力控科技污水处理调度系统解决方案
作者：北京三维力控科技有限公司 董黎芳
摘要：随着计算机技术的发展和我国污水处理工程的迅速发展，对污水处理的过程的自动化程度要求也在不断提高。同时因为污水处理也是环境保护中的最重要的一环，污水处理的达标合格性和环境保护密切相关，对污水处理的数据的监控工作也开始提上了日程。本方案结合污水水务运营监控管理系统的设计与实施，详细介绍了力控科技产品在该系统中的功能与应用。
关键词：力控,SCADA，调度平台，ForceControl，监控组态软件，污水处理，实时数据库
一、概述
城市污水处理厂建设作为城市环境污染防治的重要措施和手段之一，越来越受到政府和社会各界的高度重视。近几年来，我国政府加大了城市污水处理基础设施建设的投资力度，对改善和提高城市区域水环境质量发挥了重大作用。
二、现状与需求
目前集团下属的污水处理厂基本上都完成了厂级自控系统的升级改造，配备了监控组态软件及自控设备来维持着水厂的基本运营，但是集团调度中心还没有具备完善的整体调度管理系统，无法实现生产过程管理信息的实时全覆盖和工艺流程可视化，也无法满足优化资源分配，科学绩效管理的需求。
通过对污水处理厂现场的分析，需要在集团总部设总调度中心，从而监管全国污水处理厂的运行情况，实现对分布在全国各地的污水处理厂的整体管理，运营部人员可以实时的了解到全国各地的污水处理情况，实时掌握污水处理的第一手资料。
因此想要实现城市污水处理信息化需要将所有底层现场的电气控制、过程控制、运动控制和数以万计的仪器仪表测试系统都高度、有机地融合在综合自动化网络上。从自动化控制和生态管理到企业全方位管理的信息数据全部集成，再不是过去的PLC、DCS、FCS的自动化孤岛，实现管理信息系统、生产监控系统和生产决策系统的有机融合。
三、系统设计目标
力控科技污水处理厂监控系统采用ForceControl系列监控组态软件，实现对PLC、仪表、变频器等设备数据采集，以及对污水提升泵电机、闸门、电动\气动阀门、粗\细格栅电机、鼓风机等设备的控制与管理。
污水处理现场数据采用GPRS/CDMA无线网络、工业以太网、RS485总线等通讯方式经由力控I/O Server实现设备的实时数据快速采集。数据展示具有丰富的动态图形、趋势、报表等多种可视化途径，可将现场视频信息与实时采集数据、报警信息集成在同一画面显示。
SCADA系统能够兼容各种不同厂家种类的硬件设备，方便系统改造升级，充分保护用户初期投资并给用户设备选型提供便利。可提供快捷的分析工具使操作人员方便地完成数据存储、查询、分析、统计计算等操作，历史数据能够满足设备管理、工艺分析、成本分析等需求，为统计计量部门提供真实、有效、及时、准确的数据依据，让科学绩效管理实现“有据可依”。
水务运营监控管理系统，作为全厂信息化项目。将主要先启动并实现以下功能：
●各水厂设备实时数据的采集、上传及存储；
●各生产装置流程图画面、历史趋势、报警信息的监控，并实现生产信息的整体观察画面；
●生产调度日报软件的设计、开发、调试；
●自来水厂、供水及管网数字化分析、调度及决策。实现自来水厂、供水管网系统工况分析，保障供水及管网经济合理运行，及时发现管网运行中存在的问题，建立事故应急处理和管理决策系统。
●能源管理系统，同工艺、同处理量污水厂和自来水厂能耗对比，及时发现能耗高原因，防止能源浪费，做到有效节能。
●大型设备管理系统，对大型水处理设备、重要仪表统一管理，提示维修人员及时更换备件、及时维护，延长大型设备、仪表的使用寿命。
四、实施方案
总体功能结构中，生产数据获取是基础部分，如果不能获取现场的生产数据，也就谈不上数据统计分析。同时，由于生产数据获取要和生产现场的设备进行通讯，同时又不能影响现场的生产，因此必须设计更为稳妥的方案。项目实施公司要拥有多年在控制系统领域的产品和服务经验，对于控制系统数据获取有较为成熟的方案，实现方案如下：
对系统的数据传输路由有两种方式：
方式一、各污水厂通过工业安全防护网关采集污水厂工程师站的数据，向市调、省调、总部运营监控管理系统分别主动上传污水厂数据。
方式二、各污水厂通过工业安全防护网关采集污水厂工程师站的数据，数据送往市调度中心，市调度中心数据送省调度中心，省调度中心数据送总部运营监控管理系统，逐级传送数据。
中心服务器：集团总部的管理网中加两台冗余的实时数据服务器，此服务器的功能是将控制系统的数据进行接收、压缩、计算、分析后存入数据库，向管理网的其他用户提供历史数据及实时数据的查询功能。系统不但要能满足现阶段的业务要求，而且要能满足将来业务的增长和新技术发展的要求，要在原有设备继续发挥作用的基础上，保证用户能方便地增加或调整设备，改善系统功能和性能，支持将来系统不断更新和便于升级，从而保护原有投资。主机系统应具有良好的可扩展能力，满足不同规模计算环境的要求，并且能提供多种升级途径，给业务的不断发展创造条件。缩放性是企业网结构要求中最重要的一个方面。企业业务的快速变化，用户不可预测的需求都要求系统结构能适应这种情况。这就意味着我们在最初设计中，投资重点要放在一个可缩放的结构上以及支持它的相关的软硬件。
Web服务器：远程浏览：使用pSpace WEB SERVER或IIS等服务器的WEB发布功能，可以将整个煤矿系统的实时信息和历史数据图表发布到局域网和Internet上。
客户端：实时显示：pSpace Client\ForceControl等软件以动态工艺流程图、图表趋势等形式实时显示各子系统信息；实时报警：系统数据库提供分级报警、变化率报警、死区报警、优先级报警等多种功能；历史报警：数据库支持报警记录与查询、支持关系数据库的报警保存；事件查询：保证相关人员实时掌握故障、报警信息、操作信息等的记录和查询；运行状态统计与分析、生产管理、曲线分析。
省、市调度中心服务器：各省市调度中心设置独立的实时数据库服务器，功能是将控制系统的数据进行接收、压缩、计算、分析后存入数据库，向管理网的其他用户提供历史数据及实时数据的查询功能。
数据采集：根据公司维护的每个污水厂的实际情况，从水厂操作站(工程师站) 通过pSafetylink（安全防护网关）以OPC标准进行数据交换，把数据送入中心冗余数据库服务器，信息网络与控制网络实现互联时，如何保证过程控制网络的安全就变成了一个严峻的问题。一旦实现了信息网络与控制网络之间的互联，就相当于将控制网络直接暴露给外网而面临被攻击的可能。pSafetyLink是种专为工业网络应用设计的防护设施，用于解决工业SCADA控制网络如何安全接入信息网络（外网）的问题。它与防火墙等网络安全设备本质不同的地方是它阻断网络的直接连接，只完成特定工业应用数据的交换。由于没有了网络的连接，攻击就没有了载体，如同网络的“物理隔离”。由于目前的安全技术，无论防火墙、UTM等防护系统都不能保证攻击的一定阻断，入侵检测等监控系统也不能保证入侵行为完全捕获，所以最安全的方式就是物理的分开。对于有些工程师站不能授权OPC Server的，采用力控数据采集网关通过协议转换，把采集数据主动送往相应的实时数据库。
网络系统：考虑到公司与被检测对象的地理分布情况，本系统采用VPN的网络模式或者集团专用网络，组建大型网络的应用。虚拟私有网络VPN(Virtual Private Network)出现于Internet盛行的今天,它使企业网络几乎可以无限延伸到地球的每个角落,从而以安全、低廉的网络互联模式为包罗万象的应用服务提供了发展的舞台。
控制器：每个污水处理厂均采用可编程控制器PLC来实现逻辑控制功能，其先进、高度紧凑的模块化特点，可以满足各种现场控制需求，大大提高了整个自动化系统的智能性。
系统架构图如下所示：
五、工艺简介
下面以典型污水厂为例，简要介绍污水处理工艺流程。该污水处理厂是被国家列入“三河三湖”、“渤海碧海”水污染治理的重点项目。日处理污水能力达到4万吨，污水处理后可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准，排放水质可直接用于农田灌溉。初步污水处理工艺采用MSBR工艺即序批式活性污泥处理工艺；污泥处理工艺推荐采用带式浓缩、脱水一体机浓缩脱水；消毒工艺采用紫外线消毒。污水经处理后作为中水排入附近深化处理塘进行自然净化，最终全部回用。该项目投入运营后，每年可以减少近千万吨的污水排放量，不仅可大大改善该县城区居民的居住环境，而且对改善该县及周边地区的海域水质起到关键性的作用，对县域经济社会的可持续发展具有重要意义。
系统以美观、友好的界面显示设备运行状态、流量、水位、COD、超声波液位计、溶解氧计、氧化还原电位计、污泥浓度计、电磁流量计、等数据，并以仿真图、直方图和曲线图、棒图等多种方式清晰直观的显示各个敏感数据，方便用户对各敏感数据进行历史查询和对比分析。
系统具备多种报警功能。当有报警产生时，系统会有自动弹出式报警窗口进行闪烁报警，并同时配以声音报警对用户具有强烈警示作用。
系统具备多种数据录入方式。用户可根据自己的需要，自由设置各水位、流量、压力等敏感数据的高高报警值、高位报警值、低位报警值、低低报警值，并可设置开关量状态等数据。
下图所示为污水处理厂典型工艺流程：
5.1粗格栅间
爬式粗格栅，进水经过粗格栅间过滤一些大的固体杂质，去除那些可能对水泵有影响的无机物。需要监测格栅水位差、进水流量、进水酸碱度、进水COD、提升泵状态等参数。
工艺流程如下图所示：
5.2细格栅间
细格栅的间距比粗格栅小，为
5.3 SBR反应池
SBR工艺即序批式活性污泥法，污水的曝气、沉淀等单元操作在单一生物池中按照时间有序反复进行。根据污水进水方式、有机物负荷范围、生物池形状等的不同存在不同的改良方式。需要检测液位、溶解氧、污泥浓度、阀门、泵状态等参数。
5.4鼓风机房
鼓风机房负责对反应池进行鼓风曝气，该鼓风机房设置3台鼓风机，两用一备。需要检测阀门、鼓风机状态等参数。
5.5加氯间及接触消毒池
污水出厂前采用液氯消毒，经接触池后出水由管道排向大海。需要监测加氯机状态、氯气浓度、氧气浓度、出水流量、出水cod、电子秤重量、浊度等参数。
5.6脱水机房
先加药剂絮凝，搅拌使污泥沉降，沉降的污泥经带式压滤机脱水，并压成泥饼，经螺旋输送机送至污泥堆外运。污泥沉淀后的上清液在输送到反应池反应，进一步去除其中的N，P物质，同时，在污泥脱水间外设冲洗加压水泵。需要监测污泥的流量、脱水机状态等参数
六、水务集团中心运营调度管理
水务集团远程运营绩效管理中心采用力控大型SCADA软件以B/S、C/S混合模式友好直观的显示界面，实现生产工艺图形化实时监视，各种能耗实时显示；同时系统对污水处理厂最为关注的节能降耗问题进行了针对性设计，采用多种科学手段进行最优化控制，如：进行泵站机组联编控制、优化调度，降低能耗，延长机组使用寿命；自动分析水质数据情况，计算合适的用药比例，节约用药成本；曝气池溶解氧浓度的稳定控制，降低曝气系统能耗等。
实现对设备和备件等资产实现全面的维修、养护、库存管理，对资产变动过程进行跟踪和记录。提供完善的各类报表。设备(仪表)养护流程、设备(仪表)维修计划、设备润滑计划等完全自动化管理。实现了对生产设备的科学化、规范化、信息化的管理，延长了设备使用寿命和提高了设备的使用效率。
系统能通过内嵌的能源计量管理模块和生产计划模块自动对生产的运营直接成本和综合成本进行分析比较，协助管理人员找出能够实现效益优化的生产管理方案。并可根据使用方提供的算法模型随时自定义生成和系统结合的多种智能辅助分析工具。
优化调度，节能降耗：针对生产运行中能耗重点单元（泵房、曝气池、加药系统等），提供专家性优化调度方案。提高处理效率，系统实现节能降耗。
系统可自动采集，统计分析报表自动生成，预置流程数据报送，同时可根据使用者要求进行生产报表报送流程自定义，可根据用户权限随时进行任意格式数据报表导出，为管理决策随时提供第一手资料，同时极大缓解人力劳动，减少企业人力成本
七、总结
通过整套信息管理调度系统，调度中心可实时获取各个分厂数据，力控SCADA软件平台的运用保证了数据的及时性，准确性，减少了以往人为统计所带来的误差和失误。同时随着自动化系统的投入运行，减少了大量人力支出，为企业可持续发展提供了有力保障。
未来水处理控制系统将是集计算机技术、信息技术、自动化技术、网络技术、智能化于一体的系统。水处理工业自动化控制的网络化作业、智能化作业将成为未来发展的主导优势。
