智能化污水處理監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究

孫立剛 劉廣順

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司，天津 300450；2.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300450)

智能化污水處理監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究

孫立剛1劉廣順2

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司，天津 300450；2.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300450)

采用微絮凝加改進(jìn)的A2O工藝，利用西門子PLC、單片機(jī)和上位機(jī)監(jiān)控軟件WinCC搭建設(shè)備層和控制層，實(shí)現(xiàn)污水處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、集中監(jiān)視管理及分散控制等功能。同時(shí)，采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)將污水處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到上位監(jiān)控室，保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。

污水處理系統(tǒng) PLC A2O工藝 單片機(jī) WinCC組態(tài)軟件

隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化進(jìn)程的迅猛發(fā)展，工業(yè)、生活污水大量排放，導(dǎo)致水資源污染嚴(yán)重，極大地破壞了我國(guó)現(xiàn)有的水資源，同時(shí)還帶來了一系列生態(tài)問題[1]。目前，我國(guó)對(duì)生活污水處理工程密切關(guān)注，隨著新環(huán)境保護(hù)法的出臺(tái)，對(duì)污水處理和排放指標(biāo)的要求進(jìn)一步提高，對(duì)污水處理工藝及其自動(dòng)化程度的要求也在不斷提高。傳統(tǒng)的污水處理工藝主要以手動(dòng)操作為主，自動(dòng)化程度相對(duì)較低，污水處理質(zhì)量不穩(wěn)定，已不能滿足現(xiàn)代污水排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。為了提高污水處理質(zhì)量，降低污水處理成本，提高污水處理的自動(dòng)化程度，利用先進(jìn)控制技術(shù)和設(shè)備對(duì)污水處理過程進(jìn)行監(jiān)控是極其必要的。

筆者采用微絮凝加改進(jìn)的A2O(Anaerobic-Anoxic-Oxic)工藝進(jìn)行污水處理，同時(shí)利用西門子PLC、WinCC組態(tài)軟件、單片機(jī)實(shí)現(xiàn)污水處理系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)控，進(jìn)一步提高污水處理系統(tǒng)的自動(dòng)化程度、污水處理質(zhì)量和技術(shù)管理水平，實(shí)現(xiàn)水資源保護(hù)和污水回收利用的目標(biāo)。

1 污水處理的工藝流程①

A2O工藝是活性污泥法處理生活污水中的一種重要工藝[2]，該工藝主要利用厭氧菌和好養(yǎng)菌的硝化和反硝化反應(yīng)，完成污水、污染物的降解和除氮除磷[3,4]。

為了更好地增加A2O工藝的除氮除磷效果，對(duì)原A2O工藝生物污水處理廠進(jìn)行技術(shù)改造，采用微絮凝加A2O工藝進(jìn)行污水處理。生化反應(yīng)過程中污水首先進(jìn)入前置反硝化區(qū)，10%左右進(jìn)水流入該池，然后進(jìn)入?yún)捬醭亍⒑笾梅聪趸瘏^(qū)和好氧池，最后流入二沉池。該工藝具有內(nèi)回流和外回流兩種機(jī)制，內(nèi)回流污水即好氧池出水流回到后置硝化區(qū)和厭氧池，外回流污水即污泥回流池出水流回到前置反硝化區(qū)，停留20～30h，微生物利用進(jìn)水中的有機(jī)物去除所有回流的硝態(tài)氮(硝態(tài)氮對(duì)厭氧池有不利影響)，進(jìn)而保證厭氧池的穩(wěn)定性。此外，整個(gè)工藝污水處理過程中添加了乙酸鈉、絮凝藥劑PAC及PAM等。污水處理系統(tǒng)還包括粗格柵、細(xì)格柵、旋流沉砂池、污泥回流池、高密度沉淀池、高效過濾池及紫外消毒池等。除污效果表明，微絮凝加A2O工藝可使污水的處理效果得到大幅提高，可配合超濾反滲透工藝實(shí)現(xiàn)中水的二次利用。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1西門子PLC控制系統(tǒng)

西門子PLC控制系統(tǒng)(圖1)為“集中監(jiān)控﹑管理，分散控制”的集散型控制系統(tǒng)，共分為4個(gè)層次，分別為設(shè)備層、控制層、視頻監(jiān)控層和廣播系統(tǒng)層。PLC和第三方設(shè)備之間通過TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信[3,5]。PLC和PLC遠(yuǎn)程IO之間通過Profibus-DP標(biāo)準(zhǔn)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。PLC與中控室監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間通過10M/100M的TCP/IP光纖單環(huán)網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行高速大容量數(shù)據(jù)交換[4,6,7]。

圖1 西門子PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)設(shè)備控制分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式，在自動(dòng)模式下有3種控制方式，即現(xiàn)場(chǎng)控制、集中控制和自動(dòng)控制?，F(xiàn)場(chǎng)控制通過現(xiàn)場(chǎng)PLC終端的操作面板(如HMI)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的獨(dú)立鍵控；集中控制時(shí)由自控室監(jiān)控主機(jī)完成對(duì)全廠所有工藝和電氣設(shè)備的控制；自動(dòng)控制時(shí)系統(tǒng)根據(jù)各工藝參數(shù)的檢測(cè)值和狀態(tài)，控制設(shè)備按照預(yù)定程序自動(dòng)運(yùn)行。3種控制方式可在現(xiàn)場(chǎng)PLC終端操作員面板和自控室監(jiān)控主機(jī)上根據(jù)不同的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以滿足實(shí)際工作中調(diào)試、檢修和自動(dòng)運(yùn)行的需要。各控制設(shè)備之間相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)控制PLC分站和設(shè)備控制單元出現(xiàn)故障時(shí)將自動(dòng)退出，同時(shí)界面閃爍報(bào)警，以提醒操作人員盡快排除故障。

2.2GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸電路

污水處理系統(tǒng)的主要水質(zhì)指標(biāo)有COD、BOD、pH及溫度等，利用在污水處理排放出口安裝的智能儀表對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，儀表標(biāo)準(zhǔn)輸出為4～20mA。儀表輸出信號(hào)經(jīng)專用信號(hào)隔離器后，借助串接的250Ω精密電阻，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成1～5V的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)通過STC12C5620AD單片機(jī)控制器檢測(cè)處理，并通過RXD/P3.0、TXD/P3.1與SIM900A模塊的串口(UART)連接[8]，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。具體電路如圖2所示，其中AD_0、AD_1、AD_3和AD_4為4路儀表標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。

圖2 GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸電路

STC12C5620AD單片機(jī)高速、可靠，具有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換功能，滿足多路水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)的采集和處理要求。SIM900A模塊采用功能強(qiáng)大的ARM9216EJ-S處理器內(nèi)核，傳輸速率快，具有RS232接口，可直接與單片機(jī)進(jìn)行連接。STC12C5620AD單片機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)的AT指令對(duì)SIM900A模塊進(jìn)行控制，接收機(jī)利用專用的外網(wǎng)IP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，最終完成污水處理系統(tǒng)出水水質(zhì)指標(biāo)的傳送和監(jiān)測(cè)[9]，能夠有效避免人工抄送錯(cuò)誤和作弊情況的發(fā)生。

3 上位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

SCADA系統(tǒng)的監(jiān)控基礎(chǔ)功能是建立在WinCC 6.2組態(tài)軟件系統(tǒng)框架上的。WinCC 6.2組態(tài)界面(圖3)有系統(tǒng)的整體和局部監(jiān)控管理界面，系統(tǒng)所有顯示、設(shè)定和標(biāo)定功能都通過中控室顯示控制單元上的觸控式顯示器和PLC機(jī)柜上的觸摸屏實(shí)現(xiàn)。通過上位機(jī)軟件，操作者可直觀、及時(shí)、全面地觀察現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，整個(gè)污水處理廠的污水處理工藝流程，以及現(xiàn)場(chǎng)傳感器的檢測(cè)值、歷史數(shù)據(jù)等。同時(shí)，可直觀、便捷地遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)相關(guān)設(shè)備的啟停；在中控室顯示上位機(jī)上能直觀地看到第三方相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 WinCC 6.2組態(tài)界面

3.2中央實(shí)時(shí)監(jiān)視管理系統(tǒng)

中央實(shí)時(shí)監(jiān)視管理系統(tǒng)主要接收和處理實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和GPRS無線終端發(fā)送的重要數(shù)據(jù)，進(jìn)一步對(duì)設(shè)備和指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)化、分析匯總和統(tǒng)計(jì)，多角度、多層次、全方位、數(shù)字化、圖形化顯示出多廠區(qū)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收與處理、自定義數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)歷史趨勢(shì)查看與分析、拐點(diǎn)分析、統(tǒng)計(jì)分析、月報(bào)周報(bào)生成及風(fēng)險(xiǎn)管控與預(yù)警等功能。

中央實(shí)時(shí)監(jiān)視管理系統(tǒng)方案如圖4所示。中央實(shí)時(shí)監(jiān)視管理系統(tǒng)兼容多個(gè)廠區(qū)數(shù)據(jù)的混合處理模式，系統(tǒng)需要搭建多廠區(qū)數(shù)據(jù)并發(fā)接收的排隊(duì)模型，從接入第2個(gè)廠區(qū)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)起，隨著廠區(qū)數(shù)量的不斷增加，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收的排隊(duì)模型將更加復(fù)雜。每次增加一個(gè)廠區(qū)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，都需要調(diào)整數(shù)據(jù)接收排隊(duì)模型，增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理功能、功能測(cè)試和重部署過程。

圖4 中央實(shí)時(shí)監(jiān)視管理系統(tǒng)方案

4 結(jié)束語

為了進(jìn)一步提高污水處理系統(tǒng)的污水處理效果和自動(dòng)化程度，筆者將原A2O工藝進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)與微絮凝處理工藝相結(jié)合，設(shè)計(jì)了西門子PLC控制系統(tǒng)、GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸電路、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和中央實(shí)時(shí)監(jiān)視管理系統(tǒng)。利用GPRS對(duì)實(shí)時(shí)檢測(cè)的各污水處理終端污水處理指標(biāo)進(jìn)行無線傳輸，可以更好地監(jiān)管污水處理廠的污水處理情況，保證污水處理效果和水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到國(guó)家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。

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2016-06-25(修改稿)