現(xiàn)代污水處理技術(shù)劃分為集中式處理系統(tǒng)和分散式處理系統(tǒng)，就目前而言，集中式污水處理占有主導地位。但實際調(diào)查結(jié)果表明：給排水管網(wǎng)建設費用高昂，且大量管道漏水導致地下水滲入或污水滲出，導致嚴重的地下水污染問題。針對農(nóng)村此類地理分散的典型分散式污水環(huán)境，使用分散式處理系統(tǒng)更為合適。
隨著計算機技術(shù)的突飛猛進，污水處理廠、站的自動化程度不斷提高，PLC、工控機等也逐漸在新建污水處理系統(tǒng)中普及開[1]。農(nóng)村生活污水分散式處理系統(tǒng)雖已進入自動化階段，但仍存在問題值得討論：(1)對于一些排放標準嚴格的農(nóng)村生活污水處理設施，有效的技術(shù)化監(jiān)控是設施達標處理穩(wěn)定性的潛在影響因素之一；(2)城鄉(xiāng)經(jīng)濟存在差異，分散式處理系統(tǒng)地處偏遠，光纖網(wǎng)絡不通，沒有專業(yè)人員長期駐守，實現(xiàn)技術(shù)化監(jiān)控所需的雙向數(shù)據(jù)傳導必須采取合理的傳輸介質(zhì)及上位機管理平臺。
我國大型城市生活污水集中式處理系統(tǒng)通過中央控制室實現(xiàn)全站的集中管理和管理，全廠的污水流量、pH、濁度、余氯、溶解氧等參數(shù)及設備的運行狀況通過 PLC 進行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)主干通訊網(wǎng)絡——工業(yè)以太網(wǎng)或 IP 協(xié)議，以光纖電纜為介質(zhì)，傳輸至上位機進行數(shù)據(jù)交換處理，上位機監(jiān)控畫面上即可顯示整個水廠各主要工藝工段的設備運行狀態(tài)及水質(zhì)狀況，操作人員根據(jù)這些狀態(tài)參數(shù)，監(jiān)控水處理系統(tǒng)運行狀況。
本文介紹一套農(nóng)村集中管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過無線傳輸技術(shù)代替以光纖電纜為介質(zhì)的工業(yè)以太網(wǎng)；用普通 PC 通過組態(tài)軟件制作控制界面代替中央控制室；同時，運用巨控 GRM400 智能遠程控制終端，配合聯(lián)通 3G 網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，從而實現(xiàn)分散式污水處理系統(tǒng)的集中管理與控制。為提高分散式污水處理設施管理成效以及降低污水處理設施運行成本的問題提供了一條新的解決思路。
1 現(xiàn)有集中監(jiān)控系統(tǒng)
1.1 SCADA 系統(tǒng)
SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。它是以計算機為基礎(chǔ)對工業(yè)進行控制和調(diào)度的自動化系統(tǒng)，可以對遠距離現(xiàn)場設備的運行狀況進行監(jiān)視與控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設備控制、參數(shù)調(diào)節(jié)以及信號報警等功能，其特是分布系統(tǒng)區(qū)域廣泛、主站與控制對象距離遙遠、通信系統(tǒng)復雜多變等。由于上述特點，SCADA 廣泛應用于電力系統(tǒng)中。SCADA 存在的主要問題是系統(tǒng)的不開放與功能不強，遠未達到智能化程度。
1.2 DCS 系統(tǒng)
DCS(Distributed Control System)即集散控制系統(tǒng)。它是有一個過程控制級與過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡為紐帶的計算機控制系統(tǒng)。DCS 具有開放性與高可靠性等優(yōu)點，它采用系列化、模塊化、標準化等開放式設計方式，系統(tǒng)中的計算機通信采用局域網(wǎng)方式，可方便的改變或擴充系統(tǒng)的功能；DCS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用容錯設計并控制功能分散在各個控制站，保證了系統(tǒng)的可靠安全。DCS 綜合了計算機、顯示、通訊和控制等技術(shù)其基本思想是集中管理、分散控制、配置靈活、組態(tài)方便。DCS 的構(gòu)成可以由專用的工程師站、操作員站、數(shù)據(jù)采集站和現(xiàn)場控制站等組成，也可由通用的服務器、計算機和可編程控制器構(gòu)成。處于底層的過程控制級一般由分散的數(shù)據(jù)采集站、現(xiàn)場控制站等實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制，并通過通信網(wǎng)絡傳送到上位機監(jiān)控系統(tǒng)，對采集的數(shù)據(jù)進行集中操作與管理，如各種數(shù)據(jù)運算、顯示報警、故障診斷、趨勢分析、統(tǒng)計報表等
1.3 FCS 系統(tǒng)
FCS(Field bus Control System)即現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。它是一種現(xiàn)場自動化控制系統(tǒng)，把安裝于生產(chǎn)過程現(xiàn)場中的輸出、通信、運算和控制功能的各種智能儀器儀表與設備作為現(xiàn)場總線的節(jié)點，且分散的控制回路直接在現(xiàn)場總線上構(gòu)成。它具有系統(tǒng)可靠性高、可互操作性強、維護簡易、開放式的互連結(jié)構(gòu)等優(yōu)點。
現(xiàn)場總線是通信總線技術(shù)在現(xiàn)場設備中的應用與擴展，它將各種現(xiàn)場設備，如顯示器、PLC、變送器、執(zhí)行器和控制系統(tǒng)之間，通過同一總線連接起來進行雙向多變量數(shù)字通訊。FCS 作為新一代控制系統(tǒng)，采用了基于標準化、公開化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)不開放的缺陷，另外，它把 DCS 的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化為新型全分布式結(jié)構(gòu)，即把控制功能徹底地下放到現(xiàn)場，工業(yè)現(xiàn)場的智能設備就能完成諸如數(shù)據(jù)采集與輸出、數(shù)據(jù)處理、控制運算等功能。但 FCS 系統(tǒng)也存在一些不足，如現(xiàn)場總線沒有統(tǒng)一的國際標準，各類現(xiàn)場總線有各自不同的體系結(jié)構(gòu)與標準，這樣，給現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的開發(fā)帶來一些困難，系統(tǒng)的開放性也受到了一定的局限。
考慮到農(nóng)村污水處理站分布廣泛和流程復雜等實際情況，本系統(tǒng)選擇“集中管理，分散控制”的 DCS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。分散控制有利于將可能發(fā)生故障的危險進行分散降低故障發(fā)生的概率，提高系統(tǒng)的可靠性，也有利于故障發(fā)生后的及時處理。集中管理則有利于采集信息進行綜合分析與處理，從而對控制進行優(yōu)化。
本系統(tǒng)使用普通 PC 作為上位機，降低成本同時易于工作人員使用；現(xiàn)場控制使用可靠性高、組態(tài)方便且抗干擾能力強的 PLC控制器；系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡使用 GPRS 和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，其中上位機 PC 通過 GPRS 與下位機 PLC 的 GRPS 模塊進行通信，PLC 通過現(xiàn)場總線對現(xiàn)場設備進行數(shù)據(jù)采集。這種結(jié)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性與擴展性，其中一個節(jié)點的失效不會導致整個網(wǎng)絡的癱瘓，同時通過擴充節(jié)點可以提升系統(tǒng)性能。
2 集中管理系統(tǒng)構(gòu)建
集中管理系統(tǒng)分為上位機控制系統(tǒng)，下位機控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)[2]。上位機控制系統(tǒng)采用普通PC，安裝GiantView組態(tài)軟件，運用軟件制作人機界面，形成上位機控制系統(tǒng)。下位機控制系統(tǒng)使用PLC作為現(xiàn)場控制站，它接收由現(xiàn)場設備(如變送器、傳感器、水泵)傳來的信號，按照適當?shù)目刂撇呗杂嬎闼枰目刂屏浚魉徒o現(xiàn)場的執(zhí)行器。由于農(nóng)村地處偏遠，通訊系統(tǒng)采用無線通訊形式作為是上位機和下位機PLC端信號傳輸。
圖 1 集中管理系統(tǒng)構(gòu)建
3 系統(tǒng)試制
3.1 上位機控制系統(tǒng)
本項目上位機控制系統(tǒng)采用普通 PC，安裝 GiantView 組態(tài)軟件，運用軟件制作人機界面，形成上位機控制系統(tǒng)。它通過GiantView 配套的 GrmOpcServer 軟件，以聯(lián)通運營的 3G 網(wǎng)絡為傳輸媒介接收由現(xiàn)場設備(如變送器、傳感器)傳出，經(jīng) PLC 程序處理的數(shù)模信號，呈現(xiàn)在按項目需求制作的監(jiān)控界面上。通過監(jiān)控界面不僅可以觀察現(xiàn)場傳感器采集的各項參數(shù)，同時根據(jù)反饋參數(shù)，參照標準值，在界面中人工校正，達到保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行的目的。
3.2 通信系統(tǒng)
網(wǎng)絡是通信的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)能否準確、快速的被傳輸、檢測，在很大程度上取決于數(shù)據(jù)采集點和數(shù)據(jù)監(jiān)控點之間的網(wǎng)絡布局方式[5]。目前適用于工業(yè)控制系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)通信方式有有線和無線兩種方式。有線方式通常包括 DCS 局部網(wǎng)絡、工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡等。該種方式具有穩(wěn)定可靠和高數(shù)據(jù)傳輸速率等特點，但是對于監(jiān)測點分布范圍廣、數(shù)量多、地形復雜的區(qū)域，有線方式則會出現(xiàn)成本高、施工難度大、維護工作量大等問題。與此相對的，無線方式構(gòu)建系統(tǒng)就會顯得比較靈活。使用無線方式構(gòu)建通信系統(tǒng)具有建設周期短、運行維護簡單、性價比高等優(yōu)點。
常見的無線數(shù)據(jù)通信方式主要有以下幾種：
表 1 現(xiàn)有傳輸方式及其存在問題
通過上述通信方式的優(yōu)劣比較和分析，本方案在上位機和下位機 PLC 端使用 4G網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸。
3.3 二級標題下位機控制系統(tǒng)
本項目下位機控制系統(tǒng)使用PLC作為現(xiàn)場控制站，它接收由現(xiàn)場設備(如變送器、傳感器、水泵)傳來的信號，按照選定的控制策略計算所需要控制量，并傳送給現(xiàn)場的執(zhí)行器，同時完成順序控制、定時控制等功能[6]。結(jié)合3G通信模塊，PLC進一步完成數(shù)據(jù)的上傳和反饋信息的接受與響應，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。PLC(Programmable Logic Controller)，即可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專用于工業(yè)過程控制中。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部程序存儲，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，計數(shù)，定時與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字量或模擬量輸入/輸出控制各種類型的機械設備或生產(chǎn)過程
4 集中管理系統(tǒng)的優(yōu)勢
(1)污水處理站站點分布在各地，不便于維護。配備智能監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)無人值；
(2)采用先進的無線通訊與 Internet 相結(jié)合的技術(shù)，可節(jié)省遠距離通訊電纜的鋪設；
(3)因為各污水處理站都在比較偏遠的位置，一般沒有上網(wǎng)的條件，上位機電腦訪問各 PLC 模塊的數(shù)據(jù)時發(fā)生流量問題，因此手機卡應開通流量包月的功能。例如：遠程監(jiān)控 100 個 PLC 變量，3S 更新一次，一個月只需要 100 多 M 的流量(15 元費用)。
(4)當 3G 無線通訊因網(wǎng)絡繁忙需中斷時，可給特定手機發(fā)送短消息提醒；
(5)通過上位機可實時監(jiān)控污水處理設施的相關(guān)參數(shù)；
(6)在緊急情況下，通過上位機可直接控制各污水處理站的相關(guān)動作，如合閘與拉閘；
(7)在需要的情況下可實現(xiàn)利用手機網(wǎng)頁隨時訪問 PLC 的數(shù)據(jù)。
5 集中管理系統(tǒng)測試結(jié)果及總結(jié)
本論文基于相關(guān)課題的基礎(chǔ)之上，課題開發(fā)了一套分散式污水處理設施集中管理系統(tǒng)，包括上位機和多個下位機，其中下位機包括共用PLC模塊的溶解氧穩(wěn)定自控曝氣系統(tǒng)[7]和流量可調(diào)節(jié)污水提升系統(tǒng)，PLC模塊連接有與上位機無線連接的GPRS模塊。其上位機為計算機，作為主控端遠程電腦，接收來自GPRS模塊的數(shù)據(jù)并向其傳遞控制指令。GPRS模塊與移動通訊模塊無線連接，操作人員可采用手機可作為上位機的輔助設備，接收來自GPRS模塊的信息報警提醒。該系統(tǒng)可對分散式污水處理站各項參數(shù)進行集中監(jiān)測、集中控制、存儲，現(xiàn)場控制與遠程控制無縫切換，為管理者提供便利。從而，為解決目前農(nóng)村生活污水處理站運營所面臨的資金短缺、專業(yè)人員不足、站點分布離散等相關(guān)問題提供了一套有針對性的實用技術(shù)，并有助于促進適合農(nóng)村特點的污水處理環(huán)保設施運營管理政策的盡快出臺
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