基于Interbus的生物曝氣濾池工藝污水處理自動控制系統(tǒng)

引言

隨著我國的環(huán)保事業(yè)迅速發(fā)展,工業(yè)廢水、生活污水的凈化處理成為當(dāng)務(wù)之急。投資少、運(yùn)行靈活的生物曝氣濾池技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。生物曝氣濾池是當(dāng)今世界污水處理研究試驗的新技術(shù)。國外從20世紀(jì)初開始進(jìn)行研究，于20世紀(jì)80年代末基本成型，近年來隨著自動化技術(shù)、設(shè)備及在線監(jiān)測儀表的發(fā)展，使得對污水處理的自動化成為可能。同時對污水處理工藝進(jìn)行自動化監(jiān)測和實時控制是提高污水處理效率，降低加藥量、降低能耗的關(guān)鍵。一般采用以PLC為核心的工藝過程自動監(jiān)控系統(tǒng)，實時控制鼓風(fēng)機(jī)、水泵、電動閥等設(shè)備及反應(yīng)段時間，曝氣時間、強(qiáng)度，反沖洗時間及強(qiáng)度等，使水質(zhì)達(dá)到國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。
由此可見，污水處理是一個多參量（如液位，水質(zhì)成份，溫度、壓力、流量）、多任務(wù)（如污水輸送、風(fēng)量控制、反沖水量控制、水泵的啟停等）、多設(shè)備（如格柵機(jī)、水泵、鼓風(fēng)機(jī)、閥門等）且具有隨機(jī)性、時變性和耦合性的復(fù)雜系統(tǒng)。因此污水處理應(yīng)由一個智能監(jiān)控與綜合管理系統(tǒng)來進(jìn)行現(xiàn)代化的管理，使之安全可靠地運(yùn)行。

1、現(xiàn)場總線技術(shù)

在污水處理廠中，現(xiàn)場控制設(shè)備分布范圍比較廣，如果采用傳統(tǒng)的控制方案，勢必要敷設(shè)大量的控制和信號電纜，浪費(fèi)大量的人力和物力，十分不經(jīng)濟(jì)。同時使系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性降低。采用目前比較流行的現(xiàn)場總線技術(shù)，可以降低成本，同時提高系統(tǒng)的可靠性，使系統(tǒng)易于擴(kuò)展和維護(hù)。InterBus是一種國際性的開放式的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。目前世界上多數(shù)自動化生產(chǎn)廠家都為它們的自動化設(shè)備提供InterBus通訊接口。InterBus已廣泛地應(yīng)用于加工制造、過程控制是一項成熟的技術(shù)。使用InterBus總線模塊用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸可以取代昂貴的24V或4～20mA并行信號線，并解決車間級普通的通信任務(wù)，提供大量數(shù)據(jù)通信服務(wù)，提供中等任務(wù)的傳輸速度。

2、系統(tǒng)組成及功能設(shè)計

現(xiàn)代化的污水處理系統(tǒng)需要實現(xiàn)管理與控制一體化、實現(xiàn)辦公自動化?？刂葡到y(tǒng)不僅與下層控制設(shè)備有良好的接口，而且具有與上層管理系統(tǒng)集成的接口，同時具有可擴(kuò)展性。所以現(xiàn)代化污水處理系統(tǒng)要求在底層采用現(xiàn)場總線或者工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)，上層則選用優(yōu)秀的監(jiān)控組態(tài)軟件。為了加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，使整個系統(tǒng)長時間無故障地運(yùn)行，需要采用冗余和容錯技術(shù)。根據(jù)全集成自動化（Totally Integrated Automation）的思想，將污水廠控制系統(tǒng)分為管理級、控制級、現(xiàn)場級。

（1）管理級是系統(tǒng)的核心部分，完成對污水處理過程各部分的管理和控制，并實現(xiàn)廠級的辦公自動化。管理級提供人機(jī)接口，是整個控制系統(tǒng)與控制部分信息交換的界面。管理級的各臺計算機(jī)具有相互通訊功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和共享?？紤]到管理層功能結(jié)構(gòu)的層次性和可分割性，采用客戶／服務(wù)器的體系結(jié)構(gòu)。服務(wù)器選用大型的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系數(shù)據(jù)庫，滿足開放、分布式數(shù)據(jù)庫管理方法的要求。由服務(wù)器、管理部門計算機(jī)等站點的計算機(jī)組成的計算機(jī)辦公局域網(wǎng)。中央監(jiān)控計算機(jī)及車間級現(xiàn)場控制站組成廠區(qū)工業(yè)控制網(wǎng)，完成對各車間范圍內(nèi)的生產(chǎn)過程、儀表、設(shè)備的監(jiān)控與控制；本系統(tǒng)采用研華公司生產(chǎn)的兩臺工業(yè)計算機(jī)(操作員站及工程師站)互為備用，它們之間通訊協(xié)議是TCP/IP。
（2）控制級?？刂萍壥菍崿F(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，也是管理級與現(xiàn)場級之間的樞紐層，其主要功能是接愛管理層的參數(shù)或命令，對污水處理生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，同時將現(xiàn)場狀態(tài)送到管理層?？刂破魇钦麄€系統(tǒng)的核心，所以在控制級中采用菲尼克斯公司的ILC350控制器，該控制器本自具有一個TCP/IP通訊接口，并通過分支模塊與遠(yuǎn)程I／O模塊連接，遠(yuǎn)程分布式I／O模塊與現(xiàn)場設(shè)備和傳感器通信。
（3）現(xiàn)場級。 現(xiàn)場級是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)?，F(xiàn)場級主要由一次儀表、控制設(shè)備組成。其功能主要是完成其范圍內(nèi)的生產(chǎn)過程、儀表、設(shè)備的監(jiān)視與監(jiān)測及并把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)上傳；接受控制級的指令對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。分布式配置意味著控制器、遠(yuǎn)程I／O模塊和現(xiàn)場設(shè)備通過現(xiàn)場總線的信號電纜連接。每個控制點比較集中的控制現(xiàn)場配置一個遠(yuǎn)程分布式智能I／O模塊IBS IL 24 BK，現(xiàn)場I／O信號直接輸入I／O模塊，每個IBS IL 24 BK模塊具兩個InterBus接口。
根據(jù)此設(shè)計思想和關(guān)鍵技術(shù)方案分析，在酒鋼集團(tuán)榆中鋼廠污水廠的自動控制設(shè)計中采用系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3、上位組態(tài)軟件

上位機(jī)系統(tǒng)要求：具有與多臺下位機(jī)系統(tǒng)通訊的能力，實時監(jiān)控多臺下位機(jī)的工作狀態(tài)，顯示生產(chǎn)過程中的工作曲線；具有遠(yuǎn)程控制能力；向下位機(jī)采集數(shù)據(jù)，對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、查詢、顯示、打印等。因此，在一個自動監(jiān)控系統(tǒng)中，投入運(yùn)行監(jiān)控組態(tài)軟件是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集處理中心、遠(yuǎn)程監(jiān)視中心和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心，處于運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視組態(tài)軟件與各種控制、檢測設(shè)備共同構(gòu)成快速響應(yīng)的控制中心。
選用北京亞控公司研發(fā)的KingView6.5組態(tài)軟件，該組態(tài)軟件的功能及特點是：
（1）友好的人機(jī)界面，控制操作方便。
（2）實時畫面顯示功能：用設(shè)計或?qū)嵉貓D片的方法生成圖形，實時地顯示某參數(shù)，顯示圖表包括：全廠平面圖，全廠工藝流程圖，各構(gòu)筑物的平面圖，各部分主要的工藝及設(shè)備狀況的動態(tài)模擬圖，趨勢分析圖，數(shù)據(jù)棒圖，狀態(tài)表，報警表，日報表，月報表。數(shù)據(jù)處理：利用在線數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計、計算、顯示。
（3）報警功能：當(dāng)某一參數(shù)異?；蛟O(shè)備故障時，可根據(jù)不同的報警類別，發(fā)出諸如聲、光報警、屏幕報警、輸入報警表、打印機(jī)輸出或播放事先錄制的語音提示，同時顯示相應(yīng)的提示信息和畫面，記錄在數(shù)據(jù)庫中，且可分等級。
（4）報表功能：生存并存貯年、月、日報表及運(yùn)行參數(shù)報表。
（5）打印功能：各種報表打印、各種事件及報警實時打印。
（6）通訊功能：該組態(tài)軟件支持如DDE、OLE、ODBC、OPC和SQL等標(biāo)準(zhǔn)，可以提供多種方式與上層數(shù)據(jù)交換。

4、控制軟件編程

軟件編程的主要依據(jù)為生產(chǎn)工藝提供控制的控制規(guī)律，同一種處理工藝可能會有不同的控制策略，根據(jù)對該污水廠的功能劃分共分三個功能塊：自動加藥控制、澄清池自動排泥控制、生物曝氣濾池控制。
（1）自動加藥控制：是指根據(jù)在線測得的水質(zhì)參數(shù)與設(shè)定參數(shù)形成閉環(huán)控制。每座澄清池配兩臺計量泵，一運(yùn)一備，當(dāng)任何一臺泵事故時，備用泵自動投入運(yùn)行，計量泵配變頻器，根據(jù)進(jìn)水流量、進(jìn)水濁度、出水濁度信號控制計量泵沖程及馬達(dá)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制加藥量的目的。
（2）澄清池自動排泥控制：是指根據(jù)在線測的水質(zhì)參數(shù)，澄清池泥界面及出水水質(zhì)實時調(diào)整排泥時間和排泥周期。
（3）生物曝氣濾池控制：根據(jù)近年來對生物曝氣濾池運(yùn)行控制方式的研究，生曝氣濾工藝控制可分為水頭損失法和時間控制法，其中以水頭損失來控制生物曝氣濾池的的反沖洗，當(dāng)設(shè)有多格曝氣池時，配水平衡的準(zhǔn)確度直接影響了反沖洗的效果，在實際運(yùn)行過程中，要實現(xiàn)各池嚴(yán)格的配水平衡，難度較大，因此在實際工程案例中一般采用時間控制法。并通過上位機(jī)設(shè)置靈活的時間調(diào)整給定界面，是保證生物曝氣濾池高效運(yùn)行很好的解決方案。

5、結(jié)束語
在污水處理控制系統(tǒng)中采用現(xiàn)場總線改變了傳統(tǒng)的全模擬量傳輸方式，在現(xiàn)場總線級實現(xiàn)了數(shù)字傳輸，達(dá)到了提高信號傳送精度，增強(qiáng)了現(xiàn)場控制靈活性。該自動控制系統(tǒng)已在酒鋼集團(tuán)榆中鋼廠污水廠、西北民族大學(xué)污水廠等投入運(yùn)行，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。