基于Interbus的生物曝气滤池工艺污水处理自动控制系统

引言

    随着我国的环保事业迅速发展,工业废水、生活污水的净化处理成为当务之急。投资少、运行灵活的生物曝气滤池技术得到广泛应用。生物曝气滤池是当今世界污水处理研究试验的新技术。国外从20世纪初开始进行研究，于20世纪80年代末基本成型，近年来随着自动化技术、设备及在线监测仪表的发展，使得对污水处理的自动化成为可能。同时对污水处理工艺进行自动化监测和实时控制是提高污水处理效率，降低加药量、降低能耗的关键。一般采用以PLC为核心的工艺过程自动监控系统，实时控制鼓风机、水泵、电动阀等设备及反应段时间，曝气时间、强度，反冲洗时间及强度等，使水质达到国家规定的排放标准。
由此可见，污水处理是一个多参量（如液位，水质成份，温度、压力、流量）、多任务（如污水输送、风量控制、反冲水量控制、水泵的启停等）、多设备（如格栅机、水泵、鼓风机、阀门等）且具有随机性、时变性和耦合性的复杂系统。因此污水处理应由一个智能监控与综合管理系统来进行现代化的管理，使之安全可靠地运行。

1、现场总线技术

    在污水处理厂中，现场控制设备分布范围比较广，如果采用传统的控制方案，势必要敷设大量的控制和信号电缆，浪费大量的人力和物力，十分不经济。同时使系统复杂，可靠性降低。采用目前比较流行的现场总线技术，可以降低成本，同时提高系统的可靠性，使系统易于扩展和维护。InterBus是一种国际性的开放式的现场总线标准。目前世界上多数自动化生产厂家都为它们的自动化设备提供InterBus通讯接口。InterBus已广泛地应用于加工制造、过程控制是一项成熟的技术。使用InterBus总线模块用于分布式控制系统的高速数据传输可以取代昂贵的24V或4～20mA并行信号线，并解决车间级普通的通信任务，提供大量数据通信服务，提供中等任务的传输速度。

2、系统组成及功能设计

    现代化的污水处理系统需要实现管理与控制一体化、实现办公自动化。控制系统不仅与下层控制设备有良好的接口，而且具有与上层管理系统集成的接口，同时具有可扩展性。所以现代化污水处理系统要求在底层采用现场总线或者工业以太网等技术，上层则选用优秀的监控组态软件。为了加强系统的可靠性，使整个系统长时间无故障地运行，需要采用冗余和容错技术。根据全集成自动化（Totally Integrated Automation）的思想，将污水厂控制系统分为管理级、控制级、现场级。

（1）管理级是系统的核心部分，完成对污水处理过程各部分的管理和控制，并实现厂级的办公自动化。管理级提供人机接口，是整个控制系统与控制部分信息交换的界面。管理级的各台计算机具有相互通讯功能，实现数据交换和共享。考虑到管理层功能结构的层次性和可分割性，采用客户／服务器的体系结构。服务器选用大型的网络关系数据库，满足开放、分布式数据库管理方法的要求。由服务器、管理部门计算机等站点的计算机组成的计算机办公局域网。中央监控计算机及车间级现场控制站组成厂区工业控制网，完成对各车间范围内的生产过程、仪表、设备的监控与控制；本系统采用研华公司生产的两台工业计算机(操作员站及工程师站)互为备用，它们之间通讯协议是TCP/IP。
（2）控制级。控制级是实现系统功能的关键，也是管理级与现场级之间的枢纽层，其主要功能是接爱管理层的参数或命令，对污水处理生产过程进行控制，同时将现场状态送到管理层。控制器是整个系统的核心，所以在控制级中采用菲尼克斯公司的ILC350控制器，该控制器本自具有一个TCP/IP通讯接口，并通过分支模块与远程I／O模块连接，远程分布式I／O模块与现场设备和传感器通信。
（3）现场级。 现场级是实现系统功能的基础。现场级主要由一次仪表、控制设备组成。其功能主要是完成其范围内的生产过程、仪表、设备的监视与监测及并把监测到的数据上传；接受控制级的指令对执行机构进行控制。分布式配置意味着控制器、远程I／O模块和现场设备通过现场总线的信号电缆连接。每个控制点比较集中的控制现场配置一个远程分布式智能I／O模块IBS IL 24 BK，现场I／O信号直接输入I／O模块，每个IBS IL 24 BK模块具两个InterBus接口。
根据此设计思想和关键技术方案分析，在酒钢集团榆中钢厂污水厂的自动控制设计中采用系统总体结构

3、上位组态软件

    上位机系统要求：具有与多台下位机系统通讯的能力，实时监控多台下位机的工作状态，显示生产过程中的工作曲线；具有远程控制能力；向下位机采集数据，对历史数据进行存储、查询、显示、打印等。因此，在一个自动监控系统中，投入运行监控组态软件是系统的数据收集处理中心、远程监视中心和数据转发中心，处于运行状态的监视组态软件与各种控制、检测设备共同构成快速响应的控制中心。
选用北京亚控公司研发的KingView6.5组态软件，该组态软件的功能及特点是：
（1）友好的人机界面，控制操作方便。
（2）实时画面显示功能：用设计或实地图片的方法生成图形，实时地显示某参数，显示图表包括：全厂平面图，全厂工艺流程图，各构筑物的平面图，各部分主要的工艺及设备状况的动态模拟图，趋势分析图，数据棒图，状态表，报警表，日报表，月报表。数据处理：利用在线数据和数据库中的数据进行分析、统计、计算、显示。
（3）报警功能：当某一参数异常或设备故障时，可根据不同的报警类别，发出诸如声、光报警、屏幕报警、输入报警表、打印机输出或播放事先录制的语音提示，同时显示相应的提示信息和画面，记录在数据库中，且可分等级。
（4）报表功能：生存并存贮年、月、日报表及运行参数报表。
（5）打印功能：各种报表打印、各种事件及报警实时打印。
（6）通讯功能：该组态软件支持如DDE、OLE、ODBC、OPC和SQL等标准，可以提供多种方式与上层数据交换。

4、控制软件编程

    软件编程的主要依据为生产工艺提供控制的控制规律，同一种处理工艺可能会有不同的控制策略，根据对该污水厂的功能划分共分三个功能块：自动加药控制、澄清池自动排泥控制、生物曝气滤池控制。
（1）自动加药控制：是指根据在线测得的水质参数与设定参数形成闭环控制。每座澄清池配两台计量泵，一运一备，当任何一台泵事故时，备用泵自动投入运行，计量泵配变频器，根据进水流量、进水浊度、出水浊度信号控制计量泵冲程及马达转速，从而达到控制加药量的目的。
（2）澄清池自动排泥控制：是指根据在线测的水质参数，澄清池泥界面及出水水质实时调整排泥时间和排泥周期。
（3）生物曝气滤池控制：根据近年来对生物曝气滤池运行控制方式的研究，生曝气滤工艺控制可分为水头损失法和时间控制法，其中以水头损失来控制生物曝气滤池的的反冲洗，当设有多格曝气池时，配水平衡的准确度直接影响了反冲洗的效果，在实际运行过程中，要实现各池严格的配水平衡，难度较大，因此在实际工程案例中一般采用时间控制法。并通过上位机设置灵活的时间调整给定界面，是保证生物曝气滤池高效运行很好的解决方案。

5、结束语
    在污水处理控制系统中采用现场总线改变了传统的全模拟量传输方式，在现场总线级实现了数字传输，达到了提高信号传送精度，增强了现场控制灵活性。该自动控制系统已在酒钢集团榆中钢厂污水厂、西北民族大学污水厂等投入运行，取得了良好的经济效益与社会效益。