一、城市污水處理信息化現(xiàn)狀
目前我國城市污水處理信息化具備以下幾個主要的問題：
1.現(xiàn)階段各污水處理集團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)軟件及自控設備維持水廠的基本運營，但是集團調度中心還沒有具備完善的整體調度管理系統(tǒng)。因此集團想對下屬分廠系統(tǒng)進行遠程維護、故障排除、軟件升級、控制策略優(yōu)化等操作將帶來諸多不便，造成人力和物力的嚴重浪費。
2.在缺少整體調度管理系統(tǒng)的情況下，集團中心的領導層想要了解下屬各個水廠的運營狀況，只能通過下屬水廠定期上傳的一些簡單報表實現(xiàn)粗略的管理。因此無法對現(xiàn)場狀況做出準確及時判斷，而且信息實時性很差，如遇雨季洪水狀況將會對水廠的出水數(shù)據(jù)（如COD、PH等）產生一定影響，集團中心的工藝工程師無法快速與現(xiàn)場關鍵數(shù)據(jù)進行比對分析并及時制定排污方案。
3.現(xiàn)在集團中心對于下屬污水廠的管理模式較為簡單，只知道一個大致的投入與產出數(shù)據(jù)，而對于其中一些稍微詳細的信息卻很難了解，用簡單的數(shù)據(jù)很難對下屬污水廠進行科學合理的績效評價。
4.現(xiàn)場視頻信息采集無法無縫集成到集團監(jiān)控中心，因此無法實現(xiàn)現(xiàn)場設備操作和系統(tǒng)報警信息的雙重展現(xiàn)。
5.單一監(jiān)控軟件不具備處理海量數(shù)據(jù)的能力，而且其數(shù)據(jù)挖掘能力有限，無法建立調度模型進行大規(guī)模仿真，而且無法集成GIS地理信息系統(tǒng)。
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。將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)了管理信息系統(tǒng)、生產監(jiān)控系統(tǒng)和生產決策系統(tǒng)有機融合。
二、力控科技城市污水處理信息化系統(tǒng)
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、變頻器等設備采集數(shù)據(jù)，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)具有動態(tài)圖形、趨勢、報表等多種豐富的可視化展示途徑，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。提供快捷的分析工具使操作人員方便地完成數(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”。
系統(tǒng)主要具備以下功能特點：
★與各污水廠進行數(shù)據(jù)交互，匯總各類有價值數(shù)據(jù)；
★真實反映現(xiàn)場工藝與實時更新數(shù)據(jù)；
★診斷通訊鏈路，當網(wǎng)絡異常時實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存與斷電續(xù)傳；
★提供生動逼真的畫面，方便領導觀看與工程師了解現(xiàn)場工藝；
★建立城市污水處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)大量高密度數(shù)據(jù)進行高速存儲與快速查詢，為綜合分析提供條件；
★提供多種開放性接口，便于其它第三方系統(tǒng)調用數(shù)據(jù)，進行相關分析；
★在Internet網(wǎng)絡或局域網(wǎng)中將實時、歷史、報警等數(shù)據(jù)以集成的方式進行發(fā)布，用戶可在IE中實現(xiàn)瀏覽。
系統(tǒng)架構圖如下所示：
三、實施方案
總體功能結構中，生產數(shù)據(jù)獲取是基礎部分，如果不能獲取現(xiàn)場的生產數(shù)據(jù)，也就談不上數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。同時，由于生產數(shù)據(jù)獲取要和生產現(xiàn)場的設備進行通訊，并且不能影響現(xiàn)場的生產，因此設計方案要更為穩(wěn)妥。項目實施公司要擁有多年在控制系統(tǒng)領域的產品和服務經(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、省調、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)送往市調度中心，市調度中心數(shù)據(jù)送省調度中心，省調度中心數(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)接收、壓縮、計算、分析后的數(shù)據(jù)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)不但要滿足現(xiàn)階段的業(yè)務要求，而且要滿足將來業(yè)務增長和新技術發(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整設備，改善系統(tǒng)功能和性能，支持系統(tǒng)將來不斷更新和升級，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)結構要求中的重要方面。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。這就意味著我們在初期設計中，投資重點要放在一個可縮放的結構上以及支持與它相關的軟硬件。
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、生產管理、曲線分析。
省、市調度中心服務器：各省市調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)都不能保證攻擊一定被阻斷，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。
四、工藝簡介
以昌黎污水廠為例，簡要介紹污水處理工藝流程。昌黎縣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、曲線圖和棒圖等多種方式清晰直觀地顯示各個敏感數(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。當有報警產生時，系統(tǒng)會自動彈出報警窗口閃爍報警，同時配以聲音報警，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：
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，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：
2.細格柵間
細格柵的間距比粗格柵小，為4mm，主要作用是進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(shù)。
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)。
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.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)。
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再輸送到反應池反應，進一步去除其中的N、P物質，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)。
五、水務集團中心運營調度管理
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混合模式友好直觀地顯示界面，實現(xiàn)生產工藝圖形化實時監(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優(yōu)化控制，例如泵站機組聯(lián)編控制、優(yōu)化調度，降低能耗，延長機組使用壽命；自動分析水質數(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。
設備和備件等資產全面實現(xiàn)維修、養(yǎng)護、庫存管理，對資產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。生產設備實現(xiàn)了科學化、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)能通過內嵌的能源計量管理模塊和生產計劃模塊自動對生產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實現(xiàn)效益優(yōu)化的生產管理方案。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)化調度，節(jié)能降耗：針對生產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報表報送流程自定義，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一手資料，極大緩解人力勞動，減少企業(yè)人力成本。
六、總結
通過整套信息管理調度系統(tǒng)，調度中心可實時獲取各個分廠數(shù)據(jù)，運用力控SCADA軟件平臺保證了數(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。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)展的主要優(yōu)勢。
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