智慧城市：智慧环保污水处理监控系统解决方案

　智慧城市：智慧环保污水处理监控系统解决方案

　随着工业污染，环境破坏的日益严重，水处理是长期以来重点关注的领域之一，主要用于医疗、化工、工业、民用水方面，同时它也是改善居民生活环境、提高人民健康水平的重要手段。而针对污水处理的实际情况，采用了组态软件，采集传感器、PLC 等共同搭建的现代化计算和自动监控系统。下面，我们就一起来看看智慧环保污水处理监控系统解决方案吧！

　一、系统设计

　本方案中控制系统为三层结构、二级网络。三层结构包括：过程设备层、同场控制层、操作管理层。

　过程设备层由设置在各单体内的远程 I/O、电动机启动器和部分工艺机组自带的控制器组成；现场控制层由设置在鼓风机房、格栅间和污泥脱水间内的可编程逻辑控制器（PLC）系统和工控机组成；操作管理层由设置在中心控制室内的计算机及监控软件，包括工程师和操作员站计算机及打印机等外设组成。

　二级网络包括：管理信息网和实时控制网。管理信息网采用工业以太网的形式，用来实现现场控制层与计算机的通信；实时控制网采用现场总线的形式，用来实现过程设备层与现场控制层之间的通讯和数据传输。

　自动控制

　自动控制主要通过可编程控制器 PLC 来实现的，可自动控制，也可根据需要选择手动控制。系统控制部分包括以下主要部分：

　1）设备自动启停 2）设备的自动清洗 3）自动显示功能 4）自动保护功能 5）自动恒压供水6）实现对水罐、阀等现场控制。

　二、设计方案

　2.1 系统的可靠性

　控制系统在严格的工业环境下能够长期、稳定地运行。系统组件的设计符合真正的工业等级，满足国内、国际的安全标准。并且易配置、易接线、易维护、隔离性好，结构坚固，抗腐蚀，适应较宽的温度变化范围。系统具备良好的电磁兼容性，支持 I/O 模板在系统运行过程中进行带电热插拔。能够承受工业环境的严格要求。

　2.2 系统的先进性

　系统的设计以实现“现场无人职守，分站少人值班”为目的。设备装置的启、停及联动运转均可由中央控制室远程操纵与调度。

　2.3 系统的故障诊断

　控制系统有一套完整的自诊断功能，可以在运行中自动地诊断出系统的任何一个部件是否出现故障，并且在监控软件中及时、准确地反映出故障状态、故障时间、故障地点、及相关信息。在系统发生故障后，I/O 的状态应返回到系统根据工艺要求预设置的状态上。

　2.4 系统扩展性和兼容性

　为了保证武威工业园区污水处理厂扩建或改造时满足工厂的控制要求，控制系统具有较强扩展能力。

　控制系统主要用于污水处理厂的生产控制、运行操作、监视管理。不仅有可靠的硬件设备，还有功能强大，运行可靠，界面友好的系统软件、应用软件、编程软件和控制软件。

　监控系统的数据库结构为面向对象的，实时式，关系型数据库。操作系统和监控软件具有冗余和容错及灾难性恢复等功能。

　2.5 系统实施

　本方案中控制系统为三层结构以及二级网络。三层结构包括：过程设备层、现场控制层、操作管理层。

　过程设备层由设置在各单体内的远程 I/O、电动机启动器和部分工艺机组自带的控制器组成；现场控制层由设置在鼓风机房、格栅间和污泥脱水间内的可编程逻辑控制器（PLC）系统和工控机组成；操作管理层由设置在中心控制室内的计算机及监控软件，包括工程师和操作员站计算机及打印机等外设组成。

　二级网络包括：管理信息网和实时控制网。管理信息网采用工业以太网的形式，用来实现现场控制层与计算机的通信；实时控制网采用现场总线的形式，用来实现过程设备层与现场控制层之间的通讯和数据传输。

　废水处理方法

　物理处理法

　物理处理法是指应用物理作用改变污水成分的处理方法。用于食品工业污水处理的物理处理法有筛滤、撇除、调节、沉淀、气浮、离心分离、过滤、微滤等。前五种工艺多用于预处理或一级处理，后三种主要用于深度处理。

　（1）撇除

　某些食品工业污水中含有大量的油脂，这些油脂必须在进入生物处理工艺前予以除去，否则会造成管道、水泵和一些设备的堵塞，还会对生物处理工艺造成一定的影响。此外，油脂除去并回收又有较大的经济价值。

　 污水中的油脂根据其物理状态可分为游离漂浮状和乳化状两大类。通常隔油池除去漂浮状油脂。隔油池对漂浮状油脂的去处率可达 90%以上。如果处理流程中设有调节池或沉淀池，则隔油池可与调节池或初沉池合用统一构筑物，可节省投资和占地。对小型处理系统，可设油水分离器撇油。

　（2）其他处理工艺

　对二级处理出水进行深度处理，常用的方法是过滤，可采用砂滤池或复合滤料滤池。按滤速大小分慢速砂滤池和快滤池。一般单层砂滤池的滤速为 8～12m/h。

　（3）筛滤

　筛滤是预处理中使用最广泛的一种方法。主要作用是从污水中分离出较粗的分散性悬浮固体物。所用的设备有格栅和格筛。格栅拦截较粗的悬浮固体，其作用是保护水泵和后续处理设备。食品工业污水中常用的格筛有固定筛、转动筛和震动筛等，格筛最常用的孔径是 10—40 目。

　（4）沉淀

　沉淀是用来除去原污水中无机固体物和有机固体物，以及分离生物处理工艺中的固相和液相。用沉砂池除去原污水中的无机固体物；用初沉池除去原污水中的有机固体物；用二沉池分离生物处理工艺中的生物相和液相，沉砂池一般设在格栅和格筛之后。为了清除污水中无机固体物表面的有机物，避免污水中有机固体物在沉砂池中产生沉淀，可采用曝气沉砂池。采用初沉池可降低后续工艺的负荷。初沉池除去悬浮固体的效果与加工的原料和产品有关。按池中的水流方向分为平流沉淀池、竖流沉淀池、辐流沉淀池。为了提高沉淀池的沉淀效率，可在沉淀池内设置平行的斜板或斜管而成斜板（管）沉淀池。一般沉淀时间 1.5—2.0h。

　（5）调节

　对于水质水量变化幅度大的食品工业污水，常设置调节池对污水的水质和水量进行调节，调节时间一般为 6—24h，多为 6—12h 左右。调节池容量为日处理污水量的 15%—50%。

　（6）气浮

　气浮主要用于除去食品工业污水中的乳化油、表面活性物质和其他悬浮固体。有真空式气浮、加压溶气气浮和散气管（板）式气浮。当污水进入容器气浮池之前，往水中投加化学混凝剂或助凝剂，可提高乳化油脂和胶体悬浮颗粒的去除率。据资料介绍，气浮可除去 90%以上的油脂和 40%—80%的 BOD5 和 SS。气浮池 HRT 一般 30min。

　2、化学处理法

　化学处理法是指应用化学原理和化学作用将污水中的污染物成分转化为无害物质，使污水得到净化。污染物在经过化学处理过程后改变了化学本性，处理过程中总是伴随着化学变化。

　用于食品工业污水的化学处理法有中和、混凝、电解、氧化还原、离子交换、膜分离法等。

　（1）氧化还原

　化学氧化还原是转化污水中污染物的有效方法。污水中呈溶解状态的无机物和有机物，通过化学反应被氧化或还原为微毒或无毒的物质，或者转化成容易与水分离的形态，从而达到处理的目的。

　（2）混凝法

　食品工业污水处理中所用的化学处理工艺主要是混凝法。混凝法不能单独使用，必须与物理处理工艺的沉淀、澄清法或气浮法结合使用，构成混凝沉淀或混凝气浮，混凝沉淀可作为生物处理的预处理，也可作为生物处理后的深度处理。

　混凝沉淀法是水处理的一个重要方法。对于一些胶体颗粒较小、或是一些胶体溶液，难以或不能发生沉降的污水加入化学混凝剂，使其形成易于沉降的大颗粒而去除。污水中呈胶体状态的蛋白质和多糖类物质，经加药混凝沉淀即有较好的去除效果。

　常用的药剂有：石灰、硫酸亚铁、三氯化铁和硫酸铝等。石灰一般不单独使用，常与其他药剂配合使用，最佳投药量和 pH 值宜通过试验确定。

　（3）离子交换

　离子交换主要是利用离子交换剂对水中存在的有害离子（包括有机的及无机的）进行交换去除的方法。

　3、生物处理法

　生物化学处理法是有机污水处理系统中最重要的过程之一。在食品加工废水处理中，生物处理工艺可分为好氧工艺、厌氧工艺、稳定塘、土地处理以及由上述工艺的结合而形成的各种各样的组合工艺。食品污水是有机污水，生物法是主要的二级处理工艺，目的在于降解 COD、BOD5。

　好氧生物处理工艺根据所利用的微生物的生长形式分为活性污泥工艺和膜法工艺。前者包括传统活性污泥法、阶段曝气法、生物吸附法、完全混合法、延时曝气法、氧化沟、间歇活性污泥法（SBR）等。后者包括生物滤池、塔式生物滤池、生物转盘、活性生物滤池、生物接触氧化法、好氧流化床等。一般好氧处理对低浓度污水效果较好。

　厌氧生物处理工艺适用于食品加工废水处理，主要原因是污水中含易生物降解的高浓度有机物，且无毒性。此外，厌氧处理动力消耗低，产生的沼气可作为能源，生成的剩余污泥量少，厌氧处理系统全部密闭，利于改善环境卫生，可以季节性或间歇性运转，污泥可长期储存。

　三．系统控制和功能描述

　3.1 控制方式

　现场手动模式：设备的现场控制箱或 MCC 控制柜上的“就地/远程”开关选择“就地”方式时，通过现场控制箱或 MCC 控制柜上的按钮实现对设备的启/停、开/关操作。

　遥控模式：即远程手动控制方式。现场控制箱或 MCC 控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式时，操作人员通过操作面板或中控系统操作站的监控画面用鼠标器或键盘选择“遥控”方式并对设备进行启/停、开/关操作。

　自动模式：现场控制箱或 MCC 控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式，且现场控制站的“自动/遥控”设定为“自动”方式时，设备的运行完全由各 PLC 根据污水处理厂的工况及生产要求来完成对设备的运行或开/关控制，而不需要人工干预。

　控制方式设计为：就地手动控制优先，在此基础上，设置远程遥控和自动控制。控制级别由高到低为：现场手动控制、遥控控制、自动控制。

　系统控制部分包括以下主要部分：1）设备自动启停 2）设备的自动清洗 3）自动显示功能 4）自动保护功能 5）自动恒压供水 6）实现对水罐、阀等现场控制。

　3.2 功能和特色

　产品功能

　·定时工作模式，可按绝对时间系统设置采、传周期；

　·周期工作模式：可按时间间隔设置采、传周期；

　·低功耗唤醒工作模式：可设置低功耗、在线工作状态，设备此时处于“随时待命”状态；

　·独立采集周期设置：可实现 1 分钟-24 小时间隔内设置；

　·独立传输周期设置：可实现 1 分钟-24 小时间隔内设置；

　·报警阈值可远程设置：可实现“绝对值”、“上下限”、“斜率”报警方式；

　·内置 TCP/IP 协议栈，针对无线网络优化；GPRS 无线数据双向传输；

　·提供 RS232/485/0-5V/4-20mA/I/O 等多种接口；

　·完善的自动重联机制，强大的数据通道自恢复能力；

　·支持中心为固定 IP 或动态域名；支持远程参数配置升级；

　·支持数据中心虚拟串口，兼容大量已有应用软件；

　 ·支持远程短信唤醒；支持点对点、点对多点等数据传输；

　·支持 APN 虚拟专网业务；

　·支持透明通信模式/控制通信模式；

　·电源管理功能；无线增益自动测量。

　产品特色

　·应用于无人值守，无线传输；

　·双向大容量数据缓冲区，支持大数据包传输；

　·极低功耗，定时状态电流<0.1mA；在线待机电流<20mA；

　·采用 TCP 滑动窗口技术，大幅提升数据传输效率；

　·复合式看门狗技术，永不死机，数据 100%可靠收发；

　·EMC 抗干扰设计，适合电磁恶劣环境应用；

　·适应低温和高温工作环境；支持透明通信模式/控制通信模式；

　3.3 数据采集

　实时采集各个终端站传送的各类数据和信号，通过在彩色监视器(TFT)显示总工艺流程图，分段工艺流程图，供电系统图，工艺参数，电气参数，电气设备运行状态等。

　3.4 数据处理

　对来自各现地控制单元的实时数据和相关设备状态信息进行数据校验检测；

　实现系统的故障检测和诊断功能，如总线网络中途断线、站的失电、站地址的冲突、模块配置不对应等常见故障；

　汇总各现地控制单元的所有上送数据和状态信息。

　数据查询功能：对系统中存储的相关设备数据能够按照时间、时段、设备、报警等各种方式进行查询；

　数据检测功能：对现地控制单元上送数据进行实时性、可靠性等验证，保证数据的正确性；

　根据采集的实时数据生成相应的各类生产报表、形成历史数据记录、趋势曲线记录等；

　完成语音报警等功能；

　3.5 控制和监视

　实现全厂各个现地控制单元的实时监视；

　通过人机终端，实时显示各现地控制单元的状态信息和实时控制。

　3.6 数据通讯

　通过光纤总线网络实现主控级计算机与分控站 PLC 和智能通讯装置的实时数据通讯；

　3.7 画面显示

　根据系统采集的各分控站控制单元设备的实时数据和状态信息，实时刷新系统的相关画面；

　实时显示系统的总工艺流程图，分段工艺流程图，供电系统图，工艺参数，电气参数，电气设备运行状态等；

　系统画面中设置导航画面，通过导航画面可方便实现画面的快速切换；

　在每个画面设置画面帮助，可为操作员提供快速操作帮助；

　3.8 存储和打印

　实时记录和存储系统中各分控控制单元中相关设备的实时数据，并形成历史数据文件。实时存储和打印的数据主要有：

　各类操作记录；

　各类事故和故障记录；

　各类报表记录等。

　3.9 事故、故障报警

　系统可实现系统中各分控控制单元所有设备的事故、故障等的报警、记录以及相应的报警画面弹出显示、语音报警等功能，并且能够按照报警发生的时间、次序、设备名称、事故和故障名称等等进行查询等。

　3.10 保护功能

　系统具有多种安全设备、操作员操作权限设置、操作命令确认、操作口令确认、设备联锁等功能，可实现系统的安全、可靠、正常运行。

　系统设置有操作员操作权限等级设置，可根据操作要求，进行相应权限的登录操作；

　操作员在操作过程中设置有操作口令和操作命令确认，有效地避免了设备的误动；

　3.11 自诊断功能

　系统能够提供完善的硬件和软件自诊断功能，主要包括：

　计算机硬件设备及接口设备的自检；

　系统通讯网络连接的自检；

　系统相关设备的自检、故障提示等功能。

　软件

　3.12 系统软件

　选用具有开放式软件接口的实时多任务、多用户系统的 MicrosoftWindowsXp 中文版网络操作系统。

　数据库软件

　采用实时分布式关系型数据库系统，通过对监控对象的组态，实时监测和控制各监控对象，并自动生成操作记录、遥信变位、事故记录等实时数据。

　历史数据库能够通过 DDL、DDE 及 OLE 等与其它应用软件交换数据，并带有标准的 SQL 接口和 ODBC 接口，为系统维护、管理提供技术基础。

　应用软件

　包括工业实时监控组态软件、现场总线组态软件、数据库软件、标准工业控制和专用水处理过程控制图形库等。工业实时监控组态软件配置有开发版（无限点）、运行版和监控版。其主要功能是：

　(1)运行监控

　采用图控软件组态设计中控室的运行监控软件，具有中文界面、操作提示和帮助系统。操作界面主要以流程图方式表示，从总体流程图直到每个单体的局部流程图，在流程图上显示的设备，均可点击进入该设备的进一步细节数据或对其进行控制。工艺过程、运行数据和设备状态均以图形方式直观表示。运行参数和目标控制参数，可以点击进入其属性或进行设定修

　改。

　(2)数据库的生成及管理

　提供整个监控系统运行的各种数据参数、各机械电气设备状态、以及各接口设备状态的实时数据库及历史数据库，并能根据信息分类生成各种专用数据库，且具有在线查询、修改、处理、打印等数据库管理软件，可进行日常的操作及维护，同时还具有 ODBC 功能，与其它数据库建立共享关系。

　保存在内存中的实时数据库应存贮由各种监控对象的动态数据，数据刷新周期应可调，以保证关键数据的实时响应速度。短期历史数据库应能够保存 7 天的实时数据和组合数据，并不断地予与刷新（其数据来自于实时数据库）。历史数据库中能够存入各设备的运行参数、报警记录、事故记录、调度指令等。并具有存贮 3 年运行数据的能力。

　(3)组态

　通信组态：生成各种通信关系。明确节点间的通信关系，可实现现场仪表与 PLC 之间、PLC与监控计算机之间，以及计算机与计算机之间的数据通信。

　控制系统组态：生成各种控制回路。明确系统的控制功能，各控制回路组成结构、控制方式与策略。

　(4)图形生成及查询

　应用软件具有强力而有效的图形组态显示功能。能画出总平面图、工艺流程图、设备平立面布置图、电气主接线图等。在确定监控画面后，可对监控对象进行形象图符设计、组态、连接、生成完整的实时监控画面，使用户能够在显示器上查询到各种监控对象的动态信息及故障，其形式可以是图像、报表、曲线、以及直方图等，并在投影屏上有动态显示数据。

　同时，还具有友好的中文人机接口界面，采用图形、图标方式，使管理人员方便地使用鼠标器或键盘对系统进行管理、控制。通过监控画面的切换，进行数据查询、状态查询、数据存贮、控制管理等各种操作。

　(5)日常管理

　日常的数据管理是对采集到的各种数据进行计算、处理、分类，自动生成各种数据库及报表，供实时监控、查询、修改、打印，生成后的报表文件的修改或重组。

　软件系统的可靠性能够保证数据的绝对安全，防止对数据的非法访问，特别是对原始数据的修改。按操作等级进行管理，一般情况下，至少设置三级操作级，即观察级、控制操作级、维护即，每一级都设有访问控制。

　具有日常的网络管理功能，维持整个局域网的运行，定时对各接口设备进行自检、异常时发出报警信号。

　 (6)设备管理

　对组成系统的所有硬件设备及运行状态进行在线监测及自诊断；对实时监控的所有对象的运行状态进行监测及自诊断；对各类设备运行情况（如工作累计时间、最后保养日起）进行在线监控，并存入相应文档，以备维护保养；对设备故障提出参考处理意见。

　(7)能耗管理

　软件系统能够对系统的设备运行记录及控制模式进行综合考虑，使系统能在最低的能耗下发挥最大的效益。

　(8)工控组态软件

　系统监控组态软件是一个精心设计开发的实时系统工作平台。软件本身及相关文档均为中文版本，为国际或国内知名组态软件。具有全图形化界面、全集成、面向对象的开发方式，使得系统开发人员使用方便、简单易学。功能覆盖广，软件组合灵活，高效性、内在结构和机制的先进性应该确保用户可快速开发出实用而有效的自动化监控系统。

　数据采集方面，同时支持多种 PLC 的通讯，如施耐德、西门子、AB 等多家产品的数据通讯，具有很强的兼容性；支持同时采集各种 PLC、仪表、变频器、板卡、RTU 等设备的数据；支持电话拨号、电台、GPRS、VPN 等远程多种通讯方式；具备相位采集功能。

　工作站应可对整个系统设置安全管理。支持使用用户，权限，优先级，安全区的方式为用户提供安全验证。

　工作站监控、组态必须的软件均基于 WindowsXP 操作系统。

　系统可以在各种语言版本的操作系统上运行，可以在画面中同时使用汉字及其他多国文字和符号；具备全中文的开发和运行环境。

　组态软件能支持 OPC 标准，同时具备 OPCServer 和 OPCClient 功能，可以快速、可靠地与众多不同生产商制造的硬件设备实现可靠的通讯。

　支持变量的快速搜索，并且为方便用户二次开发，组态软件必须支持全中文变量名和函数名及结构变量和引用变量；支持变量的批量生成、合并、导入、导出；支持自定义函数。

　具备设备模型和图形模型功能，通过设备模型快速创建变量和关于该变量的逻辑计算处理。通过图形模型可以快速部署已经制作好的图形动画.

　支持类 C 语言等作为内置编程语言，支持系统事件，变量改变事件，报警事件，热键事件，条件事件，自定义函数、定时脚本和调度脚本等多种脚本类型，为用户提供方便的开发平台。

　组态软件支持各种运算函数，包括：事件驱动的算术和逻辑运算、逻辑关系运算、报警状态

　处理、定时器、对数和指数运算、三角函数、按位运算、字符串处理、数制转换、取平均值、最大值、最小值、取中间值、记录历史值、统计操作次数和操作持续时间等功能在内的统计运算。