基于网络的污水处理厂监控系统 3页

墨麦旦日究握鲞日Doi：l0．39694．issn．1671—1041．2013．04．004基于网络的污水处理厂监控系统张媛媛，林寥廓，李珍(天津工业自动化仪表研究所有限公司，天津300060)摘要：本文介绍了某污水处理厂基于网络的污水处理厂监控系统技术。该系统可实现工艺过程的全程监控，同具有监控功能的独立子设备实现“无缝”对接。全厂通讯采用高速光纤环网(FDDI)的设计模式，对现场进行模拟量PID调节等自动控制。该监控系统的运行提高了污水厂的-眭能、可靠性、灵活性和运行效率。作为污水处理行业的新技术，基于网络的污水处理厂监控系统将成为水处理行业的发展方向。关键词：污水处理；网络；监控系统；控制中图分类号：TP273文献标志码：ASewagetreatmentplant'smonitoringsystembasedonnetworkZHANCYuan-yuan．LINLiao-kuo．LIZhen(TianjinInstituteofIndustrialAutomationInstrumentsCo．，Ltd，Tianjin300060，China)Abstract：Thispaperintroducesasewagetreatmentplant’smonitoringsystemtechnologybasedonnetwork．Thissystemcanrealizethefull-rangemonitoringandtheseamlessconnectionwiththeindependentequipmentwithmonitoringfunction．AIIcommunicationjnthefactoryutilizeshighspeedopticalringnetwork(FDDI)designpattern，sowecanachievetheanalogPIDcontrolandotherautomaticcontroIfunctionsOnthespot．Thesystemcanimprovetheperformance．reliability．flexibilityandeficiency．ThisnewtechnologywilIrepresentthetrendofwatertreatmentjndustry．Keywords：sewagetreatment；network；monitoringsystem；controlO引言2污水处理总体工艺21世纪进入计算机网络时代，网络技术越来越广泛地污水处理采用“多级AO+高效沉淀+深床过滤工艺”，应用于污水处理行业，它可以更大范围的实现资源共享，消毒采用紫外线消毒工艺，除臭采用全过程除臭工艺。污进一步提高自动化管理水平。目前国内主要采用的网路拓水处理厂产生的污泥经浓缩、脱水后，进入污泥处理处置扑结构有星网、总线网、环形网、树形网和网形网等，我厂进行处理。污水厂设现场分控站，各现场分控站设置在们设计的污水处理厂监控系统采用的是环形网+星网的复各自管控分区的现场或控制室内。分为预处理分控站(粗合结构，对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控格栅、进水泵房、细格栅、曝气沉砂池等)，生物处理分制。本文以天津某污水处理厂为例，介绍了基于网络的污控站(初沉池、生物池、二沉池配水井、二沉池、鼓风机水处理厂监控系统技术，最终使污水处理厂出水水质达到房、甲醇投加间等)、深度处理分控站(中间提升泵站、《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)中加药间、高效沉淀池、深床滤池、紫外消毒渠、出水泵房的一级A标准⋯。等)、污泥处理分控站(初沉污泥水解池、污泥均质池、污泥浓缩脱水机房等)]。工艺图如图1所示。l系统总体设计监控系统分为设备层、控制层和管理层三层结构。设备层由各种智能测控单元(带标准总线接口)组成，包括高压配电系统的电力监控仪、低压配电系统的电量检测网络仪表、总线型在线仪表等。控制层由连接在光纤环网上的现场控制分站(PLC)构成，每个现场控制分站均由PLC及机柜、人机界面(HMI)、控制系统配电柜(内含UPS)和工业交换机等组成；同时在各个控制分站又以星型网络链接各个具有监控功能的独立子设备，实现“无缝”对接。管理层设置了监控计算机(操作员站、工程师站)、工业交换机、网络打印机、厂区电视监控多媒体电脑等，在不同权限下，操作员站、工程师站均可作为监控主机，对系统进行操作，实现工艺过程的全程监控。图1污水处理工艺图欢迎订阅欢迎撰稿欢迎发布产品广告信息EICVOI．2O2013No．419\n器麦3控制系统的设计3．1硬件设计监控系统采用高速光纤环网(FDDI)的设计模式，光纤具有高数据传输率、高抗电磁场干扰以及信号传输图2控制过程图衰减小的特点，环网具有地理覆盖范围大、允许高数据图2中，y(t)为电动调节阀的输出信号；e(t)为溶解氧的负荷、实时性强的特点，非常适合污水处理厂设备控制点偏差信号，等于给定值与测量值之差，e(t)=r(t)一y(t)；KP为多、场地面积大的现状。环网上的交换机选用HirschmannPID控制器的比例系数；TI为PID控制器的积分时间；TD为的OpenRail模块化交换机，具有高度的灵活性，规划简PID控制器的微分时间。PID控制器计算公式为：便，仓库管理的成本最低。此外，它还可以便捷地兼容不同的网络拓扑结构，通过模块的扩展来满足面向未来的需y(t)：Kp1Le(t)+l11。fe(t)dt+T。．deti!tt)．J1求。实时以太网介质模块可以用毫微米计的精度同步PTP选用PID模块FB41控制阀门开度的输出。MAN—ON用(IEEE1588)数据网。交换机自带监控软件，通过OPC协于PID的手动／自动切换，手动时按照操作员设定的输出值议与WINCC建立数据连接，从而在系统显示画面中实时监调节电动阀门开度，自动时按照溶解氧的检测值调节电控各PLC分控站的通讯状态。当环网出现一个断点时，整动阀门开度。CYCLE用于检~{PID采样周期，我们根据调个网络系统转换为树形网，仍可以进行数据传输，使网络试结果设置为1s。SP—INT为溶解氧的给定值。PV—IN为溶达到热备冗余的效果。解氧的反馈值。GAIN为调节的比例增益，根据现场调试现场分控站配置西门子S7—400PLC。在各控制站接入结果设为2。TI为积分时间，根据现场调试结果设为10s。的子设备，子设备以两种方式接入整个控制网：一种是采TD为微分时间，对检测结果影响小，可不用设定。可在用以太网模块通过交换机接入网络；另外一种是采用总线DEADB—W处设置死区宽度，如果输出在平衡点附近微小幅方式由DP口接人各分站S7—400PLC控制器，由控制器将数度振荡，用死区来降低灵敏度。这种模拟量控制方式可加据打包上传至中控。现场采集数据通过现场总线和I／O模块快系统响应速度，调节动作迅速，消除余差，同时根据偏将数据上传PLC分站，中央控制室接受PLC分站发出的控差信号的变化趋势提前动作。制参数，对采集的信号进行处理和运算后，实现设备的远4．2多信号控制控。分站还可以就地自动控制调节。PLC和PLC的IO之间通以CASS生物池曝气量自动控制为例。生物池一共有4讯速率不低于1M。个池子，互相连通。第一次启动时，第1个池子边进水边曝3．2软件设计气，第2个池子等待1小时以后进水同时曝气，第3、第4个根据系统设计要求，监控计算机在WindowsXP平台上池子的运行过程与前两个池子运行过程相同。执行一个周选用西门子WINCC，该软件包括所有SCADA功能在内的客期以后，三个池子在同一时刻执行不同的工艺，第1个池子户机／服务器系统，具有强大的标准接口，~NOLE、OPC、闲置，第2个池子滗水，第3个池子沉淀，第4个池子曝气。TCP／IP等，可编写ANSI—C和VisualBasic脚本程序，提供主当其中1个池子的设备有故障时(回流泵、剩余泵除外)或要PLC系统的通讯通道，包括OPC等，实现IT功能和商务集者操作人员将该池子打到手动时，自动退出，不影响其他成优化，具有强大的Web功能]。控制器PLC程序根据所选三个池子的自动运行，其他三个池子按照原顺序继续运行4PLC型号的不同，分别采用SIMATICSTEP7、STEP7一Micro／个工艺，当退出自动的池子恢复自动以后，必须等到再次WIN等软件；网络管理采用Hirschmann的HiDiscovery软件；曝气时才自动启动。每个池子的工艺步序如表1所示。PLC子设备通讯采用S7—200PCAccess、SIMATICNET等软表1生物池工艺步序时件，分控站上的西门子触摸屏选用WinCCflexible软件。生物池1#生物池1#电动生物池1#滗水生物池1#生物池1#剩余间全厂工艺设备的控制有以下三种方式：就地手动，进水电动阀调节阀(曝气器(4台)回流泵(4泵(：tl~N泵)(4(4台)阀4台变频)台变频)台变频)PLC自动控制，远程中控室控制。通过就地控制箱(或按曝气(第√√第钮箱)上的转换开关实现“就地一远控”转换。PLC自动一步)1h控制和中控控制的转换通过权限级别由工艺人员设定。沉淀(第√第二步)2h4自动控制模式滗水(第4(液位低时√4(25h后开第三步)停，液位可设)肩)4．1模拟量控制3h闲置(第4(液位低时√第生物池电动调节阀依据溶解氧来进行模拟量输出调四步)停，液位可设)4h节，阀门开大，溶解氧升高；阀门开小，溶解氧降低。溶解氧浓度在一定时间范围内需要保持不变，由溶解氧分析这种控制方法投资低，生化性好，反应推动力大，流仪、PID控制器、电动调节阀和送气管路等组成定值调节系量变化影响小，适用于阶段性建造和扩建。实现了连续进统。控制过程如图2所示。水间歇排水的周期循环运行，集曝气、沉淀、滗水、闲置2OEICVOI．2O20t3N0．4\n置塞旦日班窒拯鲞臼于一体，是厌氧、缺氧、好氧交替运行的过程，具有一定高速发展阶段。可以预见，基于网络的污水处理厂监控系脱氮除磷效果。废水以推流方式运行，而各反应区则以完统作为污水处理行业的新技术，将成为水处理行业的发展全混合的形式运行，实现同步硝化、反硝化和生物除磷。方向。口参考文献4-3液位差控制[1】城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918—2002)[S]北京：国家环在PLC设定液位差△H。当格栅堵塞，测量的液位差保总局，2002：3-11．Ah≥AH时，格栅除污机开始按照工作循环连续工作，直【2]李亚峰晋文学城市污水处理厂运行管理[M]北京：化学工业出版至△h<△H，格栅除污机回到安全零位，等待下一个工作社，2005：10—12命令。[3】王实，刘晓明．深入浅出西门子WinCCV60lM]北京：北京航空航天大学出版社，2004：6—74．4时间控制[4】赵卫国．污水处理工程项目建设与新技术应用实务全书[M】．北京：光根据PLC设定的时间间隔△T及循环次数N(持续时明日报出版社2002：805．间)定时定量控制格栅除污机运行。操作人员可调整所有[5】GustafQlsson．污水系统的仪表、控制和自动化[M]北京：中国建筑格栅具有相同的△T及N。△T的设定范围是0~24／b时，但出版社．2006：9．每一挡不少于3O分钟，N的设定范围是1~5次。初始设置为作者简介：张嫒媛(1981-)I女，工程师，研究方向为自动化控制系统及系统集成；林寥廓(1964一)，高级工程师，研究方向为仪器仪表及自动化控制系△T=3lb时，N=2次。当实际的时间间隔△t=△T时，格栅统；李珍(1964一)，女，高级工程师，研究方向为工业自动化控制系统。除污机开始连续N次工作循环，之后，格栅除污机回到安全收稿日期：2013-05-23零位，等待下一个工作命令。上述两种控制模式可以同时有效，当hh≥AH或(接第24页)△t=△T时，启动各自的控制程序进行工作。格栅除污机每4结束语完成一次工作循环，都自动清零△t。在IEC62443标准中引入了信息安全保障等级(SAL，格栅除污机控制流程如图3所示。SecurityAssuranceLeve1)的概念，尝试用一种定量的方法来处理一个区域的信息安全。通过定义并比较用于信息安全生命周期的不同阶段的目标SAL、设计SAL、达到SAL和能力SAL。目前在核电领域尚未得到应用和推广。而随着核电企业信息化程度的加强和面临的日益严峻的网络威胁，信息安全在核电领域的需求必然会增强。如何运用信息安全风险评估的技术和手段是大势所趋。因此，应该坚持周期性地开展信息安全风险评估工作，不断在实践中完善风险评估的技术。口参考文献[1】缪学勤．采用纵深防御体系架构，确保核电可靠安全U】自动化仪表，2011，(2)：1—6．【2】刘益和．基于核电站网络安全的信息流模型【J]．核动力工程，2005，26(2)：102—104．【3]GBT26333—2010，工业控制网络安全风险评估规范[s]．2010．[41GB／T22240—2008，信息安全技术信息系统安全等级保护定级指南『s1l2008．[5】GB／T20984-2007，信息安全技术信息安全风险评估规范[s]l2007[6】GB／T22239—2008，信息安全技术信息系统安全等级保护基本要图3格栅除污机控制流程图求【sJ．2008．液位差控制、时间控制的自动化程度高、工作效率[71IEC61508，FunctionalsafetyofE／E／PEsafety—relatedsystemsIs]．2000．[8]IEC／TS62443，Industrialcommunicationnetworks—Networkand高、动力消耗小。用户可以根据格栅前后的液位差来进行systemsecudtyH2009自动控制，并且根据需要任意调节设备运行的间隔，实现作者简介：王英，高级工程师，硕士，上海仪器仪表自控系统检验测试所副周期性的运转。检修方便，且具有手动设定和控制功能。所长，现主要从事工业系统仪器仪表自动化、可靠性和电子兼容试验、工业控制系统信息安全等科研工作。5结束语收稿日期：2013-01—10目前，本研究已应用于某污水处理厂自控系统，该提高了污水厂的性能、可靠性、灵活性和运行效率，降低污水厂改造和扩建所需的费用，带来了很大的经济效益和社会效益嘲。随着扶持政策逐步到位，污水处理行业即将进入欢迎订阅欢迎撰稿欢迎发布产品广告信息EICVO1．2O2013No．421