智能化污水处理监控系统的应用范文

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《化工自动化及仪表杂志》2016年第12期

摘要：

采用微絮凝加改进的A2O工艺，利用西门子PLC、单片机和上位机监控软件WinCC搭建设备层和控制层，实现污水处理系统的数据存储、集中监视管理及分散控制等功能。同时，采用GPRS无线网络将污水处理监测数据实时传送到上位监控室，保证了数据的真实可靠。

关键词：

污水处理系统；PLC；A2O工艺；单片机；WinCC组态软件

随着我国工业化和城市化进程的迅猛发展，工业、生活污水大量排放，导致水资源污染严重，极大地破坏了我国现有的水资源，同时还带来了一系列生态问题［1］。目前，我国对生活污水处理工程密切关注，随着新环境保护法的出台，对污水处理和排放指标的要求进一步提高，对污水处理工艺及其自动化程度的要求也在不断提高。传统的污水处理工艺主要以手动操作为主，自动化程度相对较低，污水处理质量不稳定，已不能满足现代污水排放标准的要求。为了提高污水处理质量，降低污水处理成本，提高污水处理的自动化程度，利用先进控制技术和设备对污水处理过程进行监控是极其必要的。笔者采用微絮凝加改进的A2O(Anaerobic-Anoxic-Oxic)工艺进行污水处理，同时利用西门子PLC、WinCC组态软件、单片机实现污水处理系统的自动监控，进一步提高污水处理系统的自动化程度、污水处理质量和技术管理水平，实现水资源保护和污水回收利用的目标。

1污水处理的工艺流程①

A2O工艺是活性污泥法处理生活污水中的一种重要工艺［2］，该工艺主要利用厌氧菌和好养菌的硝化和反硝化反应，完成污水、污染物的降解和除氮除磷［3，4］。为了更好地增加A2O工艺的除氮除磷效果，对原A2O工艺生物污水处理厂进行技术改造，采用微絮凝加A2O工艺进行污水处理。生化反应过程中污水首先进入前置反硝化区，10%左右进水流入该池，然后进入厌氧池、后置反硝化区和好氧池，最后流入二沉池。该工艺具有内回流和外回流两种机制，内回流污水即好氧池出水流回到后置硝化区和厌氧池，外回流污水即污泥回流池出水流回到前置反硝化区，停留20～30h，微生物利用进水中的有机物去除所有回流的硝态氮(硝态氮对厌氧池有不利影响)，进而保证厌氧池的稳定性。此外，整个工艺污水处理过程中添加了乙酸钠、絮凝药剂PAC及PAM等。污水处理系统还包括粗格栅、细格栅、旋流沉砂池、污泥回流池、高密度沉淀池、高效过滤池及紫外消毒池等。除污效果表明，微絮凝加A2O工艺可使污水的处理效果得到大幅提高，可配合超滤反渗透工艺实现中水的二次利用。

2控制系统的设计

2．1西门子PLC控制系统

西门子PLC控制系统(图1)为“集中监控﹑管理，分散控制”的集散型控制系统，共分为4个层次，分别为设备层、控制层、视频监控层和广播系统层。PLC和第三方设备之间通过TCP/IP工业以太网进行通信［3，5］。PLC和PLC远程IO之间通过Profibus-DP标准总线进行数据通信。PLC与中控室监控计算机之间通过10M/100M的TCP/IP光纤单环网工业以太网进行高速大容量数据交换［4，6，7］。系统设备控制分为手动和自动两种模式，在自动模式下有3种控制方式，即现场控制、集中控制和自动控制。现场控制通过现场PLC终端的操作面板(如HMI)实现对设备的独立键控;集中控制时由自控室监控主机完成对全厂所有工艺和电气设备的控制;自动控制时系统根据各工艺参数的检测值和状态，控制设备按照预定程序自动运行。3种控制方式可在现场PLC终端操作员面板和自控室监控主机上根据不同的优先级进行转换，以满足实际工作中调试、检修和自动运行的需要。各控制设备之间相对独立运行。现场控制PLC分站和设备控制单元出现故障时将自动退出，同时界面闪烁报警，以提醒操作人员尽快排除故障。

2．2GPRS无线数据传输电路

污水处理系统的主要水质指标有COD、BOD、pH及温度等，利用在污水处理排放出口安装的智能仪表对这些指标进行检测，仪表标准输出为4～20mA。仪表输出信号经专用信号隔离器后，借助串接的250Ω精密电阻，将电流信号转换成1～5V的电压信号，该电压信号通过STC12C5620AD单片机控制器检测处理，并通过RXD/P3．0、TXD/P3．1与SIM900A模块的串口(UART)连接［8］，实现数据的无线传输。具体电路如图2所示，其中AD_0、AD_1、AD_3和AD_4为4路仪表标准电流信号输出。STC12C5620AD单片机高速、可靠，具有8路10位高速A/D转换功能，满足多路水质指标数据的采集和处理要求。SIM900A模块采用功能强大的ARM9216EJ-S处理器内核，传输速率快，具有RS232接口，可直接与单片机进行连接。STC12C5620AD单片机通过标准的AT指令对SIM900A模块进行控制，接收机利用专用的外网IP实现数据的接收，最终完成污水处理系统出水水质指标的传送和监测［9］，能够有效避免人工抄送错误和作弊情况的发生。

3上位系统的设计

3．1实时监控系统

SCADA系统的监控基础功能是建立在WinCC6．2组态软件系统框架上的。WinCC6．2组态界面(图3)有系统的整体和局部监控管理界面，系统所有显示、设定和标定功能都通过中控室显示控制单元上的触控式显示器和PLC机柜上的触摸屏实现。通过上位机软件，操作者可直观、及时、全面地观察现场相关设备的运行状态，整个污水处理厂的污水处理工艺流程，以及现场传感器的检测值、历史数据等。同时，可直观、便捷地远程控制现场各个相关设备的启停;在中控室显示上位机上能直观地看到第三方相关设备的运行状态。

3．2中央实时监视管理系统

中央实时监视管理系统主要接收和处理实时监控系统和GPRS无线终端发送的重要数据，进一步对设备和指标数据进行处理、转化、分析汇总和统计，多角度、多层次、全方位、数字化、图形化显示出多厂区实时运行状态。可实现数据接收与处理、自定义数据录入、数据历史趋势查看与分析、拐点分析、统计分析、月报周报生成及风险管控与预警等功能。中央实时监视管理系统方案如图4所示。中央实时监视管理系统兼容多个厂区数据的混合处理模式，系统需要搭建多厂区数据并发接收的排队模型，从接入第2个厂区实时数据起，随着厂区数量的不断增加，实时数据接收的排队模型将更加复杂。每次增加一个厂区的实时数据，都需要调整数据接收排队模型，增加系统数据处理功能、功能测试和重部署过程。

4结束语

为了进一步提高污水处理系统的污水处理效果和自动化程度，笔者将原A2O工艺进行了改进，同时与微絮凝处理工艺相结合，设计了西门子PLC控制系统、GPRS无线数据传输电路、实时监控系统和中央实时监视管理系统。利用GPRS对实时检测的各污水处理终端污水处理指标进行无线传输，可以更好地监管污水处理厂的污水处理情况，保证污水处理效果和水质指标达到国家规定的排放标准。

参考文献：

［1］顾嘉嘉．我国城市污水处理面临的问题及对策分析［J］．科技资讯，2007，(32):151～152．

［2］朱报开，林雄生，漆青松．污水处理厂自控系统的形式、结构和功能［J］．自动化博览，2012，(2):66～69．

［3］吉顺平，孙承志，路明，等．西门子PLC与工业网络技术［M］．北京:机械工业出版社，2008．

［4］曹波．生活污水处理监控系统的设计与实现［D］．广州:华南理工大学，2012．

［5］任翠宏，王新志，朱巍，等．PLC自动控制系统的可靠性探析［J］．化工自动化及仪表，2015，42(1):121～122．

［6］姚白莹．基于PLC控制的生活污水处理控制系统设计［D］．苏州:苏州大学，2010．

［7］王国勇．4万吨污水处理厂自动化监控系统设计与研究［D］．济南:山东大学，2008．

［8］关学忠，孙立刚，李欣，等．抽油机位置及状态智能监测系统［J］．化工自动化及仪表，2014，41(7):831～832．

［9］付长顺，侯万雍，金德明，等．基于GPRS的数字油田智能监控系统［J］．化工自动化及仪表，2015，42(3):310-312.

作者:孙立刚 刘广顺 单位:中海油能源发展股份有限公司安全环保分公司 中海石油( 中国) 有限公司天津分公司