基于Profibus的SBR工藝污水處理自動控制系統(tǒng)
SBR工藝早在1904年就被開發(fā)，由于當時的 自動化水平比較低，所以沒有得到推廣應用，而近年來隨著自動化技術(shù)、設備及在線監(jiān)測儀 表的發(fā)展，使得對污水處理的自動化成為可能。同時對污水處理工藝進行自動化監(jiān)測和實時 控制是提高污水處理效率、降低處理能耗的關鍵。SBR反應主要是在反應池內(nèi)進行的，該工藝主要由進水、曝氣、沉淀、排水和閑置等五個階段組成。SBR工藝的處理效果主要取決于其 運行參數(shù)，其中主要參數(shù)包括各反應段時間以及曝氣強度。一般采用以PLC為核心的工藝過 程自動監(jiān)控系統(tǒng)，實時控制鼓風機、水泵、電動閥等設備及各反應段時間，使水質(zhì)達到 國家規(guī)定的排放標準。
進入21世紀，我國的環(huán)保事業(yè)迅速發(fā)展，工業(yè)廢水、生活污水的凈化處理成為當務之急。投 資少、運行靈活的SBR處理工藝得到廣泛的應用。SBR工藝早在1904年就被開發(fā)，由于當時的 自動化水平比較低，所以沒有得到推廣應用，而近年來隨著自動化技術(shù)、設備及在線監(jiān)測儀 表的發(fā)展，使得對污水處理的自動化成為可能。同時對污水處理工藝進行自動化監(jiān)測和實時控制是提高污水處理效率、降低處理能耗的關鍵。SBR反應主要是在反應池內(nèi)進行的，該工 藝 主要由進水、曝氣、沉淀、排水和閑置等五個階段組成。SBR工藝的處理效果主要取決于其 運行參數(shù)，其中主要參數(shù)包括各反應段時間以及曝氣強度。一般采用以PLC為核心的工藝過 程自動監(jiān)控系統(tǒng)，實時控制鼓風機、水泵、電動閥等設備及各反應段時間，使水質(zhì)達到 國家規(guī)定的排放標準！
由此可見，污水處理是一個多參量(如液位、水質(zhì)成分、流量、壓力等)、多任務(如污水輸 送、風量控制、水泵的啟停等)、多設備(如格柵機、水泵、鼓風機、閥門等) 且具有隨機性 、時變性和耦合性的復雜系統(tǒng)。因此，污水處理應由一個智能監(jiān)控與綜合管理系統(tǒng)來進行現(xiàn) 代化的管理，使之安全可靠地運行。
1 現(xiàn)場總線技術(shù)
在污水處理廠中，現(xiàn)場控制設備分布范圍比較廣，如果采用傳統(tǒng)的控制方案，勢必要敷設大 量的控制和信號電纜，浪費大量的人力和物力，十分不經(jīng)濟，同時使系統(tǒng)復雜，可靠性降低。采用目前比較流行的現(xiàn)場總線技術(shù)，可以降低成本，同時提高系統(tǒng)的可靠性，使系統(tǒng)易于 擴展和維護。Profibus是Process Fieldbus的縮寫，是一種國際性的開放式的現(xiàn)場總線標準 。目前世界上多數(shù)自動化技術(shù)生產(chǎn)廠家都為它們的自動化設備提供Profibus通信接口。Profibus已經(jīng)廣泛地應用于加工制造、過程控制和樓宇自動化，是一項成熟的技術(shù)。Profibus根據(jù) 應用特點可分為Profibus DP, Porfibus FMS, Profibus PA等三個兼容版本。Profibus DP是 經(jīng)過高速優(yōu)化的、廉價的通信鏈路，專為自控系統(tǒng)和設備級分散式I/O之間設 計的接口；使 用Profibus總線模塊用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸可以取代昂貴的24 V或0～20 mA并行信號線。 Profibus FMS解決車間級普通的通信任務，提供大量數(shù)據(jù)通信服務，提供中等任務的傳輸 速度。
2 系統(tǒng)組成及功能設計
現(xiàn)代化的污水處理系統(tǒng)需要實現(xiàn)管理與控制一體化，實現(xiàn)辦公自動化？刂葡到y(tǒng)不僅與 下層控制設備有良好的接口，而且具有與上層管理系統(tǒng)集成的接口，同時具有可擴展性。所以現(xiàn)代化污水處理系統(tǒng)要求在底層采用現(xiàn)場總線或者工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)，上層則選用優(yōu)秀的 監(jiān)控組態(tài)軟件。為了加強系統(tǒng)的可靠性，使整個系統(tǒng)能夠長時間無故障地運行，需要采用容錯技術(shù)。 根據(jù)全集成自動化（Totally Integrated Automation）的思想，將污水廠 控制系統(tǒng)分為管理級、控制級、現(xiàn)場級。
（1）管理級。管理級是系統(tǒng)的核心部分，完成對污水處理過程各部分的管理和控制，并實現(xiàn)廠級的辦公自動化。管理級提供人機接口，是整個控制系統(tǒng)與外部信息交換的界面 。管理級的各臺計算機具有相互通訊的功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換或共享。考慮到管理層功能結(jié)構(gòu)的層次性和可分割性，采用客戶/服務器（Client／Server）的體系結(jié)構(gòu)。服務器選用 大型的網(wǎng)絡關系數(shù)據(jù)庫，滿足開放、分布式數(shù)據(jù)庫管理方式的要求。服務器具有遠程控制操 作功能、狀態(tài)顯示功能、數(shù)據(jù)處理功能、報警功能、報表功能、通訊功能和冗余功能等。廠中心控制室中設備包括：兩臺安裝Siemens公司W(wǎng)inCC監(jiān)控組態(tài)軟件的冗余服務器作為上位機，兩臺服務器安裝WinCC組態(tài)軟件的完全版以及冗余軟件包，兩臺服務器互為備用，實現(xiàn)冗 余，提高系統(tǒng)的可靠性。裝有WinCC運行版的PC機作為監(jiān)控工程師操作站。這種配置的最主 要的優(yōu)點是保證數(shù)據(jù)的完整性和監(jiān)控操作的連續(xù)性。如果一個WinCC服務器出現(xiàn)故障，該服 務器的客戶機自動從發(fā)生故障的服務器切換到備用的服務器上，使所有的客 戶機 始終可以監(jiān)控生產(chǎn)過程，修復后的服務器回到系統(tǒng)后，自動實現(xiàn)歸檔數(shù)據(jù)的匹配。
管理級現(xiàn)場總線選擇ProfibusFMS總線，冗余服務器作為ProfibusFMS現(xiàn)場總線的主站 ，通過CP通信模塊與ProfibusFMS現(xiàn)場總線連接。
（2）控制級。控制級是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的關鍵，也是管理級與現(xiàn)場級之間的樞紐層。其主要功能是接受管理層設置的參數(shù)或命令，對污水處理生產(chǎn)過程進行控制，同時將現(xiàn)場狀 態(tài)輸送到管理層。控制級要求具有高可靠性，所以在系統(tǒng)的關鍵部分中要采用冗余技術(shù)？刂破魇钦麄系統(tǒng)的核心，所以在控制級中，采用兩個Siemens公司CPU3152DP型PLC組成冗 余 控制器，一個為主站，一個為備用站。兩個PLC之間通過并行總線通訊，進行信息交換，相 互監(jiān)視，實現(xiàn)雙機熱備冗余。每個PLC上安裝一塊ProfibusFMS通信模塊CP與ProfibusFM S現(xiàn)場總線連接，PLC作為ProfibusFMS現(xiàn)場總線的從站，作為控制系統(tǒng)的下位機，通過總 線 與上位機通信。Siemens公司S7 3152DP型號PLC具有ProfibusDP網(wǎng)絡通訊接口，可作為ProfibusDP現(xiàn)場總線的主站。兩個S7 3152DP主站建立冗余配置的Profibus－DP現(xiàn)場總線系 統(tǒng)，與控制現(xiàn)場的遠程分布式智能I／O模塊連接，實現(xiàn)與現(xiàn)場設備和傳感器通信。
（3）現(xiàn)場級，F(xiàn)場級是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎。現(xiàn)場級主要由一次儀表（如液位計、DO 傳感器等）、控制設備等組成。其功能主要是對系統(tǒng)設備的狀態(tài)、傳感器參數(shù)進行監(jiān)測，并 把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)上傳；接受控制級的指令對執(zhí)行機構(gòu)進行控制。由于控制設備比較分散，在傳統(tǒng)的工廠內(nèi)，輸入／輸出設備連接到一個集中的機架，在設備改變和系統(tǒng)擴展時，導致接 線工作量大，成本高，柔性度低。通過開放的、標準化的現(xiàn)場總線系統(tǒng)來連接部件，應用Siemens公司ET200分布式I/O是解決這些問題的最佳方案。分布式配置意味著可編程序控制器、I/O模塊和現(xiàn)場設備通過稱為現(xiàn)場總線的信號電纜連接。將輸入/輸出模塊轉(zhuǎn)換成就地監(jiān)測器和執(zhí)行器，可就地轉(zhuǎn)換和處理過程信號？上窦信渲媚菢舆M行程序設計。在控制點比 較集中的控制現(xiàn)場配置一個遠程分布式智能I／O模塊ET200M，現(xiàn)場I／O信號直接輸入I／O模 塊，每個ET200M 模塊上安裝有兩塊IM153－2型號帶有ProfibusDP接口的模塊，與冗余ProfibusDP現(xiàn)場 總線分別 連接。ET200M模塊采用活動總線式底板（Active Bus Module），所有模塊可以帶電熱插拔 ，便于維修。
在以上的配置中，系統(tǒng)重要的部分采用冗余技術(shù)，使整個控制系統(tǒng)具有極高的可靠性， 可以實現(xiàn)每天24小時不間斷工作。根據(jù)此設計思想和關鍵技術(shù)方案分析得出系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。
3 智能傳感器
污水處理過程中，需要實時地在線監(jiān)測各種水質(zhì)參數(shù)以保證準確的工藝運行參數(shù)和及時 顯示處理結(jié)果。在本系統(tǒng)中涉及到的傳感器數(shù)量大、種類多，包括溫度、pH、SS（固體懸浮 物)、DO（溶解氧）、COD、液位傳感器以及ORP（氧化還原電位）儀、流量計、壓力計等。傳感 器全部采用德國Endress+Hauser公司的產(chǎn)品，這些傳感器都帶有ProfibusDP接口，利用智 能接口，這些儀表能與自動化過程控制系統(tǒng)集成，這樣獲得的所有過程參數(shù)可以集中顯示， 同時作為工藝的控制參數(shù)。
由于污水成分比較復雜，具有腐蝕性，因此選用超聲波液位計測量液位，避免直接與污 水接觸，并且反應速度快，帶有總線接口具有遠傳功能，直接輸送到PLC，同時具有就地顯 示的功能，參數(shù)設置簡單、操作方便。 在污水廠的進水總管和出水總管分別安裝SS、溫度 、pH和COD傳感器，測得進水水質(zhì)參數(shù)用于反應控制，出水參數(shù)用于監(jiān)測工藝的運行效果，以防止處理后不合格的水排出。
在反應池的厭氧區(qū)內(nèi)裝有ORP計，測量厭氧區(qū)的氧化還原電位，反映生物硝化脫氮的情況，同時決定是否需要從好氧區(qū)回流污泥。好氧池內(nèi)裝有DO傳感器用于控制曝氣量，根據(jù)污水中的溶解氧含量決定空氣管電動閥的開度，從而控制曝氣量。SS傳感器用于監(jiān)測 污水中固體懸浮物的濃度。在空氣總管上安裝有壓力計，根據(jù)空氣總管空氣的壓力來控制 鼓風機的啟停以及實現(xiàn)變頻調(diào)速。在滿足工藝要求的同時可以實現(xiàn)節(jié)能。
4 上位機組態(tài)軟件
上位機系統(tǒng)要求：具有與多臺下位機系統(tǒng)通訊的能力，實時監(jiān)控多臺下位機的工作狀態(tài) ，顯示生產(chǎn)過程中的工作曲線；具有遠程控制能力；向下位機采集數(shù)據(jù)，對歷史數(shù)據(jù)進行存儲、查詢、顯示、打印等。因此，在一個自動監(jiān)控系統(tǒng)中，投入運行的監(jiān)控組態(tài)軟件是系統(tǒng) 的數(shù)據(jù)收集處理中心、遠程監(jiān)視中心和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心，處于運行狀態(tài)的監(jiān)控組態(tài)軟件與各種控制、檢測設備（如PLC、智能儀表等）共同構(gòu)成能快速響應的控制中心。優(yōu)秀的組態(tài)軟件 是實現(xiàn)上位機功能的基礎。
選用Siemens公司W(wǎng)inCC(Windows Control Center)5.0組態(tài)軟件。WinCC具有控制自動化過程的強大功能，是基于個人計算機，同時具有極高性價比的SCADA級操作監(jiān)視系統(tǒng) 。在兩臺服務器上安裝服務器版和冗余軟件包，客戶機安裝運行版。
圖2 組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)
該監(jiān)控軟件的結(jié)構(gòu)框圖見圖2。監(jiān)控組態(tài)軟件的功能及特點：
（1）友好的人機界面，控制操作方便。在中心控制室能對全系統(tǒng)被控設備進行實時控制，如啟停設備，在線設置PLC中程序的某些工藝參數(shù)等。
（2）實時畫面顯示功能。用圖形實時地顯示各現(xiàn)場被控設備的運行工況，以及現(xiàn)場的狀態(tài)參數(shù)。用模擬儀表、趨勢圖、曲線、柱狀圖動態(tài)顯示參數(shù)的實時變化情況，使生產(chǎn)管理人 員能夠快速、清晰地了解整個系統(tǒng)的生產(chǎn)運行情況。
（3）數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)庫存儲生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，供統(tǒng)計分析使用。工作人員可以定期把歷史數(shù)據(jù)庫備份到其它存儲介質(zhì)，以便于歷史數(shù)據(jù)的查詢。利用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行比較和分析，得出一些有用的經(jīng)驗參數(shù)，有利于優(yōu)化SBR工藝的閉環(huán)控制。
（4）報警功能。當參數(shù)超過設定范圍或設備（如電機啟停、閥門開關）發(fā)生故障時，可根據(jù)組態(tài)發(fā)出不同等級的聲光報警，如屏幕顯示報警信息、打印機輸出報警信息等？筛鶕(jù)報警信息自動切換到相應的監(jiān)控畫面。所有的報警信息均被記錄在報警數(shù)據(jù)庫中，便于以后 的事故分析使用。
（5）報表打印功能。可以實現(xiàn)報表和圖形打印以及各種事件和報警實時打印。打印方式分為定時打印和事件觸發(fā)打印。
（6）通訊功能。WinCC是基于標準的Windows平臺開發(fā)的SCADA系統(tǒng)軟件，充分考慮了與其它 系統(tǒng)交換信息的必要性，支持如DDE，OLE，ODBC，OPC和SQL等標準？梢蕴峁┒喾N方式與上 層系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換。
（7）冗余功能。兩臺裝有WinCC組態(tài)軟件的服務器互為冗余，確保數(shù)據(jù)完整。
5 控制軟件編程
一套理想的軟件不只限于滿足工藝要求，而且要考慮到現(xiàn)場出現(xiàn)的各種特殊情況，因 此必須可靠、實用、易修改。
5.1 控制規(guī)律
軟件編程的主要依據(jù)為生產(chǎn)工藝提供的控制規(guī)律。同一種處理工藝可能會有不同的控制 策略，根據(jù)目前的研究狀況，SBR工藝的控制可以分為三種：一種是生物濃度法。是指根據(jù) 在線測 得的水質(zhì)參數(shù)與設定參數(shù)形成閉環(huán)控制；第二種是反應時間控制。對于時間控制規(guī)律而言，它是根據(jù)對SBR反應的五個階段所需要的時間進行自動控制的。第三種是流量程序控制。是 根據(jù)污水流量的變化來調(diào)整各個階段所需時間進行自動控制。后兩種控制方法都不是根據(jù)廢水的水質(zhì)變化來改變某些運行參數(shù)進行自適應控制的。
生物濃度控制的基本思想是動態(tài)的控制SBR的反應時間使其中的有機物濃度（用COD或BO D表示）達到允許的排放標準，就停止曝氣。在線測定有機物濃度的BOD或COD傳感器比較貴 ，一般都在幾十萬元，目前還沒有應用報道，而且實時性比較差，反應時間慢。試驗表明：在SBR法的反應階段在一定混合物濃度和溫度的條件下，對一定的廢水而言，反 應池中的BOD和COD濃度與耗氧速率（OUR）及氧化還原電位（ORP）有密切的關系。一般說來 ，有機物濃度越低，則OUR越低而ORP越高，因此可以通過OUR與ORP來監(jiān)測有機物濃度的變化，進而通過計算機來自動控制反應過程。[KG)]
時間控制程序是根據(jù)對SBR反應池的五個運行階段所需要的時間進行自動控制。該方法不是根據(jù)污水的水質(zhì)變化來改變某些運行參數(shù)進行自適應控制。對于進水時間、曝氣時間、 沉淀時間、排水時間及閑置時間均可由上位機設定。SBR反應池的各段工藝過程及其執(zhí)行時 間均嚴格按時序進行，每個反應池的任何設備均可通過電氣柜上的手動/自動轉(zhuǎn)換開關改變 其狀態(tài)，但均不能改變PLC所設定的工作時序，并且一旦切入自動狀態(tài)后便進入PLC所設定的 時序。在自動狀態(tài)下，操作人員在中心控制室可以通過人機界面實現(xiàn)遠程遙控操作，F(xiàn)場設 備的工作狀態(tài)均送上位機顯示。
5.2 控制程序
根據(jù)以上情況，對應設計了兩種控制程序，可根據(jù)實際情況由上位機選擇運行。
（1）生物濃度法控制程序。生物濃度法采用反饋控制，利用在線測得的進水水質(zhì)參數(shù)作為輸入，按照預先確定好的控制模型進行運算，然后用計算的結(jié)果作為輸出控制現(xiàn)場的 設備，動態(tài)控制反應時間，以達到控制反應的目的。
（2）時間控制程序。①本控制系統(tǒng)嚴格按照時序、按順序工作。②允許在工作過程中任意進行遙控、自控切換且不影響工作時序。
6 結(jié)語
在污水處理控制系統(tǒng)中采用現(xiàn)場總線改變了傳統(tǒng)的全模擬量傳輸?shù)姆绞剑诂F(xiàn)場總線級 實現(xiàn)了數(shù)字量傳輸，達到了提高信號傳送精度，增強現(xiàn)場控制靈活性，降低現(xiàn)場儀表初裝費和設計施工費用，減少電纜敷設，易于維護和擴展的目的。該自動控制系統(tǒng)已經(jīng)在浙江海寧 污水處理廠投入運行，實現(xiàn)了污水處理SBR工藝的自動控制，提高了污水處理的效率和效果，同時降低了能耗，取得了良好的經(jīng)濟效益與社會效益。
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