SCADA 系統在珠海拱北污水處理廠中的應用
摘要:SCADA（數據采集與監視控制）系統是目前絕大多數污水處理廠實現現代化管理的控制技術，本文以已投入運營的珠海拱北污水處理廠為例，論述了SCADA技術在污水處理廠中的應用。
關鍵詞:污水處理廠;數據采集與監控系統（SCADA）；可編程邏輯控制器（PLC）
SCADA（Supervisory Control and Data Acqui-sition）系統（即數據采集與監視控制系統），應用領域很廣，它可以應用于電力系統、給排水系統、石油、化工等領域的數據采集與監視控制以及過程控制等諸多領域。近幾年來，隨著我國對污水治理力度的加大，興建了許多污水處理廠，同時引進了國外先進的工藝和設備，污水凈化工程的儀表化、自動化有了迅速的發展。
在現代化的城市污水凈化廠中，自動化技術是實現工藝要求，維持設備正常運行，提高工作效率的重要保證，其可將全廠的工藝、設備連成一個統一的整體，協調運行。
污水處理廠自動化系統是實現污水處理廠現代化處理和現代化管理的必要條件，是提高污水處理效果、安全可靠生產、降低藥耗、降低能耗、取得較好的社會效益和經濟效益的必要手段。而SCADA系統是目前絕大多數污水處理廠使用的控制技術，本文以已設計完成的珠海拱北污水處理廠為例，論述了SCADA控制技術在污水處理廠中的應用。
1 概況
珠海市拱北污水處理廠始建于1985年，總占地面積15.8公頃，規劃總處理量為11萬噸/日，服務面積2200公頃，服務人口約22萬。主要處理拱北、前山片區內的城市污水。該廠建設分成三期工程完成，其中一期工程于1992年2月投入運行；二期工程于1998年4月投入運行；三期工程于2002年8月投入運行。一、二期工程的處理工藝相同，均為傳統活性污泥法工藝。由于能耗大，工藝落后，現已進行改造擴建。現在運行的是三期工程，全套工程引進意大利EMIT公司的技術，包括SCADA控制系統。三期工程的處理工藝采用AAO生物除磷脫氮工藝，鼓風曝氣，設計規模為8萬噸/日，占地8.3公頃。該工藝是改良的AAO工藝，與典型的AAO工藝所不同的是：構筑物在空間上沒有嚴格分開，且在生物池內缺氧與好氧（即硝化與反硝化）多重復一次，從而取代了AAO典型工藝中的內回流系統。其主要特點是生物系統，整個生物系統流程見圖1。
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2 SCADA系統的控制方式及特點
拱北污水處理廠SCADA系統的主要控制方式是：在污水處理廠中心控制室集中對全廠各種設備和生產運行數據進行監視和控制，污水處理過程工藝參數和設備的狀態在上位機上顯示。各設備均可按下列三種方式控制，即就地手動控制、分控站PLC控制、水廠集中控制。控制室具有自動／遠程手動控制（遙控）兩種方式。這種控制方式具有集中管理，分散控制的特點，可靠性較高，維護也方便。
（1）就地手動控制
在就地通過控制箱或柜上的按鈕或控制器對設備進行手動控制。
（2）控站控制
各分控站PLC執行自己的控制程序，處理該站現場I／O信號。在與控制室脫機或通信出現故障時，各分控站能獨立利用自己的PLC進行控制以及保持PLC之間的通訊。
（3）廠中心控制室集中控制
中心控制室能對全廠生產過程進行監測控制和數據處理，對所控設備進行自動或鍵盤（或鼠標）控制，可打印生成全廠的各種報表和曲線。方便污水處理廠的操作并完善管理。污水處理廠的SCADA系統有著區別于其他工業場合的特點，拱北污水處理廠SCADA系統根據其特點采用了以下相應的解決措施：
1）一般污水處理廠的占地都較大，且設備分散，因此需要借助于遠程通訊將數據傳至中心控制室。該廠采用了ControlNet冗余網絡技術，連接各個分控站的PLC。ControlNet可以保持可重復的響應，與網絡設備消息傳遞及編程無關，甚至與增加節點也無關。Con-trolNet的速度與節點數、介質和中繼器均無關，因此非常適合污水處理廠分站節點多、傳輸距離遠的特點。ControlNet網具有很好的診斷和排錯功能，再加上網絡冗余，可靠性非常高。
2）因為設備分布距離遠，而且分散，有些現場的操作環境相對惡劣，所以參與程控的設備除了按既定的邏輯程序工作運行外，根據工藝狀況，有時候需要在控制室內對設備進行點對點的遠程控制，即中控室可以遠程直接控制遠端的設備。
3）由于污水處理具有持續不斷性，因此設備工作時間相對比較長，同時設備的工作環境又相對惡劣，所以了解設備的工作時間和狀況就顯得尤其重要。因此在報表內容里有設備的運行時間、累計運行時間、起停次數等參數的歷史記錄。
4）污水處理的過程，特別是生化反應過程是一個較為復雜且時間較長的過程，同時與其相關的參數也比較多。通常在調試過程中，季節轉換時和外部水源發生較大變化時，參數的設定都需要作較大的調整，這一點與其他工藝過程相對穩定的系統不一樣，因此程序編制時應給予工作人員較大的調整余地和更多的可以干預生產過程的切入口。
5）在污水處理的成本中，電耗是一大項，要有效地控制成本，如何節約電費是一個重要環節。拱北廠三期項目的用電成本占污水處理成本的50％左右，而生物池鼓風機的用電量占總用電量的60％左右。所以，鼓風機的曝氣控制對污水處理成本至關重要。設計曝氣系統時，引入了“前饋+后饋+模型”組合的多參數控制方式，可大大減少鼓風機的耗電量。其系統原理如圖2所示。
3 SCADA系統控制模型
溶解氧是影響生物處理過程的首要因素，污水處理效果很大程度上取決于溶解氧的控制水平。溶解氧是快速時標變量，其動力學特性是非線性和時變的，因此在污水處理過程中，溶解氧受到諸多因素影響。傳統的PID控制策略無法及時準確地應對各種擾動的影響，要達到精確控制就必須建立可靠的控制模型。從圖2可以看出，系統主要從進水分控站引入進水流量信號和水質信號（水質信號主要是SS濁度、pH和COD），使曝氣系統及時隨進水水質和水量的變化而對系統供氧量作出響應；從污泥分控站獲取污泥的重要信息，判斷出水水質處理情況，從而進一步對曝氣系統作出有效的調節。溶解氧控制擾動越小、越精確，生化系統的平衡性控制就越好，水質處理就可達到一個最佳、最經濟的工藝狀態。
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拱北污水處理廠三期SCADA系統的PLC分站采用Controllogix5000系列的產品，上位機組態監控軟件采用RSView32組態軟件，通訊網絡為ControlNet冗余網絡。現場儀表大多數都是采用穩定性、可靠性好的著名品牌的產品。其系統設計方案如圖3。
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從圖3中可以看出，上位機數據采集A站和B站雙機熱備，互為冗余，分別處理數據（如量程轉換、趨勢顯示分析、報警、計算、事件記錄、歷史存儲、執行用戶腳本等）并生成相關的數據報表。上位機數據采集站也是實現人機交互，如用文字、動畫顯示現場的狀態，并可以對現場的開關、閥門等設備進行操作。下位機PLC分站主要實現對現場設備（包括粗格柵、提升泵、細格柵、曝氣設備、水質分析儀表等）的數據采集，并實現部分設備的邏輯控制，如提升泵房的液位控制、生化系統的曝氣控制、脫水設備的自動調節控制等。這種設計方案在早期運用的比較多，組態相對簡單，數據傳輸可靠性和實時性較好。但是隨著對數據處理要求的提高，這種設計方案已逐漸被淘汰，現正在做C/S（客戶/服務）結構的改造，改造后的方案如圖4。
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改造后，所有的分站數據，包括擴建工程的分站數據都通過工業以太網傳輸到數據采集服務端。數據服務端采集分站數據進行存儲和處理。這里需要特別說明的是，由于所選用的網絡具有透明性，數據服務器可以直接訪問ControlNet網絡上的各個分站，擴建后任意工業以太網結點上的分站和ControlNet網絡上的各個結點也可以互相通訊。數據采集客戶端從服務器端數據庫訪問數據，并可實現對所有分站的監控。
由于服務器強大的數據處理功能，可滿足擴建后的大量數據處理和管理升級，又可使新舊項目成為一個有機整體，真正實現全廠集中管理、分散控制的控制管理目標。
4 結語
近年來，隨著國家對環保監控力度的加大和節能降耗要求的提高，對城市污水處理廠自動化管理程度的要求也越來越高。同時要求污水處理廠部分重要數據實現WEB的實時發布，便于政府和社會對公共環保行業的監督。這樣就對污水處理廠SCADA系統提出了更高的要求。管理平臺的升級必然要求SCADA系統在技術上進行改良，特別是在開放性、安全性上滿足跨平臺管理，多用戶多層次的數據訪問及信息共享的需求。
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