力控科技污水處理調(diào)度系統(tǒng)解決方案
關(guān)鍵詞：力控,SCADA，調(diào)度平臺(tái)，ForceControl，監(jiān)控組態(tài)軟件，污水處理，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫
一、概述
城市污水處理廠建設(shè)作為城市環(huán)境污染防治的重要措施和手段之一，越來越受到政府和社會(huì)各界的高度重視。近幾年來，我國政府加大了城市污水處理基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資力度，對改善和提高城市區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量發(fā)揮了重大作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和我國污水處理工程的迅速發(fā)展，對污水處理的過程的自動(dòng)化程度要求也在不斷提高。同時(shí)因?yàn)槲鬯幚硪彩黔h(huán)境保護(hù)中的最重要的一環(huán)，污水處理的達(dá)標(biāo)合格性和環(huán)境保護(hù)密切相關(guān)，對污水處理的數(shù)據(jù)的監(jiān)控工作也開始提上了日程。本方案結(jié)合污水水務(wù)運(yùn)營監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施，詳細(xì)介紹了力控科技產(chǎn)品在該系統(tǒng)中的功能與應(yīng)用。
二、現(xiàn)狀與需求
目前集團(tuán)下屬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)備來維持著水廠的基本運(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)，無法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程管理信息的實(shí)時(shí)全覆蓋和工藝流程可視化，也無法滿足優(yōu)化資源分配，科學(xué)績效管理的需求。
通過對污水處理廠現(xiàn)場的分析，需要在集團(tuán)總部設(shè)總調(diào)度中心，從而監(jiān)管全國污水處理廠的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)對分布在全國各地的污水處理廠的整體管理，運(yùn)營部人員可以實(shí)時(shí)的了解到全國各地的污水處理情況，實(shí)時(shí)掌握污水處理的第一手資料。
因此想要實(shí)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(dòng)控制和數(shù)以萬計(jì)的儀器儀表測試系統(tǒng)都高度、有機(jī)地融合在綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)上。從自動(dòng)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(dòng)化孤島，實(shí)現(xiàn)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)的有機(jī)融合。
三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)
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(shí)現(xiàn)對PLC、儀表、變頻器等設(shè)備數(shù)據(jù)采集，以及對污水提升泵電機(jī)、閘門、電動(dòng)\氣動(dòng)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(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)快速采集。數(shù)據(jù)展示具有豐富的動(dòng)態(tài)圖形、趨勢、報(bào)表等多種可視化途徑，可將現(xiàn)場視頻信息與實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、報(bào)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種類的硬件設(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。可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(chǔ)、查詢、分析、統(tǒng)計(jì)計(jì)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(jì)計(jì)量部門提供真實(shí)、有效、及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)，讓科學(xué)績效管理實(shí)現(xiàn)“有據(jù)可依”。
水務(wù)運(yùn)營監(jiān)控管理系統(tǒng)，作為全廠信息化項(xiàng)目。將主要先啟動(dòng)并實(shí)現(xiàn)以下功能：
●各水廠設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、上傳及存儲(chǔ)；
●各生產(chǎn)裝置流程圖畫面、歷史趨勢、報(bào)警信息的監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息的整體觀察畫面；
●生產(chǎn)調(diào)度日報(bào)軟件的設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試；
●自來水廠、供水及管網(wǎng)數(shù)字化分析、調(diào)度及決策。實(shí)現(xiàn)自來水廠、供水管網(wǎng)系統(tǒng)工況分析，保障供水及管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)合理運(yùn)行，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)運(yùn)行中存在的問題，建立事故應(yīng)急處理和管理決策系統(tǒng)。
●能源管理系統(tǒng)，同工藝、同處理量污水廠和自來水廠能耗對比，及時(shí)發(fā)現(xiàn)能耗高原因，防止能源浪費(fèi)，做到有效節(jié)能。
●大型設(shè)備管理系統(tǒng)，對大型水處理設(shè)備、重要儀表統(tǒng)一管理，提示維修人員及時(shí)更換備件、及時(shí)維護(hù)，延長大型設(shè)備、儀表的使用壽命。
四、實(shí)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(jì)分析。同時(shí)，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，同時(shí)又不能影響現(xiàn)場的生產(chǎn)，因此必須設(shè)計(jì)更為穩(wěn)妥的方案。項(xiàng)目實(shí)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(yàn)，對于控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取有較為成熟的方案，實(shí)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(dòng)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(tái)冗余的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器，此服務(wù)器的功能是將控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、壓縮、計(jì)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的查詢功能。系統(tǒng)不但要能滿足現(xiàn)階段的業(yè)務(wù)要求，而且要能滿足將來業(yè)務(wù)的增長和新技術(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，支持將來系統(tǒng)不斷更新和便于升級，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(jì)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)要求中最重要的一個(gè)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。這就意味著我們在最初設(shè)計(jì)中，投資重點(diǎn)要放在一個(gè)可縮放的結(jié)構(gòu)上以及支持它的相關(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(gè)煤礦系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)顯示：pSpace Client\ForceControl等軟件以動(dòng)態(tài)工藝流程圖、圖表趨勢等形式實(shí)時(shí)顯示各子系統(tǒng)信息；實(shí)時(shí)報(bào)警：系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫提供分級報(bào)警、變化率報(bào)警、死區(qū)報(bào)警、優(yōu)先級報(bào)警等多種功能；歷史報(bào)警：數(shù)據(jù)庫支持報(bào)警記錄與查詢、支持關(guān)系數(shù)據(jù)庫的報(bào)警保存；事件查詢：保證相關(guān)人員實(shí)時(shí)掌握故障、報(bào)警信息、操作信息等的記錄和查詢；運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計(jì)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(dú)立的實(shí)時(shí)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(jì)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(shí)時(shí)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(gè)污水廠的實(shí)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OPC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(shí)現(xiàn)互聯(lián)時(shí)，如何保證過程控制網(wǎng)絡(luò)的安全就變成了一個(gè)嚴(yán)峻的問題。一旦實(shí)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是種專為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計(jì)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)都不能保證攻擊的一定阻斷，入侵檢測等監(jiān)控系統(tǒng)也不能保證入侵行為完全捕獲，所以最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?cái)?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(dòng)送往相應(yīng)的實(shí)時(shí)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(gè)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(tái)。
控制器：每個(gè)污水處理廠均采用可編程控制器PLC來實(shí)現(xiàn)邏輯控制功能，其先進(jìn)、高度緊湊的模塊化特點(diǎn)，可以滿足各種現(xiàn)場控制需求，大大提高了整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的智能性。
系統(tǒng)架構(gòu)圖如下所示：
五、工藝簡介
下面以典型污水廠為例，簡要介紹污水處理工藝流程。該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(diǎn)項(xiàng)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(xiàng)目投入運(yùn)營后，每年可以減少近千萬噸的污水排放量，不僅可大大改善該縣城區(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(huì)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(jì)、溶解氧計(jì)、氧化還原電位計(jì)、污泥濃度計(jì)、電磁流量計(jì)、等數(shù)據(jù)，并以仿真圖、直方圖和曲線圖、棒圖等多種方式清晰直觀的顯示各個(gè)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(bào)警功能。當(dāng)有報(bào)警產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)有自動(dòng)彈出式報(bào)警窗口進(jìn)行閃爍報(bào)警，并同時(shí)配以聲音報(bào)警對用戶具有強(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(bào)警值、高位報(bào)警值、低位報(bào)警值、低低報(bào)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：
5.1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：
5.2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)。
5.3 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(shí)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)。
5.4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(tái)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)。
5.5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)。
5.6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在輸送到反應(yīng)池反應(yīng)，進(jìn)一步去除其中的N，P物質(zhì)，同時(shí)，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)
六、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混合模式友好直觀的顯示界面，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝圖形化實(shí)時(shí)監(jiān)視，各種能耗實(shí)時(shí)顯示；同時(shí)系統(tǒng)對污水處理廠最為關(guān)注的節(jié)能降耗問題進(jìn)行了針對性設(shè)計(jì)，采用多種科學(xué)手段進(jìn)行最優(yōu)化控制，如：進(jìn)行泵站機(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(dòng)分析水質(zhì)數(shù)據(jù)情況，計(jì)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。
實(shí)現(xiàn)對設(shè)備和備件等資產(chǎn)實(shí)現(xiàn)全面的維修、養(yǎng)護(hù)、庫存管理，對資產(chǎn)變動(dòng)過程進(jìn)行跟蹤和記錄。提供完善的各類報(bào)表。設(shè)備(儀表)養(yǎng)護(hù)流程、設(shè)備(儀表)維修計(jì)劃、設(shè)備潤滑計(jì)劃等完全自動(dòng)化管理。實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)設(shè)備的科學(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(jì)量管理模塊和生產(chǎn)計(jì)劃模塊自動(dòng)對生產(chǎn)的運(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(shí)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。
系統(tǒng)可自動(dòng)采集，統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表自動(dòng)生成，預(yù)置流程數(shù)據(jù)報(bào)送，同時(shí)可根據(jù)使用者要求進(jìn)行生產(chǎn)報(bào)表報(bào)送流程自定義，可根據(jù)用戶權(quán)限隨時(shí)進(jìn)行任意格式數(shù)據(jù)報(bào)表導(dǎo)出，為管理決策隨時(shí)提供第一手資料，同時(shí)極大緩解人力勞動(dòng)，減少企業(yè)人力成本
七、總結(jié)
通過整套信息管理調(diào)度系統(tǒng)，調(diào)度中心可實(shí)時(shí)獲取各個(gè)分廠數(shù)據(jù)，力控SCADA軟件平臺(tái)的運(yùn)用保證了數(shù)據(jù)的及時(shí)性，準(zhǔn)確性，減少了以往人為統(tǒng)計(jì)所帶來的誤差和失誤。同時(shí)隨著自動(dòng)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(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)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(dòng)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)展的主導(dǎo)優(yōu)勢。
