，為
5.3 SBR反應池
SBR工藝即序批式活性污泥法，污水的曝氣、沉淀等單元操作在單一生物池中按照時間有序反復進行。根據污水進水方式、有機物負荷范圍、生物池形狀等的不同存在不同的改良方式。需要檢測液位、溶解氧、污泥濃度、閥門、泵狀態(tài)等參數。
5.4鼓風機房
鼓風機房負責對反應池進行鼓風曝氣，該鼓風機房設置3臺鼓風機，兩用一備。需要檢測閥門、鼓風機狀態(tài)等參數。
5.5加氯間及接觸消毒池
污水出廠前采用液氯消毒，經接觸池后出水由管道排向大海。需要監(jiān)測加氯機狀態(tài)、氯氣濃度、氧氣濃度、出水流量、出水cod、電子秤重量、濁度等參數。
5.6脫水機房
先加藥劑絮凝，攪拌使污泥沉降，沉降的污泥經帶式壓濾機脫水，并壓成泥餅，經螺旋輸送機送至污泥堆外運。污泥沉淀后的上清液在輸送到反應池反應，進一步去除其中的N，P物質，同時，在污泥脫水間外設沖洗加壓水泵。需要監(jiān)測污泥的流量、脫水機狀態(tài)等參數
六、水務集團中心運營調度管理
水務集團遠程運營績效管理中心采用力控大型SCADA軟件以B/S、C/S混合模式友好直觀的顯示界面，實現生產工藝圖形化實時監(jiān)視，各種能耗實時顯示；同時系統對污水處理廠最為關注的節(jié)能降耗問題進行了針對性設計，采用多種科學手段進行最優(yōu)化控制，如：進行泵站機組聯編控制、優(yōu)化調度，降低能耗，延長機組使用壽命；自動分析水質數據情況，計算合適的用藥比例，節(jié)約用藥成本；曝氣池溶解氧濃度的穩(wěn)定控制，降低曝氣系統能耗等。
實現對設備和備件等資產實現全面的維修、養(yǎng)護、庫存管理，對資產變動過程進行跟蹤和記錄。提供完善的各類報表。設備(儀表)養(yǎng)護流程、設備(儀表)維修計劃、設備潤滑計劃等完全自動化管理。實現了對生產設備的科學化、規(guī)范化、信息化的管理，延長了設備使用壽命和提高了設備的使用效率。
系統能通過內嵌的能源計量管理模塊和生產計劃模塊自動對生產的運營直接成本和綜合成本進行分析比較，協助管理人員找出能夠實現效益優(yōu)化的生產管理方案。并可根據使用方提供的算法模型隨時自定義生成和系統結合的多種智能輔助分析工具。
優(yōu)化調度，節(jié)能降耗：針對生產運行中能耗重點單元（泵房、曝氣池、加藥系統等），提供專家性優(yōu)化調度方案。提高處理效率，系統實現節(jié)能降耗。
系統可自動采集，統計分析報表自動生成，預置流程數據報送，同時可根據使用者要求進行生產報表報送流程自定義，可根據用戶權限隨時進行任意格式數據報表導出，為管理決策隨時提供第一手資料，同時極大緩解人力勞動，減少企業(yè)人力成本
七、總結
通過整套信息管理調度系統，調度中心可實時獲取各個分廠數據，力控SCADA軟件平臺的運用保證了數據的及時性，準確性，減少了以往人為統計所帶來的誤差和失誤。同時隨著自動化系統的投入運行，減少了大量人力支出，為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了有力保障。
未來水處理控制系統將是集計算機技術、信息技術、自動化技術、網絡技術、智能化于一體的系統。水處理工業(yè)自動化控制的網絡化作業(yè)、智能化作業(yè)將成為未來發(fā)展的主導優(yōu)勢。
