“互聯網+”視域下SCADA系統在污水處理廠中的應用探究

[摘 要]社會生產、生活污水體量及復雜程度的增加給污水處理廠帶來更高的作業壓力，文章探究新時期SCADA系統在污水處理廠的應用，給出完善的系統搭建方案，帶來一種自動化、遠程化、實時化的污水處理廠運行管理方式，不斷提高污水處理廠管理效率，提升污水處理能力。

[關鍵詞]SCADA系統;污水處理廠;系統搭建

SCADA系統指的是數據采集與監控系統，其依托于計算機技術，能夠實現對污水處理廠的集中化管理。近年來國內城市積極開展污水處理廠建設優化活動，以提高城市水資源管理成效，實現水資源的合理化利用。大規模污水處理廠內大型設備及構筑物較多，各類儀器儀表分布相對零散，給處理廠運行管理工作帶來不小難度，為此有必要將SCADA系統融入其中，并對其應用經驗進行總結。

1 SCADA系統在污水處理廠中應用方案設計

1.1 系統架構設計

污水處理廠SCADA系統主要包括終端信息采集與監測系統和核心控制系統兩部分，通過數據接口能夠將污水處理廠及泵站的實時運行數據傳輸至管理平臺當中。

1.2 監測系統設計

終端監測系統用于污水處理廠實時運行數據的采集，包括儀器儀表、控制閥門及其他電氣設備。

第一，儀器儀表。污水處理廠運行現場配備溫度計、雷達流量計、電磁流量計、ORP檢測儀、污泥濃度監測儀等裝置，用以對污水處理各環節中的溫度、流量、液面、水質等參數進行檢測和分析，以獲取最真實的污水處理現場信息。不同類型的儀器儀表采用不通的通信協議，如溫度計、壓力檢測裝置等均采用5～20mA的兩線信號，其余設備采用Profibus/Modbus協議[1]。用于監測污水處理水質情況的磷、氨氮、BOD等大型分析儀器采用Profibus DP總線通信方式。SCADA系統除采集來自污水處理現場的各項數據信息外，還對儀器儀表的運行狀態進行監督，監測儀器儀表運行參數并與標準化數據相對比，及時發現設備運行異常信號，幫助儀器儀表維修養護工作的高效開展。

第二，控制閥門。污水處理廠中的控制閥門分布零散，范圍較大，建議選用智能化的電控閥門，以24V直流電及Profibus DP總線進行控制。電控閥門控制參數包括遠程啟停、急停、過熱跳閘等，利用通信方式將電控閥門通過同一根雙絞線接入到控制系統當中。除控制參數外，還可對運行時間、設備溫度、電流過載情況等進行控制。

第三，其他電氣設備。終端監測系統中的其他電器設備采用MCC進行控制，變頻器、高低壓綜合保護等可通過Profibus DP與PLC之間進行通信，將電機全部運行參數傳輸至SCADA系統當中，實現污水處理廠的全面信息化管理。

1.3 控制系統設計

SCADA系統的控制單元分為區域控制和中央控制兩個層級。其中，區域控制層級的主要結構為PLC和觸摸顯示屏。選用PLC系統的主要原因是，PLC系統能夠適應污水處理控制系統開關量多、模擬量少的特點，且其結構更加簡潔，不易發生故障，可充分滿足污水處理廠對PLC系統穩定性的要求。PLC機柜上設有觸摸顯示屏，用于顯示處理廠現場監控畫面及采集到的信息，通過顯示屏進行人機交互。區域控制層級被劃分為多個控制模塊。網絡連通后，將中斷期間的數據自動上傳至服務器，以保證數據質量。

中央控制層級為SCADA系統的核心，包括冗余操作員站、防火墻、冗余數據服務器等模塊。冗余服務器平行運行，當某一服務器突發故障時，系統自動切換至其他服務器，當原服務器恢復正常后，將故障過程中采集數據同步。

1.4 拓撲結構設計

第一，終端監測與區域控制層級之間的拓撲結構。終端監測層級與區域控制層級間的拓撲結構相對復雜，可被分為Profibus DP通信、Modbus通信和Profibus PA通信。例如，Profibus DP通信中各儀器儀表為串聯關系，單個設備出現故障不影響其他儀表的正常通信，但發生線路中斷時，其后的全部儀表均無法完成通信活動。當采用RS-485串口通信規范，網絡中接入的硬件設備超過32個或通信距離無法與傳輸效率相匹配時，應增加中繼器擴展物理網段。

第二，區域控制層級內部的拓撲結構。CPU與I/O之間采用Profibus DP通信，該方式的兼容性更高，借助光電轉換器形成光纖環網后，可實現更遠距離的通信傳輸，并提高通信過程的抗電磁干擾能力。若系統中出現單點斷網現象，通信活動仍可正常進行。其中光電轉換器的作用是將Profibus的通信介質改為光纖，常見拓撲結構形式包括點對點、線性、星形等。以上拓撲結構在使用時應選擇雙光纖端口，且要求光電轉換器的型號相同。

第三，區域與中央控制層級之間的拓撲結構。區域與中央控制層級之間的拓撲結構采用工業以太網，在中央控制室及各分站內設置千兆級工業以太網交換機，要求每一交換機端口在2個以上，以便形成光纖環網。若系統中發生單點光纖故障，整個數據鏈路轉變為線性結構，發揮冗余功能。

1.5 監測平臺設計

污水處理廠SCADA系統監測平臺選用B/S架構，主要包括GIS系統及數據庫，通過平臺，能夠對污水處理廠的運行情況進行全面監管和調度。系統數據中心分類存儲SCADA數據、GIS數據、運行調度數據、日常管理數據等，通過平臺可完成運行調度、報表輸出、系統設置等工作[2]。例如，系統管理模塊下設權限管理、用戶管理、系統管理等功能。該監測平臺的優勢在于，能夠兼容SHP和CAD格式文件，通過圖層屬性配置及圖層組合，展示現場監測信息。

2 SCADA系統在污水處理廠中應用成效分析

2.1 案例背景

某污水處理企業下轄3個污水出廠，綜合污水處理能力為39×104m3/d，其運行管理任務主要包括28座泵站及市區內240km排污管線的調度與運維。將SCADA系統應用于污水處理廠運行管理當中，以污水井液位為監測對象，對SCADA系統的應用成效進行分析。

2.2 成效分析

首先，實現3座污水處理廠運行的集中化管理。SCADA系統將污水處理廠、泵站及管網運行數據集中到同一平臺中，相關人員可在隨時掌握污水處理系統的運行狀態，以根據污水處理廠的處理能力、管網布施特點等科學調整泵站運行方案。其次，實現管網系統的全面監管，溢流現象的可監管、防范程度大幅度提升。SCADA系統能夠對隱蔽排污管線運行情況進行實時觀測，系統終端顯示泵站及管網運行液位情況，當出現異常狀況時，系統自動報警并定位到異常監測點，以輔助管理人員快速做出處理。最后，實現故障點的精準、快速定位。該污水處理公司所轄范圍較廣，在日常管理過程中面臨較高的排污管線應急處理工作壓力[3]。在全面實現SCADA系統管理后，管網中封堵、滲漏等問題能夠在第一時間被發現，相關人員根據系統給出的提示，即可迅速達到故障點進行應急處理。例如，觀察系統中給出的管道液位差即可大致判斷出該位置淤泥堵塞情況，發現液位差異常后，可提前組織開展清淤活動，避免堵塞程度進一步發展帶來更嚴重的管網故障。

3 結論

SCADA系統在污水處理廠運行管理中的應用成為污水處理系統現代化發展的必然方向。引進自動化、智能化的污水處理廠運行狀態監測管理體系，在降低人工管理強度及壓力的同時，提高污水處理廠管理水平，降低管網故障發生概率，不斷優化城市環保功能。

參考文獻：

[1]郝雯.自動控制系統在污水處理中的應用分析[J].住宅與房地產，2019（12）：270.

[2]謝陽，王旭.污水處理廠電氣自控系統的運用與技術分析[J].工程技術研究，2019，4（8）：201-202.

[3]高天海，張興勇，董浩，等.淺析市政污水處理存在的問題及解決對策[J].居舍，2018（2）.

[作者簡介]王維娜（1984—），女，內蒙古赤峰人，碩士，河套學院機電工程系教師，研究方向：電氣工程教學研究與能源優化。