智能化污水處理監控系統的應用研究

孫立剛 劉廣順

(1.中海油能源發展股份有限公司安全環保分公司，天津 300450；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300450)

智能化污水處理監控系統的應用研究

孫立剛1劉廣順2

(1.中海油能源發展股份有限公司安全環保分公司，天津 300450；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300450)

采用微絮凝加改進的A2O工藝，利用西門子PLC、單片機和上位機監控軟件WinCC搭建設備層和控制層，實現污水處理系統的數據存儲、集中監視管理及分散控制等功能。同時，采用GPRS無線網絡將污水處理監測數據實時傳送到上位監控室，保證了數據的真實可靠。

污水處理系統 PLC A2O工藝 單片機 WinCC組態軟件

隨著我國工業化和城市化進程的迅猛發展，工業、生活污水大量排放，導致水資源污染嚴重，極大地破壞了我國現有的水資源，同時還帶來了一系列生態問題[1]。目前，我國對生活污水處理工程密切關注，隨著新環境保護法的出臺，對污水處理和排放指標的要求進一步提高，對污水處理工藝及其自動化程度的要求也在不斷提高。傳統的污水處理工藝主要以手動操作為主，自動化程度相對較低，污水處理質量不穩定，已不能滿足現代污水排放標準的要求。為了提高污水處理質量，降低污水處理成本，提高污水處理的自動化程度，利用先進控制技術和設備對污水處理過程進行監控是極其必要的。

筆者采用微絮凝加改進的A2O(Anaerobic-Anoxic-Oxic)工藝進行污水處理，同時利用西門子PLC、WinCC組態軟件、單片機實現污水處理系統的自動監控，進一步提高污水處理系統的自動化程度、污水處理質量和技術管理水平，實現水資源保護和污水回收利用的目標。

1 污水處理的工藝流程①

A2O工藝是活性污泥法處理生活污水中的一種重要工藝[2]，該工藝主要利用厭氧菌和好養菌的硝化和反硝化反應，完成污水、污染物的降解和除氮除磷[3,4]。

為了更好地增加A2O工藝的除氮除磷效果，對原A2O工藝生物污水處理廠進行技術改造，采用微絮凝加A2O工藝進行污水處理。生化反應過程中污水首先進入前置反硝化區，10%左右進水流入該池，然后進入厭氧池、后置反硝化區和好氧池，最后流入二沉池。該工藝具有內回流和外回流兩種機制，內回流污水即好氧池出水流回到后置硝化區和厭氧池，外回流污水即污泥回流池出水流回到前置反硝化區，停留20～30h，微生物利用進水中的有機物去除所有回流的硝態氮(硝態氮對厭氧池有不利影響)，進而保證厭氧池的穩定性。此外，整個工藝污水處理過程中添加了乙酸鈉、絮凝藥劑PAC及PAM等。污水處理系統還包括粗格柵、細格柵、旋流沉砂池、污泥回流池、高密度沉淀池、高效過濾池及紫外消毒池等。除污效果表明，微絮凝加A2O工藝可使污水的處理效果得到大幅提高，可配合超濾反滲透工藝實現中水的二次利用。

2 控制系統的設計

2.1西門子PLC控制系統

西門子PLC控制系統(圖1)為“集中監控﹑管理，分散控制”的集散型控制系統，共分為4個層次，分別為設備層、控制層、視頻監控層和廣播系統層。PLC和第三方設備之間通過TCP/IP工業以太網進行通信[3,5]。PLC和PLC遠程IO之間通過Profibus-DP標準總線進行數據通信。PLC與中控室監控計算機之間通過10M/100M的TCP/IP光纖單環網工業以太網進行高速大容量數據交換[4,6,7]。

圖1 西門子PLC控制系統結構框圖

系統設備控制分為手動和自動兩種模式，在自動模式下有3種控制方式，即現場控制、集中控制和自動控制。現場控制通過現場PLC終端的操作面板(如HMI)實現對設備的獨立鍵控；集中控制時由自控室監控主機完成對全廠所有工藝和電氣設備的控制；自動控制時系統根據各工藝參數的檢測值和狀態，控制設備按照預定程序自動運行。3種控制方式可在現場PLC終端操作員面板和自控室監控主機上根據不同的優先級進行轉換，以滿足實際工作中調試、檢修和自動運行的需要。各控制設備之間相對獨立運行。現場控制PLC分站和設備控制單元出現故障時將自動退出，同時界面閃爍報警，以提醒操作人員盡快排除故障。

2.2GPRS無線數據傳輸電路

污水處理系統的主要水質指標有COD、BOD、pH及溫度等，利用在污水處理排放出口安裝的智能儀表對這些指標進行檢測，儀表標準輸出為4～20mA。儀表輸出信號經專用信號隔離器后，借助串接的250Ω精密電阻，將電流信號轉換成1～5V的電壓信號，該電壓信號通過STC12C5620AD單片機控制器檢測處理，并通過RXD/P3.0、TXD/P3.1與SIM900A模塊的串口(UART)連接[8]，實現數據的無線傳輸。具體電路如圖2所示，其中AD_0、AD_1、AD_3和AD_4為4路儀表標準電流信號輸出。

圖2 GPRS無線數據傳輸電路

STC12C5620AD單片機高速、可靠，具有8路10位高速A/D轉換功能，滿足多路水質指標數據的采集和處理要求。SIM900A模塊采用功能強大的ARM9216EJ-S處理器內核，傳輸速率快，具有RS232接口，可直接與單片機進行連接。STC12C5620AD單片機通過標準的AT指令對SIM900A模塊進行控制，接收機利用專用的外網IP實現數據的接收，最終完成污水處理系統出水水質指標的傳送和監測[9]，能夠有效避免人工抄送錯誤和作弊情況的發生。

3 上位系統的設計

3.1實時監控系統

SCADA系統的監控基礎功能是建立在WinCC 6.2組態軟件系統框架上的。WinCC 6.2組態界面(圖3)有系統的整體和局部監控管理界面，系統所有顯示、設定和標定功能都通過中控室顯示控制單元上的觸控式顯示器和PLC機柜上的觸摸屏實現。通過上位機軟件，操作者可直觀、及時、全面地觀察現場相關設備的運行狀態，整個污水處理廠的污水處理工藝流程，以及現場傳感器的檢測值、歷史數據等。同時，可直觀、便捷地遠程控制現場各個相關設備的啟停；在中控室顯示上位機上能直觀地看到第三方相關設備的運行狀態。

圖3 WinCC 6.2組態界面

3.2中央實時監視管理系統

中央實時監視管理系統主要接收和處理實時監控系統和GPRS無線終端發送的重要數據，進一步對設備和指標數據進行處理、轉化、分析匯總和統計，多角度、多層次、全方位、數字化、圖形化顯示出多廠區實時運行狀態。可實現數據接收與處理、自定義數據錄入、數據歷史趨勢查看與分析、拐點分析、統計分析、月報周報生成及風險管控與預警等功能。

中央實時監視管理系統方案如圖4所示。中央實時監視管理系統兼容多個廠區數據的混合處理模式，系統需要搭建多廠區數據并發接收的排隊模型，從接入第2個廠區實時數據起，隨著廠區數量的不斷增加，實時數據接收的排隊模型將更加復雜。每次增加一個廠區的實時數據，都需要調整數據接收排隊模型，增加系統數據處理功能、功能測試和重部署過程。

圖4 中央實時監視管理系統方案

4 結束語

為了進一步提高污水處理系統的污水處理效果和自動化程度，筆者將原A2O工藝進行了改進，同時與微絮凝處理工藝相結合，設計了西門子PLC控制系統、GPRS無線數據傳輸電路、實時監控系統和中央實時監視管理系統。利用GPRS對實時檢測的各污水處理終端污水處理指標進行無線傳輸，可以更好地監管污水處理廠的污水處理情況，保證污水處理效果和水質指標達到國家規定的排放標準。

[1] 顧嘉嘉.我國城市污水處理面臨的問題及對策分析[J].科技資訊,2007,(32):151～152.

[2] 朱報開,林雄生,漆青松.污水處理廠自控系統的形式、結構和功能[J].自動化博覽,2012,(2):66～69.

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[4] 曹波.生活污水處理監控系統的設計與實現[D].廣州:華南理工大學,2012.

[5] 任翠宏,王新志,朱巍,等.PLC自動控制系統的可靠性探析[J].化工自動化及儀表,2015,42(1):121～122.

[6] 姚白瑩.基于PLC控制的生活污水處理控制系統設計[D].蘇州:蘇州大學,2010.

[7] 王國勇.4萬噸污水處理廠自動化監控系統設計與研究[D].濟南:山東大學,2008.

[8] 關學忠,孫立剛,李欣,等.抽油機位置及狀態智能監測系統[J].化工自動化及儀表,2014,41(7):831～832.

[9] 付長順,侯萬雍,金德明,等.基于GPRS的數字油田智能監控系統[J].化工自動化及儀表,2015,42(3):310～312.

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1000-3932(2016)12-1336-04

2016-06-25(修改稿)