分散式污水处理设施集中管理系统

现代污水处理技术划分为集中式处理系统和分散式处理系统，就目前而言，集中式污水处理占有主导地位。但实际调查结果表明：给排水管网建设费用高昂，且大量管道漏水导致地下水渗入或污水渗出，导致严重的地下水污染问题。针对农村此类地理分散的典型分散式污水环境，使用分散式处理系统更为合适。
随着计算机技术的突飞猛进，污水处理厂、站的自动化程度不断提高，PLC、工控机等也逐渐在新建污水处理系统中普及开[1]。农村生活污水分散式处理系统虽已进入自动化阶段，但仍存在问题值得讨论：(1)对于一些排放标准严格的农村生活污水处理设施，有效的技术化监控是设施达标处理稳定性的潜在影响因素之一；(2)城乡经济存在差异，分散式处理系统地处偏远，光纤网络不通，没有专业人员长期驻守，实现技术化监控所需的双向数据传导必须采取合理的传输介质及上位机管理平台。
我国大型城市生活污水集中式处理系统通过中央控制室实现全站的集中管理和管理，全厂的污水流量、pH、浊度、余氯、溶解氧等参数及设备的运行状况通过 PLC 进行数据处理，经主干通讯网络——工业以太网或 IP 协议，以光纤电缆为介质，传输至上位机进行数据交换处理，上位机监控画面上即可显示整个水厂各主要工艺工段的设备运行状态及水质状况，操作人员根据这些状态参数，监控水处理系统运行状况。
本文介绍一套农村集中管理系统。该系统通过无线传输技术代替以光纤电缆为介质的工业以太网；用普通 PC 通过组态软件制作控制界面代替中央控制室；同时，运用巨控 GRM400 智能远程控制终端，配合联通 3G 网络实现数据的双向传输，从而实现分散式污水处理系统的集中管理与控制。为提高分散式污水处理设施管理成效以及降低污水处理设施运行成本的问题提供了一条新的解决思路。
1 现有集中监控系统
1.1 SCADA 系统
SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统。它是以计算机为基础对工业进行控制和调度的自动化系统，可以对远距离现场设备的运行状况进行监视与控制，实现数据采集、设备控制、参数调节以及信号报警等功能，其特是分布系统区域广泛、主站与控制对象距离遥远、通信系统复杂多变等。由于上述特点，SCADA 广泛应用于电力系统中。SCADA 存在的主要问题是系统的不开放与功能不强，远未达到智能化程度。
1.2 DCS 系统
DCS(Distributed Control System)即集散控制系统。它是有一个过程控制级与过程监控级组成的以通信网络为纽带的计算机控制系统。DCS 具有开放性与高可靠性等优点，它采用系列化、模块化、标准化等开放式设计方式，系统中的计算机通信采用局域网方式，可方便的改变或扩充系统的功能；DCS 系统结构采用容错设计并控制功能分散在各个控制站，保证了系统的可靠安全。DCS 综合了计算机、显示、通讯和控制等技术其基本思想是集中管理、分散控制、配置灵活、组态方便。DCS 的构成可以由专用的工程师站、操作员站、数据采集站和现场控制站等组成，也可由通用的服务器、计算机和可编程控制器构成。处于底层的过程控制级一般由分散的数据采集站、现场控制站等实现数据采集和控制，并通过通信网络传送到上位机监控系统，对采集的数据进行集中操作与管理，如各种数据运算、显示报警、故障诊断、趋势分析、统计报表等
1.3 FCS 系统
FCS(Field bus Control System)即现场总线控制系统。它是一种现场自动化控制系统，把安装于生产过程现场中的输出、通信、运算和控制功能的各种智能仪器仪表与设备作为现场总线的节点，且分散的控制回路直接在现场总线上构成。它具有系统可靠性高、可互操作性强、维护简易、开放式的互连结构等优点。
现场总线是通信总线技术在现场设备中的应用与扩展，它将各种现场设备，如显示器、PLC、变送器、执行器和控制系统之间，通过同一总线连接起来进行双向多变量数字通讯。FCS 作为新一代控制系统，采用了基于标准化、公开化的解决方案，克服了封闭系统不开放的缺陷，另外，它把 DCS 的集散系统结构变化为新型全分布式结构，即把控制功能彻底地下放到现场，工业现场的智能设备就能完成诸如数据采集与输出、数据处理、控制运算等功能。但 FCS 系统也存在一些不足，如现场总线没有统一的国际标准，各类现场总线有各自不同的体系结构与标准，这样，给现场总线控制系统的开发带来一些困难，系统的开放性也受到了一定的局限。
考虑到农村污水处理站分布广泛和流程复杂等实际情况，本系统选择“集中管理，分散控制”的 DCS 系统结构。分散控制有利于将可能发生故障的危险进行分散降低故障发生的概率，提高系统的可靠性，也有利于故障发生后的及时处理。集中管理则有利于采集信息进行综合分析与处理，从而对控制进行优化。
本系统使用普通 PC 作为上位机，降低成本同时易于工作人员使用；现场控制使用可靠性高、组态方便且抗干扰能力强的 PLC控制器；系统的通信网络使用 GPRS 和现场总线网络，其中上位机 PC 通过 GPRS 与下位机 PLC 的 GRPS 模块进行通信，PLC 通过现场总线对现场设备进行数据采集。这种结构具有较高的稳定性与扩展性，其中一个节点的失效不会导致整个网络的瘫痪，同时通过扩充节点可以提升系统性能。
2 集中管理系统构建
集中管理系统分为上位机控制系统，下位机控制系统和通讯系统[2]。上位机控制系统采用普通PC，安装GiantView组态软件，运用软件制作人机界面，形成上位机控制系统。下位机控制系统使用PLC作为现场控制站，它接收由现场设备(如变送器、传感器、水泵)传来的信号，按照适当的控制策略计算所需要的控制量，并传送给现场的执行器。由于农村地处偏远，通讯系统采用无线通讯形式作为是上位机和下位机PLC端信号传输。

集中管理系统构建
3 系统试制
3.1 上位机控制系统
本项目上位机控制系统采用普通 PC，安装 GiantView 组态软件，运用软件制作人机界面，形成上位机控制系统。它通过GiantView 配套的 GrmOpcServer 软件，以联通运营的 3G 网络为传输媒介接收由现场设备(如变送器、传感器)传出，经 PLC 程序处理的数模信号，呈现在按项目需求制作的监控界面上。通过监控界面不仅可以观察现场传感器采集的各项参数，同时根据反馈参数，参照标准值，在界面中人工校正，达到保障系统的稳定运行的目的。
3.2 通信系统
网络是通信的基础，数据能否准确、快速的被传输、检测，在很大程度上取决于数据采集点和数据监控点之间的网络布局方式[5]。目前适用于工业控制系统的主要数据通信方式有有线和无线两种方式。有线方式通常包括 DCS 局部网络、工业以太网、现场总线网络等。该种方式具有稳定可靠和高数据传输速率等特点，但是对于监测点分布范围广、数量多、地形复杂的区域，有线方式则会出现成本高、施工难度大、维护工作量大等问题。与此相对的，无线方式构建系统就会显得比较灵活。使用无线方式构建通信系统具有建设周期短、运行维护简单、性价比高等优点。
常见的无线数据通信方式主要有以下几种：

表 1 现有传输方式及其存在问题

传输方法	传输方式优点	存在问题
无线数传电台	以超短波、微波为载波传递数据的无线通信方式，具有传输频带较宽、通信容量较大，可通过中继站延伸，组网灵活、建设周期短	需要申请频点使用权
数据扩频方式	数字扩频方式具有传输速率高、保密性强和组网灵活等多种特点	在高层建筑物密集区域，为了避开遮挡，往往需要多次中继或在更高处架设天线，使用时有一定的限制
卫星通信方式	卫星通信具有覆盖面广、建站方便和易于扩展等特点，还采用了数字传输技术，提高了传输效率和质量	新建卫星地面主站设备需要巨大的投资，因此此类通信方案通常只在特殊场合下使用
4G/GPRS 方式	此种方式监控中心和远端终端设备之间通过无线专网或公共无线通信网进行数据传输，可以充分利用现有的通信网络覆盖范围大、普及率高、可靠性高、技术成熟、价格低等优点	网络服务商进行系统维护时会造成通讯网络中断或不稳定情况(所占时间比例极少)

通过上述通信方式的优劣比较和分析，本方案在上位机和下位机 PLC 端使用 4G网络进行数据传输。
3.3 二级标题下位机控制系统
本项目下位机控制系统使用PLC作为现场控制站，它接收由现场设备(如变送器、传感器、水泵)传来的信号，按照选定的控制策略计算所需要控制量，并传送给现场的执行器，同时完成顺序控制、定时控制等功能[6]。结合3G通信模块，PLC进一步完成数据的上传和反馈信息的接受与响应，保障系统的稳定运行。PLC(Programmable Logic Controller)，即可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专用于工业过程控制中。它采用一类可编程的存储器，用于其内部程序存储，执行逻辑运算，顺序控制，计数，定时与算术操作等面向用户的指令，并通过数字量或模拟量输入/输出控制各种类型的机械设备或生产过程
4 集中管理系统的优势
(1)污水处理站站点分布在各地，不便于维护。配备智能监控系统，可实现无人值；
(2)采用先进的无线通讯与 Internet 相结合的技术，可节省远距离通讯电缆的铺设；
(3)因为各污水处理站都在比较偏远的位置，一般没有上网的条件，上位机电脑访问各 PLC 模块的数据时发生流量问题，因此手机卡应开通流量包月的功能。例如：远程监控 100 个 PLC 变量，3S 更新一次，一个月只需要 100 多 M 的流量(15 元费用)。
(4)当 3G 无线通讯因网络繁忙需中断时，可给特定手机发送短消息提醒；
(5)通过上位机可实时监控污水处理设施的相关参数；
(6)在紧急情况下，通过上位机可直接控制各污水处理站的相关动作，如合闸与拉闸；
(7)在需要的情况下可实现利用手机网页随时访问 PLC 的数据。
5 集中管理系统测试结果及总结
本论文基于相关课题的基础之上，课题开发了一套分散式污水处理设施集中管理系统，包括上位机和多个下位机，其中下位机包括共用PLC模块的溶解氧稳定自控曝气系统[7]和流量可调节污水提升系统，PLC模块连接有与上位机无线连接的GPRS模块。其上位机为计算机，作为主控端远程电脑，接收来自GPRS模块的数据并向其传递控制指令。GPRS模块与移动通讯模块无线连接，操作人员可采用手机可作为上位机的辅助设备，接收来自GPRS模块的信息报警提醒。该系统可对分散式污水处理站各项参数进行集中监测、集中控制、存储，现场控制与远程控制无缝切换，为管理者提供便利。从而，为解决目前农村生活污水处理站运营所面临的资金短缺、专业人员不足、站点分布离散等相关问题提供了一套有针对性的实用技术，并有助于促进适合农村特点的污水处理环保设施运营管理政策的尽快出台

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