摘要:SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）系統(tǒng)是目前絕大多數(shù)污水處理廠實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理的控制技術(shù)，本文以已投入運(yùn)營(yíng)的珠海拱北污水處理廠為例，論述了SCADA技術(shù)在污水處理廠中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:污水處理廠;數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）；可編程邏輯控制器（PLC）

SCADA（Supervisory Control and Data Acqui-sition）系統(tǒng)（即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)），應(yīng)用領(lǐng)域很廣，它可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域。近幾年來，隨著我國(guó)對(duì)污水治理力度的加大，興建了許多污水處理廠，同時(shí)引進(jìn)了國(guó)外先進(jìn)的工藝和設(shè)備，污水凈化工程的儀表化、自動(dòng)化有了迅速的發(fā)展。

在現(xiàn)代化的城市污水凈化廠中，自動(dòng)化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)工藝要求，維持設(shè)備正常運(yùn)行，提高工作效率的重要保證，其可將全廠的工藝、設(shè)備連成一個(gè)統(tǒng)一的整體，協(xié)調(diào)運(yùn)行。

污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)污水處理廠現(xiàn)代化處理和現(xiàn)代化管理的必要條件，是提高污水處理效果、安全可靠生產(chǎn)、降低藥耗、降低能耗、取得較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的必要手段。而SCADA系統(tǒng)是目前絕大多數(shù)污水處理廠使用的控制技術(shù)，本文以已設(shè)計(jì)完成的珠海拱北污水處理廠為例，論述了SCADA控制技術(shù)在污水處理廠中的應(yīng)用。

1  概況

珠海市拱北污水處理廠始建于1985年，總占地面積15.8公頃，規(guī)劃總處理量為11萬噸/日，服務(wù)面積2200公頃，服務(wù)人口約22萬。主要處理拱北、前山片區(qū)內(nèi)的城市污水。該廠建設(shè)分成三期工程完成，其中一期工程于1992年2月投入運(yùn)行；二期工程于1998年4月投入運(yùn)行；三期工程于2002年8月投入運(yùn)行。一、二期工程的處理工藝相同，均為傳統(tǒng)活性污泥法工藝。由于能耗大，工藝落后，現(xiàn)已進(jìn)行改造擴(kuò)建?，F(xiàn)在運(yùn)行的是三期工程，全套工程引進(jìn)意大利EMIT公司的技術(shù)，包括SCADA控制系統(tǒng)。三期工程的處理工藝采用AAO生物除磷脫氮工藝，鼓風(fēng)曝氣，設(shè)計(jì)規(guī)模為8萬噸/日，占地8.3公頃。該工藝是改良的AAO工藝，與典型的AAO工藝所不同的是：構(gòu)筑物在空間上沒有嚴(yán)格分開，且在生物池內(nèi)缺氧與好氧（即硝化與反硝化）多重復(fù)一次，從而取代了AAO典型工藝中的內(nèi)回流系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是生物系統(tǒng)，整個(gè)生物系統(tǒng)流程見圖1。

2  SCADA系統(tǒng)的控制方式及特點(diǎn)

拱北污水處理廠SCADA系統(tǒng)的主要控制方式是：在污水處理廠中心控制室集中對(duì)全廠各種設(shè)備和生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視和控制，污水處理過程工藝參數(shù)和設(shè)備的狀態(tài)在上位機(jī)上顯示。各設(shè)備均可按下列三種方式控制，即就地手動(dòng)控制、分控站PLC控制、水廠集中控制。控制室具有自動(dòng)／遠(yuǎn)程手動(dòng)控制（遙控）兩種方式。這種控制方式具有集中管理，分散控制的特點(diǎn)，可靠性較高，維護(hù)也方便。

（1）就地手動(dòng)控制

在就地通過控制箱或柜上的按鈕或控制器對(duì)設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)控制。

（2）控站控制

各分控站PLC執(zhí)行自己的控制程序，處理該站現(xiàn)場(chǎng)I／O信號(hào)。在與控制室脫機(jī)或通信出現(xiàn)故障時(shí)，各分控站能獨(dú)立利用自己的PLC進(jìn)行控制以及保持PLC之間的通訊。

（3）廠中心控制室集中控制

中心控制室能對(duì)全廠生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制和數(shù)據(jù)處理，對(duì)所控設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)或鍵盤（或鼠標(biāo)）控制，可打印生成全廠的各種報(bào)表和曲線。方便污水處理廠的操作并完善管理。污水處理廠的SCADA系統(tǒng)有著區(qū)別于其他工業(yè)場(chǎng)合的特點(diǎn)，拱北污水處理廠SCADA系統(tǒng)根據(jù)其特點(diǎn)采用了以下相應(yīng)的解決措施：

1）一般污水處理廠的占地都較大，且設(shè)備分散，因此需要借助于遠(yuǎn)程通訊將數(shù)據(jù)傳至中心控制室。該廠采用了ControlNet冗余網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，連接各個(gè)分控站的PLC。ControlNet可以保持可重復(fù)的響應(yīng)，與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備消息傳遞及編程無關(guān)，甚至與增加節(jié)點(diǎn)也無關(guān)。Con-trolNet的速度與節(jié)點(diǎn)數(shù)、介質(zhì)和中繼器均無關(guān)，因此非常適合污水處理廠分站節(jié)點(diǎn)多、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。ControlNet網(wǎng)具有很好的診斷和排錯(cuò)功能，再加上網(wǎng)絡(luò)冗余，可靠性非常高。

2）因?yàn)樵O(shè)備分布距離遠(yuǎn)，而且分散，有些現(xiàn)場(chǎng)的操作環(huán)境相對(duì)惡劣，所以參與程控的設(shè)備除了按既定的邏輯程序工作運(yùn)行外，根據(jù)工藝狀況，有時(shí)候需要在控制室內(nèi)對(duì)設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的遠(yuǎn)程控制，即中控室可以遠(yuǎn)程直接控制遠(yuǎn)端的設(shè)備。

3）由于污水處理具有持續(xù)不斷性，因此設(shè)備工作時(shí)間相對(duì)比較長(zhǎng)，同時(shí)設(shè)備的工作環(huán)境又相對(duì)惡劣，所以了解設(shè)備的工作時(shí)間和狀況就顯得尤其重要。因此在報(bào)表內(nèi)容里有設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、起停次數(shù)等參數(shù)的歷史記錄。

4）污水處理的過程，特別是生化反應(yīng)過程是一個(gè)較為復(fù)雜且時(shí)間較長(zhǎng)的過程，同時(shí)與其相關(guān)的參數(shù)也比較多。通常在調(diào)試過程中，季節(jié)轉(zhuǎn)換時(shí)和外部水源發(fā)生較大變化時(shí)，參數(shù)的設(shè)定都需要作較大的調(diào)整，這一點(diǎn)與其他工藝過程相對(duì)穩(wěn)定的系統(tǒng)不一樣，因此程序編制時(shí)應(yīng)給予工作人員較大的調(diào)整余地和更多的可以干預(yù)生產(chǎn)過程的切入口。

5）在污水處理的成本中，電耗是一大項(xiàng)，要有效地控制成本，如何節(jié)約電費(fèi)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。拱北廠三期項(xiàng)目的用電成本占污水處理成本的50％左右，而生物池鼓風(fēng)機(jī)的用電量占總用電量的60％左右。所以，鼓風(fēng)機(jī)的曝氣控制對(duì)污水處理成本至關(guān)重要。設(shè)計(jì)曝氣系統(tǒng)時(shí)，引入了“前饋+后饋+模型”組合的多參數(shù)控制方式，可大大減少鼓風(fēng)機(jī)的耗電量。其系統(tǒng)原理如圖2所示。

3  SCADA系統(tǒng)控制模型

溶解氧是影響生物處理過程的首要因素，污水處理效果很大程度上取決于溶解氧的控制水平。溶解氧是快速時(shí)標(biāo)變量，其動(dòng)力學(xué)特性是非線性和時(shí)變的，因此在污水處理過程中，溶解氧受到諸多因素影響。傳統(tǒng)的PID控制策略無法及時(shí)準(zhǔn)確地應(yīng)對(duì)各種擾動(dòng)的影響，要達(dá)到精確控制就必須建立可靠的控制模型。從圖2可以看出，系統(tǒng)主要從進(jìn)水分控站引入進(jìn)水流量信號(hào)和水質(zhì)信號(hào)（水質(zhì)信號(hào)主要是SS濁度、pH和COD），使曝氣系統(tǒng)及時(shí)隨進(jìn)水水質(zhì)和水量的變化而對(duì)系統(tǒng)供氧量作出響應(yīng)；從污泥分控站獲取污泥的重要信息，判斷出水水質(zhì)處理情況，從而進(jìn)一步對(duì)曝氣系統(tǒng)作出有效的調(diào)節(jié)。溶解氧控制擾動(dòng)越小、越精確，生化系統(tǒng)的平衡性控制就越好，水質(zhì)處理就可達(dá)到一個(gè)最佳、最經(jīng)濟(jì)的工藝狀態(tài)。

拱北污水處理廠三期SCADA系統(tǒng)的PLC分站采用Controllogix5000系列的產(chǎn)品，上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控軟件采用RSView32組態(tài)軟件，通訊網(wǎng)絡(luò)為ControlNet冗余網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)儀表大多數(shù)都是采用穩(wěn)定性、可靠性好的著名品牌的產(chǎn)品。其系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖3。

從圖3中可以看出，上位機(jī)數(shù)據(jù)采集A站和B站雙機(jī)熱備，互為冗余，分別處理數(shù)據(jù)（如量程轉(zhuǎn)換、趨勢(shì)顯示分析、報(bào)警、計(jì)算、事件記錄、歷史存儲(chǔ)、執(zhí)行用戶腳本等）并生成相關(guān)的數(shù)據(jù)報(bào)表。上位機(jī)數(shù)據(jù)采集站也是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，如用文字、動(dòng)畫顯示現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)，并可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的開關(guān)、閥門等設(shè)備進(jìn)行操作。下位機(jī)PLC分站主要實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（包括粗格柵、提升泵、細(xì)格柵、曝氣設(shè)備、水質(zhì)分析儀表等）的數(shù)據(jù)采集，并實(shí)現(xiàn)部分設(shè)備的邏輯控制，如提升泵房的液位控制、生化系統(tǒng)的曝氣控制、脫水設(shè)備的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制等。這種設(shè)計(jì)方案在早期運(yùn)用的比較多，組態(tài)相對(duì)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳輸可靠性和實(shí)時(shí)性較好。但是隨著對(duì)數(shù)據(jù)處理要求的提高，這種設(shè)計(jì)方案已逐漸被淘汰，現(xiàn)正在做C/S（客戶/服務(wù)）結(jié)構(gòu)的改造，改造后的方案如圖4。

改造后，所有的分站數(shù)據(jù)，包括擴(kuò)建工程的分站數(shù)據(jù)都通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集服務(wù)端。數(shù)據(jù)服務(wù)端采集分站數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。這里需要特別說明的是，由于所選用的網(wǎng)絡(luò)具有透明性，數(shù)據(jù)服務(wù)器可以直接訪問ControlNet網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)分站，擴(kuò)建后任意工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)點(diǎn)上的分站和ControlNet網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)結(jié)點(diǎn)也可以互相通訊。數(shù)據(jù)采集客戶端從服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫訪問數(shù)據(jù)，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有分站的監(jiān)控。

由于服務(wù)器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可滿足擴(kuò)建后的大量數(shù)據(jù)處理和管理升級(jí)，又可使新舊項(xiàng)目成為一個(gè)有機(jī)整體，真正實(shí)現(xiàn)全廠集中管理、分散控制的控制管理目標(biāo)。

4  結(jié)語

近年來，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保監(jiān)控力度的加大和節(jié)能降耗要求的提高，對(duì)城市污水處理廠自動(dòng)化管理程度的要求也越來越高。同時(shí)要求污水處理廠部分重要數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)WEB的實(shí)時(shí)發(fā)布，便于政府和社會(huì)對(duì)公共環(huán)保行業(yè)的監(jiān)督。這樣就對(duì)污水處理廠SCADA系統(tǒng)提出了更高的要求。管理平臺(tái)的升級(jí)必然要求SCADA系統(tǒng)在技術(shù)上進(jìn)行改良，特別是在開放性、安全性上滿足跨平臺(tái)管理，多用戶多層次的數(shù)據(jù)訪問及信息共享的需求。

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