SCADA 系统在珠海拱北污水处理厂中的应用
摘要:SCADA（数据采集与监视控制）系统是目前绝大多数污水处理厂实现现代化管理的控制技术，本文以已投入运营的珠海拱北污水处理厂为例，论述了SCADA技术在污水处理厂中的应用。
关键词:污水处理厂;数据采集与监控系统（SCADA）；可编程逻辑控制器（PLC）
SCADA（Supervisory Control and Data Acqui-sition）系统（即数据采集与监视控制系统），应用领域很广，它可以应用于电力系统、给排水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。近几年来，随着我国对污水治理力度的加大，兴建了许多污水处理厂，同时引进了国外先进的工艺和设备，污水净化工程的仪表化、自动化有了迅速的发展。
在现代化的城市污水净化厂中，自动化技术是实现工艺要求，维持设备正常运行，提高工作效率的重要保证，其可将全厂的工艺、设备连成一个统一的整体，协调运行。
污水处理厂自动化系统是实现污水处理厂现代化处理和现代化管理的必要条件，是提高污水处理效果、安全可靠生产、降低药耗、降低能耗、取得较好的社会效益和经济效益的必要手段。而SCADA系统是目前绝大多数污水处理厂使用的控制技术，本文以已设计完成的珠海拱北污水处理厂为例，论述了SCADA控制技术在污水处理厂中的应用。
1 概况
珠海市拱北污水处理厂始建于1985年，总占地面积15.8公顷，规划总处理量为11万吨/日，服务面积2200公顷，服务人口约22万。主要处理拱北、前山片区内的城市污水。该厂建设分成三期工程完成，其中一期工程于1992年2月投入运行；二期工程于1998年4月投入运行；三期工程于2002年8月投入运行。一、二期工程的处理工艺相同，均为传统活性污泥法工艺。由于能耗大，工艺落后，现已进行改造扩建。现在运行的是三期工程，全套工程引进意大利EMIT公司的技术，包括SCADA控制系统。三期工程的处理工艺采用AAO生物除磷脱氮工艺，鼓风曝气，设计规模为8万吨/日，占地8.3公顷。该工艺是改良的AAO工艺，与典型的AAO工艺所不同的是：构筑物在空间上没有严格分开，且在生物池内缺氧与好氧（即硝化与反硝化）多重复一次，从而取代了AAO典型工艺中的内回流系统。其主要特点是生物系统，整个生物系统流程见图1。
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2 SCADA系统的控制方式及特点
拱北污水处理厂SCADA系统的主要控制方式是：在污水处理厂中心控制室集中对全厂各种设备和生产运行数据进行监视和控制，污水处理过程工艺参数和设备的状态在上位机上显示。各设备均可按下列三种方式控制，即就地手动控制、分控站PLC控制、水厂集中控制。控制室具有自动／远程手动控制（遥控）两种方式。这种控制方式具有集中管理，分散控制的特点，可靠性较高，维护也方便。
（1）就地手动控制
在就地通过控制箱或柜上的按钮或控制器对设备进行手动控制。
（2）控站控制
各分控站PLC执行自己的控制程序，处理该站现场I／O信号。在与控制室脱机或通信出现故障时，各分控站能独立利用自己的PLC进行控制以及保持PLC之间的通讯。
（3）厂中心控制室集中控制
中心控制室能对全厂生产过程进行监测控制和数据处理，对所控设备进行自动或键盘（或鼠标）控制，可打印生成全厂的各种报表和曲线。方便污水处理厂的操作并完善管理。污水处理厂的SCADA系统有着区别于其他工业场合的特点，拱北污水处理厂SCADA系统根据其特点采用了以下相应的解决措施：
1）一般污水处理厂的占地都较大，且设备分散，因此需要借助于远程通讯将数据传至中心控制室。该厂采用了ControlNet冗余网络技术，连接各个分控站的PLC。ControlNet可以保持可重复的响应，与网络设备消息传递及编程无关，甚至与增加节点也无关。Con-trolNet的速度与节点数、介质和中继器均无关，因此非常适合污水处理厂分站节点多、传输距离远的特点。ControlNet网具有很好的诊断和排错功能，再加上网络冗余，可靠性非常高。
2）因为设备分布距离远，而且分散，有些现场的操作环境相对恶劣，所以参与程控的设备除了按既定的逻辑程序工作运行外，根据工艺状况，有时候需要在控制室内对设备进行点对点的远程控制，即中控室可以远程直接控制远端的设备。
3）由于污水处理具有持续不断性，因此设备工作时间相对比较长，同时设备的工作环境又相对恶劣，所以了解设备的工作时间和状况就显得尤其重要。因此在报表内容里有设备的运行时间、累计运行时间、起停次数等参数的历史记录。
4）污水处理的过程，特别是生化反应过程是一个较为复杂且时间较长的过程，同时与其相关的参数也比较多。通常在调试过程中，季节转换时和外部水源发生较大变化时，参数的设定都需要作较大的调整，这一点与其他工艺过程相对稳定的系统不一样，因此程序编制时应给予工作人员较大的调整余地和更多的可以干预生产过程的切入口。
5）在污水处理的成本中，电耗是一大项，要有效地控制成本，如何节约电费是一个重要环节。拱北厂三期项目的用电成本占污水处理成本的50％左右，而生物池鼓风机的用电量占总用电量的60％左右。所以，鼓风机的曝气控制对污水处理成本至关重要。设计曝气系统时，引入了“前馈+后馈+模型”组合的多参数控制方式，可大大减少鼓风机的耗电量。其系统原理如图2所示。
3 SCADA系统控制模型
溶解氧是影响生物处理过程的首要因素，污水处理效果很大程度上取决于溶解氧的控制水平。溶解氧是快速时标变量，其动力学特性是非线性和时变的，因此在污水处理过程中，溶解氧受到诸多因素影响。传统的PID控制策略无法及时准确地应对各种扰动的影响，要达到精确控制就必须建立可靠的控制模型。从图2可以看出，系统主要从进水分控站引入进水流量信号和水质信号（水质信号主要是SS浊度、pH和COD），使曝气系统及时随进水水质和水量的变化而对系统供氧量作出响应；从污泥分控站获取污泥的重要信息，判断出水水质处理情况，从而进一步对曝气系统作出有效的调节。溶解氧控制扰动越小、越精确，生化系统的平衡性控制就越好，水质处理就可达到一个最佳、最经济的工艺状态。
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拱北污水处理厂三期SCADA系统的PLC分站采用Controllogix5000系列的产品，上位机组态监控软件采用RSView32组态软件，通讯网络为ControlNet冗余网络。现场仪表大多数都是采用稳定性、可靠性好的著名品牌的产品。其系统设计方案如图3。
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从图3中可以看出，上位机数据采集A站和B站双机热备，互为冗余，分别处理数据（如量程转换、趋势显示分析、报警、计算、事件记录、历史存储、执行用户脚本等）并生成相关的数据报表。上位机数据采集站也是实现人机交互，如用文字、动画显示现场的状态，并可以对现场的开关、阀门等设备进行操作。下位机PLC分站主要实现对现场设备（包括粗格栅、提升泵、细格栅、曝气设备、水质分析仪表等）的数据采集，并实现部分设备的逻辑控制，如提升泵房的液位控制、生化系统的曝气控制、脱水设备的自动调节控制等。这种设计方案在早期运用的比较多，组态相对简单，数据传输可靠性和实时性较好。但是随着对数据处理要求的提高，这种设计方案已逐渐被淘汰，现正在做C/S（客户/服务）结构的改造，改造后的方案如图4。
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改造后，所有的分站数据，包括扩建工程的分站数据都通过工业以太网传输到数据采集服务端。数据服务端采集分站数据进行存储和处理。这里需要特别说明的是，由于所选用的网络具有透明性，数据服务器可以直接访问ControlNet网络上的各个分站，扩建后任意工业以太网结点上的分站和ControlNet网络上的各个结点也可以互相通讯。数据采集客户端从服务器端数据库访问数据，并可实现对所有分站的监控。
由于服务器强大的数据处理功能，可满足扩建后的大量数据处理和管理升级，又可使新旧项目成为一个有机整体，真正实现全厂集中管理、分散控制的控制管理目标。
4 结语
近年来，随着国家对环保监控力度的加大和节能降耗要求的提高，对城市污水处理厂自动化管理程度的要求也越来越高。同时要求污水处理厂部分重要数据实现WEB的实时发布，便于政府和社会对公共环保行业的监督。这样就对污水处理厂SCADA系统提出了更高的要求。管理平台的升级必然要求SCADA系统在技术上进行改良，特别是在开放性、安全性上满足跨平台管理，多用户多层次的数据访问及信息共享的需求。
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