力控科技污水處理調(diào)度系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(tǒng)的設計與實施，詳細介紹了力控科技產(chǎn)品在該系統(tǒng)中的功能與應用。
關鍵詞：力控,SCADA，調(diào)度平臺，ForceControl，監(jiān)控組態(tài)軟件，污水處理，實時數(shù)據(jù)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(zhì)量發(fā)揮了重大作用。
二、現(xiàn)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(tǒng)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(diào)度中心還沒有具備完善的整體調(diào)度管理系統(tǒng)，無法實現(xiàn)生產(chǎn)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(xiàn)場的分析，需要在集團總部設總調(diào)度中心，從而監(jiān)管全國污水處理廠的運行情況，實現(xiàn)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(xiàn)城市污水處理信息化需要將所有底層現(xiàn)場的電氣控制、過程控制、運動控制和數(shù)以萬計的儀器儀表測試系統(tǒng)都高度、有機地融合在綜合自動化網(wǎng)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(shù)據(jù)全部集成，再不是過去的PLC、DCS、FCS的自動化孤島，實現(xiàn)管理信息系統(tǒng)、生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)和生產(chǎn)決策系統(tǒng)的有機融合。
三、系統(tǒng)設計目標
力控科技污水處理廠監(jiān)控系統(tǒng)采用ForceControl系列監(jiān)控組態(tài)軟件，實現(xiàn)對PLC、儀表、變頻器等設備數(shù)據(jù)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(xiàn)場數(shù)據(jù)采用GPRS/CDMA無線網(wǎng)絡、工業(yè)以太網(wǎng)、RS485總線等通訊方式經(jīng)由力控I/O Server實現(xiàn)設備的實時數(shù)據(jù)快速采集。數(shù)據(jù)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(xiàn)場視頻信息與實時采集數(shù)據(jù)、報警信息集成在同一畫面顯示。
SCADA系統(tǒng)能夠兼容各種不同廠家種類的硬件設備，方便系統(tǒng)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(shù)據(jù)存儲、查詢、分析、統(tǒng)計計算等操作，歷史數(shù)據(jù)能夠滿足設備管理、工藝分析、成本分析等需求，為統(tǒng)計計量部門提供真實、有效、及時、準確的數(shù)據(jù)依據(jù)，讓科學績效管理實現(xiàn)“有據(jù)可依”。
水務運營監(jiān)控管理系統(tǒng)，作為全廠信息化項目。將主要先啟動并實現(xiàn)以下功能：
●各水廠設備實時數(shù)據(jù)的采集、上傳及存儲；
●各生產(chǎn)裝置流程圖畫面、歷史趨勢、報警信息的監(jiān)控，并實現(xiàn)生產(chǎn)信息的整體觀察畫面；
●生產(chǎn)調(diào)度日報軟件的設計、開發(fā)、調(diào)試；
●自來水廠、供水及管網(wǎng)數(shù)字化分析、調(diào)度及決策。實現(xiàn)自來水廠、供水管網(wǎng)系統(tǒng)工況分析，保障供水及管網(wǎng)經(jīng)濟合理運行，及時發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)運行中存在的問題，建立事故應急處理和管理決策系統(tǒng)。
●能源管理系統(tǒng)，同工藝、同處理量污水廠和自來水廠能耗對比，及時發(fā)現(xiàn)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(tǒng)，對大型水處理設備、重要儀表統(tǒng)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(chǎn)數(shù)據(jù)獲取是基礎部分，如果不能獲取現(xiàn)場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，也就談不上數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。同時，由于生產(chǎn)數(shù)據(jù)獲取要和生產(chǎn)現(xiàn)場的設備進行通訊，同時又不能影響現(xiàn)場的生產(chǎn)，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(tǒng)領域的產(chǎn)品和服務經(jīng)驗，對于控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取有較為成熟的方案，實現(xiàn)方案如下：
對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(wǎng)關采集污水廠工程師站的數(shù)據(jù)，向市調(diào)、省調(diào)、總部運營監(jiān)控管理系統(tǒng)分別主動上傳污水廠數(shù)據(jù)。
方式二、各污水廠通過工業(yè)安全防護網(wǎng)關采集污水廠工程師站的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)送往市調(diào)度中心，市調(diào)度中心數(shù)據(jù)送省調(diào)度中心，省調(diào)度中心數(shù)據(jù)送總部運營監(jiān)控管理系統(tǒng)，逐級傳送數(shù)據(jù)。
中心服務器：集團總部的管理網(wǎng)中加兩臺冗余的實時數(shù)據(jù)服務器，此服務器的功能是將控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行接收、壓縮、計算、分析后存入數(shù)據(jù)庫，向管理網(wǎng)的其他用戶提供歷史數(shù)據(jù)及實時數(shù)據(jù)的查詢功能。系統(tǒng)不但要能滿足現(xiàn)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(diào)整設備，改善系統(tǒng)功能和性能，支持將來系統(tǒng)不斷更新和便于升級，從而保護原有投資。主機系統(tǒng)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。縮放性是企業(yè)網(wǎng)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(tǒng)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(tǒng)的實時信息和歷史數(shù)據(jù)圖表發(fā)布到局域網(wǎng)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(tǒng)信息；實時報警：系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫支持報警記錄與查詢、支持關系數(shù)據(jù)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(tǒng)計與分析、生產(chǎn)管理、曲線分析。
省、市調(diào)度中心服務器：各省市調(diào)度中心設置獨立的實時數(shù)據(jù)庫服務器，功能是將控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行接收、壓縮、計算、分析后存入數(shù)據(jù)庫，向管理網(wǎng)的其他用戶提供歷史數(shù)據(jù)及實時數(shù)據(jù)的查詢功能。
數(shù)據(jù)采集：根據(jù)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(wǎng)關）以OPC標準進行數(shù)據(jù)交換，把數(shù)據(jù)送入中心冗余數(shù)據(jù)庫服務器，信息網(wǎng)絡與控制網(wǎng)絡實現(xiàn)互聯(lián)時，如何保證過程控制網(wǎng)絡的安全就變成了一個嚴峻的問題。一旦實現(xiàn)了信息網(wǎng)絡與控制網(wǎng)絡之間的互聯(lián)，就相當于將控制網(wǎng)絡直接暴露給外網(wǎng)而面臨被攻擊的可能。pSafetyLink是種專為工業(yè)網(wǎng)絡應用設計的防護設施，用于解決工業(yè)SCADA控制網(wǎng)絡如何安全接入信息網(wǎng)絡（外網(wǎng)）的問題。它與防火墻等網(wǎng)絡安全設備本質(zhì)不同的地方是它阻斷網(wǎng)絡的直接連接，只完成特定工業(yè)應用數(shù)據(jù)的交換。由于沒有了網(wǎng)絡的連接，攻擊就沒有了載體，如同網(wǎng)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(tǒng)都不能保證攻擊的一定阻斷，入侵檢測等監(jiān)控系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集網(wǎng)關通過協(xié)議轉(zhuǎn)換，把采集數(shù)據(jù)主動送往相應的實時數(shù)據(jù)庫。
網(wǎng)絡系統(tǒng)：考慮到公司與被檢測對象的地理分布情況，本系統(tǒng)采用VPN的網(wǎng)絡模式或者集團專用網(wǎng)絡，組建大型網(wǎng)絡的應用。虛擬私有網(wǎng)絡VPN(Virtual Private Network)出現(xiàn)于Internet盛行的今天,它使企業(yè)網(wǎng)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(wǎng)絡互聯(lián)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(xiàn)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(xiàn)場控制需求，大大提高了整個自動化系統(tǒng)的智能性。
系統(tǒng)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(zhì)可直接用于農(nóng)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(jīng)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(zhì)起到關鍵性的作用，對縣域經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
系統(tǒng)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，方便用戶對各敏感數(shù)據(jù)進行歷史查詢和對比分析。
系統(tǒng)具備多種報警功能。當有報警產(chǎn)生時，系統(tǒng)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(tǒng)具備多種數(shù)據(jù)錄入方式。用戶可根據(jù)自己的需要，自由設置各水位、流量、壓力等敏感數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。
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(jīng)過粗格柵間過濾一些大的固體雜質(zhì)，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(shù)。
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(jù)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(shù)。
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(shù)。
5.5加氯間及接觸消毒池
污水出廠前采用液氯消毒，經(jīng)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(shù)。
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(jīng)帶式壓濾機脫水，并壓成泥餅，經(jīng)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(zhì)，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(shù)
六、水務集團中心運營調(diào)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(xiàn)生產(chǎn)工藝圖形化實時監(jiān)視，各種能耗實時顯示；同時系統(tǒng)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(lián)編控制、優(yōu)化調(diào)度，降低能耗，延長機組使用壽命；自動分析水質(zhì)數(shù)據(jù)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(tǒng)能耗等。
實現(xiàn)對設備和備件等資產(chǎn)實現(xiàn)全面的維修、養(yǎng)護、庫存管理，對資產(chǎn)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(xiàn)了對生產(chǎn)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(tǒng)能通過內(nèi)嵌的能源計量管理模塊和生產(chǎn)計劃模塊自動對生產(chǎn)的運營直接成本和綜合成本進行分析比較，協(xié)助管理人員找出能夠?qū)崿F(xiàn)效益優(yōu)化的生產(chǎn)管理方案。并可根據(jù)使用方提供的算法模型隨時自定義生成和系統(tǒng)結合的多種智能輔助分析工具。
優(yōu)化調(diào)度，節(jié)能降耗：針對生產(chǎn)運行中能耗重點單元（泵房、曝氣池、加藥系統(tǒng)等），提供專家性優(yōu)化調(diào)度方案。提高處理效率，系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能降耗。
系統(tǒng)可自動采集，統(tǒng)計分析報表自動生成，預置流程數(shù)據(jù)報送，同時可根據(jù)使用者要求進行生產(chǎn)報表報送流程自定義，可根據(jù)用戶權限隨時進行任意格式數(shù)據(jù)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(diào)度系統(tǒng)，調(diào)度中心可實時獲取各個分廠數(shù)據(jù)，力控SCADA軟件平臺的運用保證了數(shù)據(jù)的及時性，準確性，減少了以往人為統(tǒng)計所帶來的誤差和失誤。同時隨著自動化系統(tǒng)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(tǒng)將是集計算機技術、信息技術、自動化技術、網(wǎng)絡技術、智能化于一體的系統(tǒng)。水處理工業(yè)自動化控制的網(wǎng)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。
