SCADA 系統(tǒng)在珠海拱北污水處理廠中的應(yīng)用
摘要:SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）系統(tǒng)是目前絕大多數(shù)污水處理廠實現(xiàn)現(xiàn)代化管理的控制技術(shù)，本文以已投入運營的珠海拱北污水處理廠為例，論述了SCADA技術(shù)在污水處理廠中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:污水處理廠;數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）；可編程邏輯控制器（PLC）
SCADA（Supervisory Control and Data Acqui-sition）系統(tǒng)（即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)），應(yīng)用領(lǐng)域很廣，它可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域。近幾年來，隨著我國對污水治理力度的加大，興建了許多污水處理廠，同時引進了國外先進的工藝和設(shè)備，污水凈化工程的儀表化、自動化有了迅速的發(fā)展。
在現(xiàn)代化的城市污水凈化廠中，自動化技術(shù)是實現(xiàn)工藝要求，維持設(shè)備正常運行，提高工作效率的重要保證，其可將全廠的工藝、設(shè)備連成一個統(tǒng)一的整體，協(xié)調(diào)運行。
污水處理廠自動化系統(tǒng)是實現(xiàn)污水處理廠現(xiàn)代化處理和現(xiàn)代化管理的必要條件，是提高污水處理效果、安全可靠生產(chǎn)、降低藥耗、降低能耗、取得較好的社會效益和經(jīng)濟效益的必要手段。而SCADA系統(tǒng)是目前絕大多數(shù)污水處理廠使用的控制技術(shù)，本文以已設(shè)計完成的珠海拱北污水處理廠為例，論述了SCADA控制技術(shù)在污水處理廠中的應(yīng)用。
1 概況
珠海市拱北污水處理廠始建于1985年，總占地面積15.8公頃，規(guī)劃總處理量為11萬噸/日，服務(wù)面積2200公頃，服務(wù)人口約22萬。主要處理拱北、前山片區(qū)內(nèi)的城市污水。該廠建設(shè)分成三期工程完成，其中一期工程于1992年2月投入運行；二期工程于1998年4月投入運行；三期工程于2002年8月投入運行。一、二期工程的處理工藝相同，均為傳統(tǒng)活性污泥法工藝。由于能耗大，工藝落后，現(xiàn)已進行改造擴建。現(xiàn)在運行的是三期工程，全套工程引進意大利EMIT公司的技術(shù)，包括SCADA控制系統(tǒng)。三期工程的處理工藝采用AAO生物除磷脫氮工藝，鼓風(fēng)曝氣，設(shè)計規(guī)模為8萬噸/日，占地8.3公頃。該工藝是改良的AAO工藝，與典型的AAO工藝所不同的是：構(gòu)筑物在空間上沒有嚴格分開，且在生物池內(nèi)缺氧與好氧（即硝化與反硝化）多重復(fù)一次，從而取代了AAO典型工藝中的內(nèi)回流系統(tǒng)。其主要特點是生物系統(tǒng)，整個生物系統(tǒng)流程見圖1。
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2 SCADA系統(tǒng)的控制方式及特點
拱北污水處理廠SCADA系統(tǒng)的主要控制方式是：在污水處理廠中心控制室集中對全廠各種設(shè)備和生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)進行監(jiān)視和控制，污水處理過程工藝參數(shù)和設(shè)備的狀態(tài)在上位機上顯示。各設(shè)備均可按下列三種方式控制，即就地手動控制、分控站PLC控制、水廠集中控制。控制室具有自動／遠程手動控制（遙控）兩種方式。這種控制方式具有集中管理，分散控制的特點，可靠性較高，維護也方便。
（1）就地手動控制
在就地通過控制箱或柜上的按鈕或控制器對設(shè)備進行手動控制。
（2）控站控制
各分控站PLC執(zhí)行自己的控制程序，處理該站現(xiàn)場I／O信號。在與控制室脫機或通信出現(xiàn)故障時，各分控站能獨立利用自己的PLC進行控制以及保持PLC之間的通訊。
（3）廠中心控制室集中控制
中心控制室能對全廠生產(chǎn)過程進行監(jiān)測控制和數(shù)據(jù)處理，對所控設(shè)備進行自動或鍵盤（或鼠標）控制，可打印生成全廠的各種報表和曲線。方便污水處理廠的操作并完善管理。污水處理廠的SCADA系統(tǒng)有著區(qū)別于其他工業(yè)場合的特點，拱北污水處理廠SCADA系統(tǒng)根據(jù)其特點采用了以下相應(yīng)的解決措施：
1）一般污水處理廠的占地都較大，且設(shè)備分散，因此需要借助于遠程通訊將數(shù)據(jù)傳至中心控制室。該廠采用了ControlNet冗余網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，連接各個分控站的PLC。ControlNet可以保持可重復(fù)的響應(yīng)，與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備消息傳遞及編程無關(guān)，甚至與增加節(jié)點也無關(guān)。Con-trolNet的速度與節(jié)點數(shù)、介質(zhì)和中繼器均無關(guān)，因此非常適合污水處理廠分站節(jié)點多、傳輸距離遠的特點。ControlNet網(wǎng)具有很好的診斷和排錯功能，再加上網(wǎng)絡(luò)冗余，可靠性非常高。
2）因為設(shè)備分布距離遠，而且分散，有些現(xiàn)場的操作環(huán)境相對惡劣，所以參與程控的設(shè)備除了按既定的邏輯程序工作運行外，根據(jù)工藝狀況，有時候需要在控制室內(nèi)對設(shè)備進行點對點的遠程控制，即中控室可以遠程直接控制遠端的設(shè)備。
3）由于污水處理具有持續(xù)不斷性，因此設(shè)備工作時間相對比較長，同時設(shè)備的工作環(huán)境又相對惡劣，所以了解設(shè)備的工作時間和狀況就顯得尤其重要。因此在報表內(nèi)容里有設(shè)備的運行時間、累計運行時間、起停次數(shù)等參數(shù)的歷史記錄。
4）污水處理的過程，特別是生化反應(yīng)過程是一個較為復(fù)雜且時間較長的過程，同時與其相關(guān)的參數(shù)也比較多。通常在調(diào)試過程中，季節(jié)轉(zhuǎn)換時和外部水源發(fā)生較大變化時，參數(shù)的設(shè)定都需要作較大的調(diào)整，這一點與其他工藝過程相對穩(wěn)定的系統(tǒng)不一樣，因此程序編制時應(yīng)給予工作人員較大的調(diào)整余地和更多的可以干預(yù)生產(chǎn)過程的切入口。
5）在污水處理的成本中，電耗是一大項，要有效地控制成本，如何節(jié)約電費是一個重要環(huán)節(jié)。拱北廠三期項目的用電成本占污水處理成本的50％左右，而生物池鼓風(fēng)機的用電量占總用電量的60％左右。所以，鼓風(fēng)機的曝氣控制對污水處理成本至關(guān)重要。設(shè)計曝氣系統(tǒng)時，引入了“前饋+后饋+模型”組合的多參數(shù)控制方式，可大大減少鼓風(fēng)機的耗電量。其系統(tǒng)原理如圖2所示。
3 SCADA系統(tǒng)控制模型
溶解氧是影響生物處理過程的首要因素，污水處理效果很大程度上取決于溶解氧的控制水平。溶解氧是快速時標變量，其動力學(xué)特性是非線性和時變的，因此在污水處理過程中，溶解氧受到諸多因素影響。傳統(tǒng)的PID控制策略無法及時準確地應(yīng)對各種擾動的影響，要達到精確控制就必須建立可靠的控制模型。從圖2可以看出，系統(tǒng)主要從進水分控站引入進水流量信號和水質(zhì)信號（水質(zhì)信號主要是SS濁度、pH和COD），使曝氣系統(tǒng)及時隨進水水質(zhì)和水量的變化而對系統(tǒng)供氧量作出響應(yīng)；從污泥分控站獲取污泥的重要信息，判斷出水水質(zhì)處理情況，從而進一步對曝氣系統(tǒng)作出有效的調(diào)節(jié)。溶解氧控制擾動越小、越精確，生化系統(tǒng)的平衡性控制就越好，水質(zhì)處理就可達到一個最佳、最經(jīng)濟的工藝狀態(tài)。
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拱北污水處理廠三期SCADA系統(tǒng)的PLC分站采用Controllogix5000系列的產(chǎn)品，上位機組態(tài)監(jiān)控軟件采用RSView32組態(tài)軟件，通訊網(wǎng)絡(luò)為ControlNet冗余網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場儀表大多數(shù)都是采用穩(wěn)定性、可靠性好的著名品牌的產(chǎn)品。其系統(tǒng)設(shè)計方案如圖3。
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從圖3中可以看出，上位機數(shù)據(jù)采集A站和B站雙機熱備，互為冗余，分別處理數(shù)據(jù)（如量程轉(zhuǎn)換、趨勢顯示分析、報警、計算、事件記錄、歷史存儲、執(zhí)行用戶腳本等）并生成相關(guān)的數(shù)據(jù)報表。上位機數(shù)據(jù)采集站也是實現(xiàn)人機交互，如用文字、動畫顯示現(xiàn)場的狀態(tài)，并可以對現(xiàn)場的開關(guān)、閥門等設(shè)備進行操作。下位機PLC分站主要實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備（包括粗格柵、提升泵、細格柵、曝氣設(shè)備、水質(zhì)分析儀表等）的數(shù)據(jù)采集，并實現(xiàn)部分設(shè)備的邏輯控制，如提升泵房的液位控制、生化系統(tǒng)的曝氣控制、脫水設(shè)備的自動調(diào)節(jié)控制等。這種設(shè)計方案在早期運用的比較多，組態(tài)相對簡單，數(shù)據(jù)傳輸可靠性和實時性較好。但是隨著對數(shù)據(jù)處理要求的提高，這種設(shè)計方案已逐漸被淘汰，現(xiàn)正在做C/S（客戶/服務(wù)）結(jié)構(gòu)的改造，改造后的方案如圖4。
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改造后，所有的分站數(shù)據(jù)，包括擴建工程的分站數(shù)據(jù)都通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集服務(wù)端。數(shù)據(jù)服務(wù)端采集分站數(shù)據(jù)進行存儲和處理。這里需要特別說明的是，由于所選用的網(wǎng)絡(luò)具有透明性，數(shù)據(jù)服務(wù)器可以直接訪問ControlNet網(wǎng)絡(luò)上的各個分站，擴建后任意工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)點上的分站和ControlNet網(wǎng)絡(luò)上的各個結(jié)點也可以互相通訊。數(shù)據(jù)采集客戶端從服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫訪問數(shù)據(jù)，并可實現(xiàn)對所有分站的監(jiān)控。
由于服務(wù)器強大的數(shù)據(jù)處理功能，可滿足擴建后的大量數(shù)據(jù)處理和管理升級，又可使新舊項目成為一個有機整體，真正實現(xiàn)全廠集中管理、分散控制的控制管理目標。
4 結(jié)語
近年來，隨著國家對環(huán)保監(jiān)控力度的加大和節(jié)能降耗要求的提高，對城市污水處理廠自動化管理程度的要求也越來越高。同時要求污水處理廠部分重要數(shù)據(jù)實現(xiàn)WEB的實時發(fā)布，便于政府和社會對公共環(huán)保行業(yè)的監(jiān)督。這樣就對污水處理廠SCADA系統(tǒng)提出了更高的要求。管理平臺的升級必然要求SCADA系統(tǒng)在技術(shù)上進行改良，特別是在開放性、安全性上滿足跨平臺管理，多用戶多層次的數(shù)據(jù)訪問及信息共享的需求。
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