力控科技污水處理調度系統解決方案

關(guān)鍵詞：力控,SCADA，調度平臺，ForceControl，監控組態(tài)軟件，污水處理，實(shí)時(shí)數據庫

一、概述

城市污水處理廠(chǎng)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(lái)越受到政府和社會(huì )各界的高度重視。近幾年來(lái)，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域水環(huán)境質(zhì)量發(fā)揮了重大作用。隨著(zhù)計算機技術(shù)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(guò)程的自動(dòng)化程度要求也在不斷提高。同時(shí)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(guān)，對污水處理的數據的監控工作也開(kāi)始提上了日程。本方案結合污水水務(wù)運營(yíng)監控管理系統的設計與實(shí)施，詳細介紹了力控科技產(chǎn)品在該系統中的功能與應用。

二、現狀與需求

目前集團下屬的污水處理廠(chǎng)基本上都完成了廠(chǎng)級自控系統的升級改造，配備了監控組態(tài)軟件及自控設備來(lái)維持著(zhù)水廠(chǎng)的基本運營(yíng)，但是集團調度中心還沒(méi)有具備完善的整體調度管理系統，無(wú)法實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程管理信息的實(shí)時(shí)全覆蓋和工藝流程可視化，也無(wú)法滿(mǎn)足優(yōu)化資源分配，科學(xué)績(jì)效管理的需求。

通過(guò)對污水處理廠(chǎng)現場(chǎng)的分析，需要在集團總部設總調度中心，從而監管全國污水處理廠(chǎng)的運行情況，實(shí)現對分布在全國各地的污水處理廠(chǎng)的整體管理，運營(yíng)部人員可以實(shí)時(shí)的了解到全國各地的污水處理情況，實(shí)時(shí)掌握污水處理的第一手資料。

因此想要實(shí)現城市污水處理信息化需要將所有底層現場(chǎng)的電氣控制、過(guò)程控制、運動(dòng)控制和數以萬(wàn)計的儀器儀表測試系統都高度、有機地融合在綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )上。從自動(dòng)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(guò)去的PLC、DCS、FCS的自動(dòng)化孤島，實(shí)現管理信息系統、生產(chǎn)監控系統和生產(chǎn)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(chǎng)監控系統采用ForceControl系列監控組態(tài)軟件，實(shí)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(mén)、電動(dòng)\氣動(dòng)閥門(mén)、粗\細格柵電機、鼓風(fēng)機等設備的控制與管理。

污水處理現場(chǎng)數據采用GPRS/CDMA無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、工業(yè)以太網(wǎng)、RS485總線(xiàn)等通訊方式經(jīng)由力控I/O Server實(shí)現設備的實(shí)時(shí)數據快速采集。數據展示具有豐富的動(dòng)態(tài)圖形、趨勢、報表等多種可視化途徑，可將現場(chǎng)視頻信息與實(shí)時(shí)采集數據、報警信息集成在同一畫(huà)面顯示。 

SCADA系統能夠兼容各種不同廠(chǎng)家種類(lèi)的硬件設備，方便系統改造升級，充分保護用戶(hù)初期投資并給用戶(hù)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(xún)、分析、統計計算等操作，歷史數據能夠滿(mǎn)足設備管理、工藝分析、成本分析等需求，為統計計量部門(mén)提供真實(shí)、有效、及時(shí)、準確的數據依據，讓科學(xué)績(jì)效管理實(shí)現“有據可依”。

水務(wù)運營(yíng)監控管理系統，作為全廠(chǎng)信息化項目。將主要先啟動(dòng)并實(shí)現以下功能：

●各水廠(chǎng)設備實(shí)時(shí)數據的采集、上傳及存儲；

●各生產(chǎn)裝置流程圖畫(huà)面、歷史趨勢、報警信息的監控，并實(shí)現生產(chǎn)信息的整體觀(guān)察畫(huà)面；

●生產(chǎn)調度日報軟件的設計、開(kāi)發(fā)、調試；

●自來(lái)水廠(chǎng)、供水及管網(wǎng)數字化分析、調度及決策。實(shí)現自來(lái)水廠(chǎng)、供水管網(wǎng)系統工況分析，保障供水及管網(wǎng)經(jīng)濟合理運行，及時(shí)發(fā)現管網(wǎng)運行中存在的問(wèn)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(chǎng)和自來(lái)水廠(chǎng)能耗對比，及時(shí)發(fā)現能耗高原因，防止能源浪費，做到有效節能。

●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(shí)更換備件、及時(shí)維護，延長(cháng)大型設備、儀表的使用壽命。

四、實(shí)施方案

總體功能結構中，生產(chǎn)數據獲取是基礎部分，如果不能獲取現場(chǎng)的生產(chǎn)數據，也就談不上數據統計分析。同時(shí)，由于生產(chǎn)數據獲取要和生產(chǎn)現場(chǎng)的設備進(jìn)行通訊，同時(shí)又不能影響現場(chǎng)的生產(chǎn)，因此必須設計更為穩妥的方案。項目實(shí)施公司要擁有多年在控制系統領(lǐng)域的產(chǎn)品和服務(wù)經(jīng)驗，對于控制系統數據獲取有較為成熟的方案，實(shí)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(chǎng)通過(guò)工業(yè)安全防護網(wǎng)關(guān)采集污水廠(chǎng)工程師站的數據，向市調、省調、總部運營(yíng)監控管理系統分別主動(dòng)上傳污水廠(chǎng)數據。

方式二、各污水廠(chǎng)通過(guò)工業(yè)安全防護網(wǎng)關(guān)采集污水廠(chǎng)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(yíng)監控管理系統，逐級傳送數據。

中心服務(wù)器：集團總部的管理網(wǎng)中加兩臺冗余的實(shí)時(shí)數據服務(wù)器，此服務(wù)器的功能是將控制系統的數據進(jìn)行接收、壓縮、計算、分析后存入數據庫，向管理網(wǎng)的其他用戶(hù)提供歷史數據及實(shí)時(shí)數據的查詢(xún)功能。系統不但要能滿(mǎn)足現階段的業(yè)務(wù)要求，而且要能滿(mǎn)足將來(lái)業(yè)務(wù)的增長(cháng)和新技術(shù)發(fā)展的要求，要在原有設備繼續發(fā)揮作用的基礎上，保證用戶(hù)能方便地增加或調整設備，改善系統功能和性能，支持將來(lái)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(mǎn)足不同規模計算環(huán)境的要求，并且能提供多種升級途徑，給業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展創(chuàng )造條件?？s放性是企業(yè)網(wǎng)結構要求中最重要的一個(gè)方面。企業(yè)業(yè)務(wù)的快速變化，用戶(hù)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(zhù)我們在最初設計中，投資重點(diǎn)要放在一個(gè)可縮放的結構上以及支持它的相關(guān)的軟硬件。

Web服務(wù)器：遠程瀏覽：使用pSpace WEB SERVER或IIS等服務(wù)器的WEB發(fā)布功能，可以將整個(gè)煤礦系統的實(shí)時(shí)信息和歷史數據圖表發(fā)布到局域網(wǎng)和Internet上。

客戶(hù)端：實(shí)時(shí)顯示：pSpace Client\ForceControl等軟件以動(dòng)態(tài)工藝流程圖、圖表趨勢等形式實(shí)時(shí)顯示各子系統信息；實(shí)時(shí)報警：系統數據庫提供分級報警、變化率報警、死區報警、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(xún)、支持關(guān)系數據庫的報警保存；事件查詢(xún)：保證相關(guān)人員實(shí)時(shí)掌握故障、報警信息、操作信息等的記錄和查詢(xún)；運行狀態(tài)統計與分析、生產(chǎn)管理、曲線(xiàn)分析。

省、市調度中心服務(wù)器：各省市調度中心設置獨立的實(shí)時(shí)數據庫服務(wù)器，功能是將控制系統的數據進(jìn)行接收、壓縮、計算、分析后存入數據庫，向管理網(wǎng)的其他用戶(hù)提供歷史數據及實(shí)時(shí)數據的查詢(xún)功能。

數據采集：根據公司維護的每個(gè)污水廠(chǎng)的實(shí)際情況，從水廠(chǎng)操作站(工程師站) 通過(guò)pSafetylink（安全防護網(wǎng)關(guān)）以OPC標準進(jìn)行數據交換，把數據送入中心冗余數據庫服務(wù)器，信息網(wǎng)絡(luò )與控制網(wǎng)絡(luò )實(shí)現互聯(lián)時(shí)，如何保證過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò )的安全就變成了一個(gè)嚴峻的問(wèn)題。一旦實(shí)現了信息網(wǎng)絡(luò )與控制網(wǎng)絡(luò )之間的互聯(lián)，就相當于將控制網(wǎng)絡(luò )直接暴露給外網(wǎng)而面臨被攻擊的可能。pSafetyLink是種專(zhuān)為工業(yè)網(wǎng)絡(luò )應用設計的防護設施，用于解決工業(yè)SCADA控制網(wǎng)絡(luò )如何安全接入信息網(wǎng)絡(luò )（外網(wǎng)）的問(wèn)題。它與防火墻等網(wǎng)絡(luò )安全設備本質(zhì)不同的地方是它阻斷網(wǎng)絡(luò )的直接連接，只完成特定工業(yè)應用數據的交換。由于沒(méi)有了網(wǎng)絡(luò )的連接，攻擊就沒(méi)有了載體，如同網(wǎng)絡(luò )的“物理隔離”。由于目前的安全技術(shù)，無(wú)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(kāi)。對于有些工程師站不能授權OPC Server的，采用力控數據采集網(wǎng)關(guān)通過(guò)協(xié)議轉換，把采集數據主動(dòng)送往相應的實(shí)時(shí)數據庫。

網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )模式或者集團專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )，組建大型網(wǎng)絡(luò )的應用。虛擬私有網(wǎng)絡(luò )VPN(Virtual Private Network)出現于Internet盛行的今天,它使企業(yè)網(wǎng)絡(luò )幾乎可以無(wú)限延伸到地球的每個(gè)角落,從而以安全、低廉的網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)模式為包羅萬(wàn)象的應用服務(wù)提供了發(fā)展的舞臺。

控制器：每個(gè)污水處理廠(chǎng)均采用可編程控制器PLC來(lái)實(shí)現邏輯控制功能，其先進(jìn)、高度緊湊的模塊化特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足各種現場(chǎng)控制需求，大大提高了整個(gè)自動(dòng)化系統的智能性。

系統架構圖如下所示：

五、工藝簡(jiǎn)介

下面以典型污水廠(chǎng)為例，簡(jiǎn)要介紹污水處理工藝流程。該污水處理廠(chǎng)是被國家列入“三河三湖”、“渤海碧海”水污染治理的重點(diǎn)項目。日處理污水能力達到4萬(wàn)噸，污水處理后可達到《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》一級A標準，排放水質(zhì)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(xiàn)消毒。污水經(jīng)處理后作為中水排入附近深化處理塘進(jìn)行自然凈化，最終全部回用。該項目投入運營(yíng)后，每年可以減少近千萬(wàn)噸的污水排放量，不僅可大大改善該縣城區居民的居住環(huán)境，而且對改善該縣及周邊地區的海域水質(zhì)起到關(guān)鍵性的作用，對縣域經(jīng)濟社會(huì )的可持續發(fā)展具有重要意義。

系統以美觀(guān)、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(xiàn)圖、棒圖等多種方式清晰直觀(guān)的顯示各個(gè)敏感數據，方便用戶(hù)對各敏感數據進(jìn)行歷史查詢(xún)和對比分析。

系統具備多種報警功能。當有報警產(chǎn)生時(shí)，系統會(huì )有自動(dòng)彈出式報警窗口進(jìn)行閃爍報警，并同時(shí)配以聲音報警對用戶(hù)具有強烈警示作用。

系統具備多種數據錄入方式。用戶(hù)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(kāi)關(guān)量狀態(tài)等數據。

下圖所示為污水處理廠(chǎng)典型工藝流程：

5.1粗格柵間

爬式粗格柵，進(jìn)水經(jīng)過(guò)粗格柵間過(guò)濾一些大的固體雜質(zhì)，去除那些可能對水泵有影響的無(wú)機物。需要監測格柵水位差、進(jìn)水流量、進(jìn)水酸堿度、進(jìn)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4mm，主要作用是進(jìn)一步攔截污水中的污物。需要檢測格柵水位差、流量、泵狀態(tài)等參數。

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(shí)間有序反復進(jìn)行。根據污水進(jìn)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(mén)、泵狀態(tài)等參數。

5.4鼓風(fēng)機房

鼓風(fēng)機房負責對反應池進(jìn)行鼓風(fēng)曝氣，該鼓風(fēng)機房設置3臺鼓風(fēng)機，兩用一備。需要檢測閥門(mén)、鼓風(fēng)機狀態(tài)等參數。

5.5加氯間及接觸消毒池

污水出廠(chǎng)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(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(jìn)一步去除其中的N，P物質(zhì)，同時(shí)，在污泥脫水間外設沖洗加壓水泵。需要監測污泥的流量、脫水機狀態(tài)等參數

六、水務(wù)集團中心運營(yíng)調度管理

    水務(wù)集團遠程運營(yíng)績(jì)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(guān)的顯示界面，實(shí)現生產(chǎn)工藝圖形化實(shí)時(shí)監視，各種能耗實(shí)時(shí)顯示；同時(shí)系統對污水處理廠(chǎng)最為關(guān)注的節能降耗問(wèn)題進(jìn)行了針對性設計，采用多種科學(xué)手段進(jìn)行最優(yōu)化控制，如：進(jìn)行泵站機組聯(lián)編控制、優(yōu)化調度，降低能耗，延長(cháng)機組使用壽命；自動(dòng)分析水質(zhì)數據情況，計算合適的用藥比例，節約用藥成本；曝氣池溶解氧濃度的穩定控制，降低曝氣系統能耗等。 

實(shí)現對設備和備件等資產(chǎn)實(shí)現全面的維修、養護、庫存管理，對資產(chǎn)變動(dòng)過(guò)程進(jìn)行跟蹤和記錄。提供完善的各類(lèi)報表。設備(儀表)養護流程、設備(儀表)維修計劃、設備潤滑計劃等完全自動(dòng)化管理。實(shí)現了對生產(chǎn)設備的科學(xué)化、規范化、信息化的管理，延長(cháng)了設備使用壽命和提高了設備的使用效率。

系統能通過(guò)內嵌的能源計量管理模塊和生產(chǎn)計劃模塊自動(dòng)對生產(chǎn)的運營(yíng)直接成本和綜合成本進(jìn)行分析比較，協(xié)助管理人員找出能夠實(shí)現效益優(yōu)化的生產(chǎn)管理方案。并可根據使用方提供的算法模型隨時(shí)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，節能降耗：針對生產(chǎn)運行中能耗重點(diǎn)單元（泵房、曝氣池、加藥系統等），提供專(zhuān)家性?xún)?yōu)化調度方案。提高處理效率，系統實(shí)現節能降耗。 

系統可自動(dòng)采集，統計分析報表自動(dòng)生成，預置流程數據報送，同時(shí)可根據使用者要求進(jìn)行生產(chǎn)報表報送流程自定義，可根據用戶(hù)權限隨時(shí)進(jìn)行任意格式數據報表導出，為管理決策隨時(shí)提供第一手資料，同時(shí)極大緩解人力勞動(dòng)，減少企業(yè)人力成本

七、總結

    通過(guò)整套信息管理調度系統，調度中心可實(shí)時(shí)獲取各個(gè)分廠(chǎng)數據，力控SCADA軟件平臺的運用保證了數據的及時(shí)性，準確性，減少了以往人為統計所帶來(lái)的誤差和失誤。同時(shí)隨著(zhù)自動(dòng)化系統的投入運行，減少了大量人力支出，為企業(yè)可持續發(fā)展提供了有力保障。

未來(lái)水處理控制系統將是集計算機技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、智能化于一體的系統。水處理工業(yè)自動(dòng)化控制的網(wǎng)絡(luò )化作業(yè)、智能化作業(yè)將成為未來(lái)發(fā)展的主導優(yōu)勢。