污水处理厂远程监控系统开发参考模型

李启飞 马培舜
(昆明市城市排水公司）

1 污水处理厂运行状况

　　据有关资料，我国目前巳建成投人生产运行的污水处理厂，自动控制监测技术，大致有几种情况：一种情况是建立中央控制室，中控室双机热备系统通过通信介质（如双绞线、光纤等）连接厂内各PLC控制子站；各RLC控制子站控制现场的仪器仪表执行机构，从而达到监测控制的目的；第二种情况是在各污水处理厂直接通过各PLC子站控制各现场的仪器仪表；第三种情况是由于建厂时间较早或经费投人不足；厂内没有控制系统。无论何种情况，由于采用的设备和技术参差不齐，给污水处理厂的生产运行、管理受到不同程度的影响，严重情况影响出水水质；甚至水厂停产，有待于采用新的自动控制技术，对污水处理厂自动控制系统进行改造、改建、甚至重建，以满足污水处理厂生产运行的需要；同时国家宏观经济建设政策明确提出，要广泛推广科学技术在各行各业的应用，用计算机信息技术、通信技术等高科技技术，提升改造传统产业，朝着生产过程自动化、管理信息化、高质量、高效率、节能的方向发展，污水处理行业亦不例外，迫切需要采用计算机信息、通信、自动化控制等高科技技术，结合污水处理行业各种处理工艺，提升改造传统污水处理厂的生产、管理等工作；其次。计算机软件技术、通信技术、自动化控制技术、各种传感器、智能仪器仪表的飞速发展，也为污水处理行业生产、管理自动化、信息化提供了强有力的技术和产品支持。

2 参考模型

　　参考模型示意图如图1-1所示。

　　建立污水处理厂监控中心，污水处理厂监控中心负责污水处理厂生产运行的监测监控；同时将有关信息上传到有关职能管理部门，通过有线和无线的方式实现监控中心和各个污水处理厂信息的交换传输。根据污水处理厂性质、所属部门及监控中心职能和具体情况；可分二种模式模式一：污水处理厂监控中心只对污水处理厂进行监测；生产控制由各污水处理厂在厂内完成。例如环保部门或有关政府职能部门所属的此类监控中心，为了有效地监测工矿企业或其它可产生污染源企事业污水处理厂运行，可以考虑采取这种模式。模式二：污水处理厂监控中心对污水处理厂监测监控，直接控制各污水处理厂的生产及运行。例如专一或主要从事污水处理的企业及部门，有多座污水处理厂，综合经济效益和社会效益，可以考虑采取这种模式。
　　二种模式具体模型如下：
　　（1）、污水处理厂生产流程及控制监测点
　　污水处理有多种工艺，各污水处理厂采用的污水处理工艺、设备、土建工程、地理环境等不同，但处理的流程及控制点是有共性的。图1-2是一污水处理厂处理工艺流程示意图，是常见的一类ICEAS污水处理工艺。根据该工艺流程图，在全面考虑的情况下，污水处理厂自动控制流程回如图13所示。从图上可知，自动控制系统设计模型考虑了污水处理生产控制的可能环节。

　　根据工艺流程、控制点及现场设备的安装地理环境，采用先进的管理控制技术，系统分为控制层、监控层、管理层三层进行监测和控制。控制层分若干个PLC子站（本图为三个）分别对厂内设备、及监测点进行控制、监测，采集信号，控制生产设备；监控层，在厂内设中心控制室，对于独立运行的污水处理厂，中控室有二个功能，一是监控全厂的整个生产过程，二是将有关污水处理厂的运行状况上传污水处理厂监控中心；对于由污水处理厂监控中心直接监测控制运行的污水处理厂；将有关污水处理厂的运行状况及有关信息上传污水处理厂监控中心，将污水处理厂监控中心执行指令下传各PLC，由PLC控制各现场仪器及仪表；管理层主要在污水处理厂监控中心完成。系统同时还充分考虑特殊情况下的现场手动控制。
　　控制范围包括进水闸门进入水量、闸门紧急关闭设备进行相应的控制；除渣机粗隔栅和细隔栅控制；污水提升泵站恒速及调速泵控制；除砂机控制；初次沉淀池设备包括刮泥机、排泥泵、泡沫去除设备等，重点考虑排泥泵控制；曝气地设备控制，由于污水中污染物的去除主要在曝气池中完成，因此曝气池的运行状况在某种程度上决定了整个处理系统的处理效果。向曝气池供氧所需的运行费用也占总运行费用的很大比重。影响曝气地运行的因素很多，如污泥龄，溶解氧（DO）浓度；混合液悬浮固体（MLSS）浓度，污泥回流比和BOD污泥负荷等。合理地控制这些影响因素能有效地提高曝气池的处理效率，所以；曝气池的自动控制对整个处理系统来说是至关重要的，包括供气量的控制、回流污泥量控制，供气量的控制主要有恒定供气量控制、与进水量成比例控制、定DO浓度控制；回流污泥量控制主要有定回流污泥量控制、与进水量成比例控制、定MLSS浓度控制；二沉池排放剩余污泥控制，排放剩余污泥控制主要有定污泥排放量控制、间歇定时排泥控制、定污泥龄控制、随机排泥控制；浓缩池排放浓缩污泥的控制，浓缩污泥排放的控制方法主要有用计时器控制排泥泵的启动与停止、用计时器和预置计数器控制每日排出一定量的浓缩污泥等；厌氧地温度、污泥投配与排出和搅拌控制；污泥浓缩脱水药品控制、脱水机控制。
　　（2）、污水处理厂监控中心
　　污水处理厂监控中心的作用主要是监视或监控制远方各个现场污水处理厂的生产运行；同时将各个污水处理厂生产运行状况等信息上传有关管理部门，同时考虑未来工作的可扩展性，应选用以下设备：高性能交换机、高性能双机热备服务器、工业控制计算机、高清晰度彩色显示器、针式打印机、不间断电源、管理计算机、激光打印机、工作台、文件柜、转椅，消耗品、大屏幕投影屏、工业键盘、连接各污水处理厂的通信设备等。同时建成网络系统，如图1-4所示。
　　（3）、网络结构及通信
　　污水监控网络系统为以太网，根据控制污水处理厂的数量及传输信息量；并充分考虑将来发展需要，可以设计为1000M以太网或100M以太网，主干网速率100M以上，主要由三个子系统构成。监控中心网络系统（如图1-4所示）、现场监控网络系统（如图1-3所示）及各污水处理厂和监控中心通信系统。
　　各污水处理厂和监控中心通信系统网络及通信方式很多，从大类上分无线和有线二种类型，可根据监控污水处理厂的数量、传输的信息量、系统所在地的通信条件等诸多因素来确定。主要有如下一些方式：有线：包括光纤、公共数据网PSDN、ISDN、电话拨号等；如图1-5是一种典型的通过光纤连接的通信方式，采用此通信方式，中心到各个污水处理厂的速率可达到100M以上，完全可以满足网络通信的要求；无线：包括电台、微波、扩频微波及卫星。如图16是一种典型的无线微波通信方式，采用此无线通信方式连接到各污水处理厂的速率可达到2M以上，最新产品可达11M，在污水处理厂数量不多、传输信息量相对少的情况下，也可以满足系统网络通信的要求。有条件的地区，也可以选择公用信息通道。作出最终选择时；要根据具体情况，综合投资及使用性价比综合考虑。
　　（4）、操作系统选型及开发工具的选择
　　常见的操作系统有WINDWOS、WIX、LINUX等，选择操作系统须考虑多种因素，主要看是否能使系统稳定的运行，操作系统之上的开发工具及软件是否易于开发、提供用户的操作界面是否方便；一般图形界面为佳，微软WINDOWS NT、WINDOWS 2000得到广泛应用，可作为首选。对一个工业自动化系统，其软件的开发与所采用的硬件是密切相关的。比如，用某一型号的PLC 则要用厂家提供的一套开发软件，用梯形图等方法来开发其应用控制软件；用某一DCS系统，则要用该厂家提供的一套组态软件来进行其应用控制软件的开发。因此，在选用系统硬件时，必须考虑它的开发软件是否方便地用在使用它的自动化系统中。目前；DCS集散控制系统的上位机开发运行平台有多家，如：FIX，InTouch,　WIZCON，PARAGON TNT等。下位机编程软件有Concept、OptoControl。WJZCON是PC Soft国际有限公司的产品，主要用于工业过程控制自动化组态软件的开发运行平台。WIZCO N具有全汉化版本，具有较好的人机界面。WIZCON是一个开放的环境，可以与第三方软件进行数据交换。Wonderware公司的InTouch，是业界较领先的工业过程控制自动化组态平台；可提供一个查看控制和信息资源的单一的集成的视图，使工程师、监督员、管理员和操作员通过表示生产过程的图形显示，进行监视并按运营状况作出反应。

　　Inyouchd的主要特点是面向对象的图形；易于配置的应用程序，意味着更快的开发节奏；动画链接；分布式报警，这种功能可以同时支持多个报警服务器或“提供者”；InTouch 7.0包含了应用程序测览器，该测览器可以实现各组件对象的分层显示。InTonch的性能价格比较优秀，目前在许多行业获得了成功的运用。
　　综上所述；上位机开发软件选用 Wonderware 的InTonch是一明智的选择。下位机开发软件的选择一定要考虑它的下位机选型而定，根据PLC的立品型号、性能确定。
　　(5)污水处理厂监控系统软件
　　①计算机监控管理程序主要功能及设计思想
　　A：操作与监控
　　主要是对污水处理厂数据采集及控制自动化系统的控制参数设置；完成数据采集及控制自动化系统的组态；监控生产作业过程，包括显示控制过程画面和实时数据，显示系统总体框图；绘制重要参数的变化趋势图；显示重要设备的工作状态；历史数据的统计分析和存储；辅助管理日常生产业务，提供诀策参考。
　　B：事故报警
　　生产过程中的检测量超标时，系统自动报警显示，并通过报警打印机打印输出，形成记录文件；生产过程中的自动状态下的控制设备发出故障信号或失去控制时，系统自动报警显示；并通过报警打印机打印输出。形成记录文件；报警数据自动存储以备事后分析。

　　C：数据存档和生产报表
　　系统自动生成日报表、月报表和统计报表，通过报表打印机打印输出，形成生产记录文件，并且文档可由EXCEL或其它电子表格软件进行自定义处理；具有时间和事件控制存档；可与其他 WindowS程序进行动态数据交换。
　　② OI人机操作界面设计思想
　　A：人机操作界面是整个系统与用户之间交流的窗口，它提供一种直观的图形化的功能实现。通过其独有的动画功能、语音功能向监控中心的操作员展示各个数据采集及控制自动化系统实时的、全面的、历史的工作过程，方便操作员监控任务的圆满完成。
　　B：OI 中所设计的任何一副画面都是由对象组成。每个对象都有其属性。系统运行时，各个画面中不同对象所发挥的作用都是将对象的各种属性进行必要的设置或与相应属性控制函数进行必要的链接来实现的，整个操作界面为层次渐进风格。
　　第一层为所有污水处理厂的分布图。主要显示污水处理总量、各污水处理厂总体状况（正常、超载或关闭）等；第二层为各个污水处理厂逼真的、全面的工艺流程画面。主要显示该污水处理厂的污水处理总量、其各个设备的总体状态（正常、超载或故障）等；第三层为污水处理厂中各个具体设备的工作状态、历史记录显示，控制窗口提供对该设备启动／关闭及维护等控制。每一层都通过双击进人，即在第一层双击某污水处理厂进人第二层，在第二层双击某设备进人第三层。
　　③污水处理厂监控中心软件具体功能设计
　　污水处理厂监控中心软件所要实现的主要功能是对下属各个污水处理厂的运行情况进行监视和控制。
　　A：监视和记录各个污水处理厂的工作参数，主要包括人口污水流量和出口达标净水流量；集水池的液位、液位报警；粗格栅系统上下游液位差、液位差报警；细格栅系统上下游液位差、液位差报警；进水泵站处的H₂S泄漏参数；生化反应地厌氧池的PH值、好氧池的溶解氧量及鼓风机气体流量值；鼓风机房气体出口压力值，鼓风机轴承温度和润滑油温度；污泥池的液位；污泥浓缩和脱水机房的污泥流量。
　　B：设备运作状态，主要包括每台泵的电机运转情况，包括所用泵的号码、启／停状态、电机温度、电机工作；电流和电压、电机报警；软启动器的工作状态，包括正常或故障、启/停、报警。流量计、液位计、PH检测计等的维修状态。
　　C：各个信息的历史记录，主要包括设备（泵、软启动器等）运行时间、故障次数、原因及维修记录；各个污水处理厂的日或月处理水量的统计；污水处理厂内各个设备的运作调度记录。
　　D：按模式二所设计及建立的污水处理厂监控中心，直接控制各污水处理厂的生产及运行，直接下达实时控制指令，控制下属污水处理厂的工作：主要包括开启／关闭某个污水处理厂的运作；启／停某个污水处理厂内某台设备（优先级高于污水处理厂的部门级控制中心）；下达非实时性控制或维护指令，指导下属污水处理厂的辅助工作，包括设备检修等。

　　E：将污水处理厂生产及运行的各种信息，甚至主要关键设备的运行状况，按各类管理部门需要上传有关部门。
　　（6）人员培训
　　在开发过程中，要分层次对各类使用人员进行培训，以保证系统建成后，能及时稳定投入生产的运行。

3 产生的效益

　　通过建立污水处理厂监控中心，实现污水处理厂生产运行的远程监测或监控，预计可产生如下效益：
　　（1）建立污水处理厂监控中心，建成以PLC、工控计算机、管理计算机、服务器、计算机网络及各类软件系统为核心的污水处理厂实时管理控制系统，自动监测或监控污水处理厂设备及生产运行，达到污水处理厂远程监测或监控自动化、管理信息化。
　　（2）建立污水处理厂远程监控系统，污水处理厂内自动化控制及技术水平得到全面显著提升，可以安全、可靠地实现各种复杂的污水处理工艺流程，减少人为因素带来的可能事故和隐患，保证污水处理出水水质，同时减轻劳动强度，提高工作效率和效益。
　　（3）使污水处理厂生产运行及管理产生质的变化；部门职能发生转变，剥减冗余部门及人员，部门优化重组减员增效。
　　（4）通过建立污水处理厂远程监测、监控系统，实现对各污水处理厂内设备的有效调度和控制，节约能耗，实现增效。
　　（5）建立污水处理厂监控中心达到各污水处理厂管理的舆中监测或监控，在污水处理厂监控中心和主管职能部门，能及时方便地了解掌握污水处理厂的生产和运行情况，实现对污水处理厂的有效管理和实时监督特别是对一些需要强化监督管理的工矿企业污染源等污水处理厂，效果尤其显著。

4 结束语

　　本文针对我国城市污水处理厂远程监控系统开发建设，提出建立系统的参考模型和有关技术。这个参考模型提出了城市污水处理厂远程监控系统实现的手段和技术方法，希望能对我国城市污水处理厂远程监测或监控系统开发建设提供有益的参考。