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(tuán)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(shè)備維持水廠的基本運(yùn)營，但是集團(tuán)調(diào)度中心還沒有具備完善的整體調(diào)度管理系統(tǒng)。因此集團(tuán)想對下屬分廠系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)、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(yán)重浪費。
2.在缺少整體調(diào)度管理系統(tǒng)的情況下，集團(tuán)中心的領(lǐng)導(dǎo)層想要了解下屬各個水廠的運(yùn)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(zhǔn)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?dāng)?shù)據(jù)（如COD、PH等）產(chǎn)生一定影響，集團(tuán)中心的工藝工程師無法快速與現(xiàn)場關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析并及時制定排污方案。
3.現(xiàn)在集團(tuán)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(chǎn)出數(shù)據(jù)，而對于其中一些稍微詳細(xì)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(jìn)行科學(xué)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(tuán)監(jiān)控中心，因此無法實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)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(diào)度模型進(jìn)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(yùn)動控制和數(shù)以萬計的儀器儀表測試系統(tǒng)都高度、有機(jī)地融合在綜合自動化網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)和生產(chǎn)決策系統(tǒng)有機(jī)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(shè)備采集數(shù)據(jù)，以及對污水提升泵電機(jī)、閘門、電動\氣動閥門、粗\細(xì)格柵電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)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(luò)、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(shè)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(shè)備，方便系統(tǒng)改造升級，充分保護(hù)用戶初期投資并給用戶設(shè)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(shè)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(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)，讓科學(xué)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(jìn)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(dāng)網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)導(dǎo)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(jìn)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(diào)用數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)分析；
★在Internet網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行發(fā)布，用戶可在IE中實現(xiàn)瀏覽。
系統(tǒng)架構(gòu)圖如下所示：
三、實施方案
總體功能結(jié)構(gòu)中，生產(chǎn)數(shù)據(jù)獲取是基礎(chǔ)部分，如果不能獲取現(xiàn)場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，也就談不上數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。同時，由于生產(chǎn)數(shù)據(jù)獲取要和生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備進(jìn)行通訊，并且不能影響現(xiàn)場的生產(chǎn)，因此設(shè)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(lǐng)域的產(chǎn)品和服務(wù)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(hù)網(wǎng)關(guān)采集污水廠工程師站的數(shù)據(jù)，向市調(diào)、省調(diào)、總部運(yùn)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(hù)網(wǎng)關(guān)采集污水廠工程師站的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)送往市調(diào)度中心，市調(diào)度中心數(shù)據(jù)送省調(diào)度中心，省調(diào)度中心數(shù)據(jù)送總部運(yùn)營監(jiān)控管理系統(tǒng)，逐級傳送數(shù)據(jù)。
中心服務(wù)器：集團(tuán)總部的管理網(wǎng)中加兩臺冗余的實時數(shù)據(jù)服務(wù)器，此服務(wù)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(wù)要求，而且要滿足將來業(yè)務(wù)增長和新技術(shù)發(fā)展的要求，要在原有設(shè)備繼續(xù)發(fā)揮作用的基礎(chǔ)上，保證用戶能方便地增加或調(diào)整設(shè)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(hù)原有投資。主機(jī)系統(tǒng)應(yīng)具有良好的可擴(kuò)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(wù)的不斷發(fā)展創(chuàng)造條件。縮放性是企業(yè)網(wǎng)結(jié)構(gòu)要求中的重要方面。企業(yè)業(yè)務(wù)的快速變化，用戶不可預(yù)測的需求都要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能適應(yīng)這種情況。這就意味著我們在初期設(shè)計中，投資重點要放在一個可縮放的結(jié)構(gòu)上以及支持與它相關(guān)的軟硬件。
Web服務(wù)器：遠(yuǎn)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(guān)系數(shù)據(jù)庫的報警保存；事件查詢，保證相關(guān)人員實時掌握故障、報警信息、操作信息等的記錄和查詢；運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計與分析、生產(chǎn)管理、曲線分析。
省、市調(diào)度中心服務(wù)器：各省市調(diào)度中心設(shè)置獨立的實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，功能是將控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(hù)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(hù)網(wǎng)關(guān)）以O(shè)PC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(wù)器，信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)時，如何保證過程控制網(wǎng)絡(luò)的安全就變成了一個嚴(yán)峻的問題。一旦實現(xiàn)了信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)，就相當(dāng)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是專為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計的防護(hù)設(shè)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)）的問題。它與防火墻等網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)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(yīng)用數(shù)據(jù)的交換。由于沒有了網(wǎng)絡(luò)的連接，攻擊就沒有了載體，如同網(wǎng)絡(luò)的“物理隔離”。由于目前的安全技術(shù)，無論防火墻、UTM等防護(hù)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(quán)OPC Server的，采用力控數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)通過協(xié)議轉(zhuǎn)換，把采集數(shù)據(jù)主動送往相應(yīng)的實時數(shù)據(jù)庫。
網(wǎng)絡(luò)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(luò)模式或者集團(tuán)專用網(wǎng)絡(luò)，組建大型網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。虛擬私有網(wǎng)絡(luò)VPN(Virtual Private Network)出現(xiàn)于Internet盛行的今天,它使企業(yè)網(wǎng)絡(luò)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(luò)互聯(lián)模式為包羅萬象的應(yīng)用服務(wù)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(jìn)、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(dá)到4萬噸，污水處理后可達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)，排放水質(zhì)可直接用于農(nóng)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(jī)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(jìn)行自然凈化，最終全部回用。該項目投入運(yùn)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(zhì)起到關(guān)鍵性的作用，對縣域經(jīng)濟(jì)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(shè)備運(yùn)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(jìn)行歷史查詢和對比分析。
系統(tǒng)具備多種報警功能。當(dāng)有報警產(chǎn)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(qiáng)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(shè)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(shè)置開關(guān)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(jìn)水經(jīng)過粗格柵間過濾一些大的固體雜質(zhì)，去除那些可能對水泵有影響的無機(jī)物。需要監(jiān)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(shù)。
工藝流程如下圖所示：
2.細(xì)格柵間
細(xì)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(shù)。
3.SBR反應(yīng)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(fù)進(jìn)行。根據(jù)污水進(jìn)水方式、有機(jī)物負(fù)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(fēng)機(jī)房
鼓風(fēng)機(jī)房負(fù)責(zé)對反應(yīng)池進(jìn)行鼓風(fēng)曝氣，該鼓風(fēng)機(jī)房設(shè)置3臺鼓風(fēng)機(jī)，兩用一備。需要檢測閥門、鼓風(fēng)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)脫水，并壓成泥餅，經(jīng)螺旋輸送機(jī)送至污泥堆外運(yùn)。污泥沉淀后的上清液再輸送到反應(yīng)池反應(yīng)，進(jìn)一步去除其中的N、P物質(zhì)，同時在污泥脫水間外設(shè)沖洗加壓水泵。需要監(jiān)測污泥的流量、脫水機(jī)狀態(tài)等參數(shù)。
五、水務(wù)集團(tuán)中心運(yùn)營調(diào)度管理
水務(wù)集團(tuán)遠(yuǎn)程運(yùn)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(chǎn)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(guān)注的節(jié)能降耗問題進(jìn)行了針對性設(shè)計，采用多種科學(xué)手段進(jìn)行優(yōu)化控制，例如泵站機(jī)組聯(lián)編控制、優(yōu)化調(diào)度，降低能耗，延長機(jī)組使用壽命；自動分析水質(zhì)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(shè)備和備件等資產(chǎn)全面實現(xiàn)維修、養(yǎng)護(hù)、庫存管理，對資產(chǎn)變動過程進(jìn)行跟蹤和記錄，提供完善的各類報表。設(shè)備(儀表)養(yǎng)護(hù)流程、設(shè)備(儀表)維修計劃、設(shè)備潤滑計劃等完全自動化管理。生產(chǎn)設(shè)備實現(xiàn)了科學(xué)化、規(guī)范化、信息化的管理，延長了設(shè)備使用壽命和提高了設(shè)備的使用效率。
系統(tǒng)能通過內(nèi)嵌的能源計量管理模塊和生產(chǎn)計劃模塊自動對生產(chǎn)運(yùn)營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?qū)崿F(xiàn)效益優(yōu)化的生產(chǎn)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(jié)合的多種智能輔助分析工具。
優(yōu)化調(diào)度，節(jié)能降耗：針對生產(chǎn)運(yùn)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(diào)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(yù)置流程數(shù)據(jù)報送。同時可根據(jù)使用者要求進(jìn)行生產(chǎn)報表報送流程自定義，用戶權(quán)限隨時進(jìn)行任意格式數(shù)據(jù)報表導(dǎo)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(jié)
通過整套信息管理調(diào)度系統(tǒng)，調(diào)度中心可實時獲取各個分廠數(shù)據(jù)，運(yùn)用力控SCADA軟件平臺保證了數(shù)據(jù)的及時性、準(zhǔn)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(yùn)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(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、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(luò)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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