污水处理应用系统的设计与体系构想

杨 帆

(北京机电研究院高技术股份有限公司环保事业一部工程中心，北京 100027)

随着改革开放以来工业粗放型发展，工厂废水不达标排放造成自然水体的污染日益严重。污水处理问题越来越受到人们的关注，2007年中央投入20亿元专项资金用于建设科学完善的污染减排指标体系、减排监测体系和减排考核体系，即“三大体系”。其中污染减排监测体系是在占全国主要污染物工业排放负荷65%的企业约7 000个重点排污单位安装自动监控设备，建设国家、省、市三级336个重点污染源监控中心，通过网络连接构成国控重点污染源自动监控系统。项目实施后虽有起色，但有些地方依然污染严重。这与上传的监测数据不准、管理不严、没有先进的技术而造成无法获得准确的实时数据有很大关系。2009年政府提出“感知中国”战略，物联网、云计算这些新兴技术得到大力的推广和发展。应用物联网将监控中心和污水处理厂连接在一个网络里，监控中心可随时获取一手数据资料，实时监控，再根据海量数据的存储和分析，掌握未来的发展趋势，这对于节污减排工作的监控和管理有非常好的效果。

机对机(M2M)技术也称为物联网，是近几年迅速发展并为人们所熟知的概念，其市场前景预期将远远超过计算机、互联网和移动通信，必将成为世界经济的新增长点，为未来社会经济发展、社会进步和科技创新提供最重要的基础设施保障，也必将彻底改变人们的生活方式。物联网技术的基础是互联网技术，并在此基础上进行了延伸和扩展，任何物品和物品之间，都可以进行信息交换和通信[1]。

随着污水厂处理规模的增大，控制系统的“自动化孤岛模式”越来越不能满足日益发展的需要，集过程控制、常规控制、生产调度及企业管理等功能于一体的综合自动化系统成为当前发展的趋势。目前网络技术的发展迅猛，将新兴的物联网技术与过程控制系统结合，实现信息和功能的集成，把控制、优化、调度、管理、经营和决策集成在一起，最终形成一个能适应生产环境的不确定性，市场需求的多变性，全局优化的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统[2]。

2 系统网络构架

从技术架构上来看，物联网可分为3层：感知层、网络层和应用层[3]，如图1所示。感知层由各种传感器以及传感器网关构成，包括污水厂各个车间的仪表，如各种流量计、液位计、COD、总磷总氮测量仪表、摄像头以及厂区红外报警传感器等终端。感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和神经末梢，其主要功能是识别物体和采集信息。网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统及云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。应用层是物联网和用户(包括环保局、监测站、污水厂或污水处理公司远程用户访问端)的接口，它与污水污泥处理行业需求结合，实现物联网针对各行业的具体应用。前两层主要是通用技术的应用，应用层则是针对各个领域的专业技术和专家系统软件。

图1 物联网网络构架

3 综合处理系统在污水污泥处理中的应用

3.1 污水污泥处理工艺

污水处理厂工艺流程为：进水→粗格栅间→预沉砂池→进水泵房→细格栅间→旋流沉砂池→初沉池→生物反应池→二沉池→紫外消毒间→应急提升泵站→出水。

污泥处理流程为：剩余污泥→污泥储池→排泥泵房→污泥脱水间→外运卫生填埋。

3.2 分布式过程控制系统

分布式过程控制系统选用罗克韦尔公司的CompactLogix 5370 L3控制器，中控室设置主站，二期厂区设置5个从站：1#配电间、2#配电间、鼓风机房、污泥处理间和细格栅间。1#配电间、2#配电间、鼓风机房和污泥处理间这4个车间级监控分站和一、二期中控室通过100MB光纤构成环网，如图2所示。

图2 自控系统组态

分站PLC的CPU分别选用1769-L30ER和1769-L33ER,自带1GB存储卡(1784-SD1)，两个Ethernet端口和一个USB端口。内存卡选用SD卡更易读取数据，CPU内置大电容可断电后保持30min，为CPU掉电提供了冗余配置，提供更大安全保障。这款CPU支持基于Ethernet/IP的集成运动控制。可连接256路Ethernet/IP，1769-L30ER在一个Logix设计器应用程序中Ethernet/IP节点为16个，可扩展8个1769模块。1769-L33ER在一个Logix设计器应用程序中Ethernet/IP节点为32个，可扩展16模块。

从站I/O模块选用1769 Compact I/O模块，模块具有集成的通信总线，通过可移动总线连接器将各模块连接起来。设计组态软件采用RSLogix 5000，画面软件采用FactoryTalk View Studio 。

3.2.1厂级监控中心

厂级监控中心能监控污水厂所有设备和工艺参数并采集和存储数据，和各车间及监控中心实现对等通信。正常情况下污水厂通过厂级监控中心进行监视。设备进行调试、维护、保养时必须在就地控制级或手动控制级进行。

3.2.2车间级监控室

用PLC作为核心直接监控现场水处理工艺的过程单元。本系统设计5个车间级监控分站，分别是1#配电间分站、细格栅间分站、2#配电间分站、鼓风机房分站和污泥处理间分站。其中1#配电间分站、鼓风机房分站和污泥处理间分站选用CPU、电源、输入输出模块及通信模块等设备，采用与监控系统统一品牌的液晶显示操作屏作为人机界面接口。

车间级监控分站的任务是在分站所在车间进行下属现场设备运行工况信号与工艺参数的采集、检测和监控，并通过分站的人机界面监控系统运行状态，适时对设备进行操作，同时向监控中心传送实时数据。

3.2.3现场PLC自动控制级

现场PLC自动控制级即现场控制站PLC控制方式，各个工艺区域内的联锁控制和程序控制主要通过现场控制级来实现。当污水厂在自动控制方式运行时，现场控制站PLC可以独立自动对它所负责的工艺区域进行控制，而不需要任何中央控制级的介入。并将采集到的设备数据及运行状态送至通信网络中，为别的现场控制站PLC和中央控制站服务，同时接收车间级控制站PLC和中央控制站送来的指令信息。

3.3 远程控制系统

中控室可对提升泵房泵站进行远程控制，通过光纤与现场PLC通信，也可通过无线(数传、扩频电台、GPRS)通信方式与泵站进行通信。由监控室统一监控、指挥、协调泵站的运行。现场PLC负责控制泵站机组的启停、闸门的开关(或调节开度)以及辅助设备油、气、水的自动控制。中控室还可以通过从重要设备的电机智能保护器上调取电机的运行参数(电流、电压及故障信息等)从而监视设备是否正常运转。监视水位、水质、电量、温度以及压力等是否有越限等。

中控室采用Factory View实现的HMI人机交互系统作为上位组态软件，在泵站运行现场也可采用设备级HMI人机界面(PanelView Plus)。

3.4 SCADA系统

SCADA系统分为3层：中央控制层、各车间分控制层和现场控制单元。中央控制层综合全局考虑，对重要设备实时监测(如变压器、断路器及刀闸等运行情况)，根据需要进行总调度。各车间分控制层对车间级设备(如电动蝶阀、调节阀、泵组及风机等)进行监控。现场控制单元采用PLC进行控制。 通过光纤将各个车间、现场的监控摄像头组成视频监控网络，在中央控制室可以查看到各车间重要设备的运行情况。配合上位机画面的工业数据的实时监测，对于整套系统中最为重要的风机、泵类设备可以实现更为全面的监控。智能软件能将预见的各种问题防患于未然，对可能发生的设备故障提前预警，及时排除。

3.5 云计算

监控中心设置的历史数据服务器与云计算服务器通过网络连接，时间较早的历史数据可以在远端备份存储，节省了前端的存储空间和费用。后台的污水处理专家系统还可以对大数据进行分析处理，对生产工艺进行指导，便于改进和提高。

4 结束语

构建了基于物联网的污水处理控制系统，通过国家制定统一的标准接口，在每个污水处理厂利用Web上传相应的关键生产指标，监测部门通过物联网络实时访问各个监测点的数据信息，使得国家层面对污水处理的有效监管得以实现。

[1] 刘丽军，邓子云.物联网技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2012.

[2] 梁昭峰，李兵，裴旭东.过程控制工程[M]. 北京：北京理工大学出版社，2010.

[3] 王文珍.基于物联网的污水处理智能监控系统[J]. 化工自动化及仪表，2013,40(2)：247～249.