经济的快速增长伴随着水污染问题的加剧,废水处理日渐成为企业环境保护的一项重大课题^[1,2] 。针对上海某乳业公司的废水处理项目,提出了一种多层次废水处理过程监控方案,即用户可在现场设备、中控室和网络远程3个层次对废水处理过程进行手动或自动操作。采用新型现场总线通讯技术和软测量建模算法,实现整个废水处理工艺流程的自动化和智能化。

　　 系统基于NI LabVIEW软件开发上位机用户界面^[3,4,5] ,搭配西门子以太网模块建立NI OPC SERVER,与西门子S7-300CPU313C-2DP进行数据交换;下位机依托ProfiBus-DP总线框架构建控制系统主从站,实现对废水处理各工艺环节的分布式控制,有效解决了通讯线缆冗长的问题^[6,7,8] ;采用智能通讯网关将不同通讯协议的现场仪表并入ProfiBus-DP总线,实现S7-300CPU对现场仪表数据的访问。该系统在实际废水处理过程中很好地满足了远程与现场、手动与自动以及管理与控制这3大需求。

　　 本文所述的废水处理工艺流程如图1所示,工厂生产排出的废水首先流入格栅井,通过机械格栅可拦截水中大型悬浮物或漂浮物。过滤后的废水流入调节池进行搅拌,搅拌的方式有2种:穿孔管曝气搅拌和潜水搅拌机搅拌。调节池可实现水质的均匀并防止固体颗粒沉淀。从调节池排出的废水经一级潜水排污泵提升至转筛,转筛的作用是对废水中大型颗粒进行二次拦截,此后废水流入初沉池。经初沉池沉淀过后的废水随着配水系统进入MUASB池。

　　 在MUASB池内,废水中的80%以上的污染物进行厌氧处理,处理后的废水自动流进入中间水池,经二级提升泵打入好氧及深度处理单元,通过A²/O运行模式将废水中残留的有机污染物去除的同时达到脱氮除磷的效果。A²/O的出水在二沉池中进行泥水分离,池底污泥部分回流至A²/O,沉淀出来的污泥则定期送入污泥池。二沉池的废水流入提升水池后经水泵提升至AFB反应池,采用水解酸化的方式将难降解的物质分解成易降解的物质,提高废水可生化性,减轻ABFB的运行压力,以提高废水降解效率。AFB出水流入ABFB反应器,此时废水中残存的污染物多为较难降解的物质,此类物质可被ABFB反应池内载体固定的微生物降解,该部分出水进入混合反应池。在混合反应池内投入PAC和特定脱色剂,经混合池的水进入终沉池,终沉池出水自流进入砂滤池进行进一步净化处理,最后进入清水池即可达标排放。

　　 整个废水处理监控系统框架是基于ProfiBusDP总线的一种多层次总线网络结构,如图2所示。ProfiBus-DP总线是一种经过优化的高速和廉价的通信连接,专为自动化控制系统与在设备级分散的I/O之间进行通信^[9] 。

　　 本系统以西门子工控机和CPU313C-2DP作为主站监控层,S7-300PLC的CPU作为现场数据汇集总站,主要负责转化现场信号和执行控制算法,并通过西门子以太网模块CP343-1Lean与上位机进行数据交换。

　　 整个废水处理流程具有很多个工艺环节,如风机曝气、厌氧处理、好氧处理、除氮处理、压泥处理和沼气锅炉等,因此现场设备总是分布在不同的区域,便于操作人员根据当前处理状态进行调控。基于就近采集现场信号的原则,在设备相对集中的区域设置数据采集从站,基于西门子现场分布式I/O ET200M挂载S7-300PLC模块,依托ProfiBus-DP总线非常便捷地采集各现场设备的开关、远控、运行和故障信号;系统通过分布式I/O可方便地执行一些控制算法,例如从站西门子模拟量输入模块采集阀门开度信号和管道流量信号,经过主站CPU执行PID算法后在从站模拟量输出模块AO实现对电磁阀开度的调节,以此实现对废水管道流量的控制。

　　 此外现场的一些成套设备可独立实现对某个环节的处理,例如板框压泥机、气浮设备等,这些成套设备单独采用西门子S7-200PLC构成一个小型控制系统。本系统通过添加EM277模块将这些单独成套设备并入ProfiBus-DP总线网络,利用Step7MicroWin软件配置S7-200PLC的数据区,将需要采集的一些设备信息放置在S7-200PLC的特定存储区域,主站CPU即可通过ProfiBus-DP总线对该S7-200PLC数据区进行访问。

　　 表征废水处理各环节状态的现场仪表有很多种,如流量计、液位计、pH仪和溶氧仪等。本系统采用德国E+H质量流量计和超声波液位计,新加坡优特溶氧仪,其中流量计和液位计的信号传送是采用ModBus总线协议的,溶氧仪信号传送是基于Hart总线协议的。以信号采集方便起见,利用上海泗博自动化的通讯协议网关PM160和HPM610将不同通讯协议的仪表信号并入ProfiBus-DP总线网络,利用相关软件配置网关的存储地址,将ModBus或Hart侧数据存储地址映射到ProfiBus-DP侧,主站CPU即可通过访问通讯网关获取不同通讯协议仪表的主要变量信息。

　　 现场设备级别的操作权限最高,可直接在现场调节设备以实现对当前废水处理工艺环节的调控。现场操作部分包括电机启停、曝气风机频率调节、提升泵频率调节和管道阀门开度调节等,同时可在现场仪表箱监视当前处理环节的过程变量,如液位、流量、pH和溶解氧含量等。

　　 该层具有对单个现场环节进行直观控制的优点,但由于废水处理工艺环节较多,现场操作难免繁琐,且无法对整个工艺流程进行全局控制。

　　 中控室监控层,用户可在上位机对整个废水处理工艺流程进行全盘掌控:上位机界面采用NI LabVIEW编程开发,搭配西门子以太网模块建立NI OPC SERVER,实现与西门子S7-300CPU313C-2DP的数据交换,而几乎所有现场设备信息都被采集到西门子PLC的CPU中,因此用户可在工艺界面全盘了解当前各工艺环节的状态。

　　 同时用户可根据当前各工艺环节状态在设备控制界面对所有现场设备进行手动或自动操作。比如设定某个处理水池的高低液位以实现水泵高开低停的自动效果,或设定某个水池出水瞬时流量,通过PLC模拟量输出来自动调节阀门开度以实现流量恒定等。此外,上位机将现场所有过程变量信息存储在本地数据库,用户可在界面上对历史数据进行查询以及生成数据报表。

　　 该层的控制权限仅次于现场设备级,但由于该层依托了智能化的西门子PLC和各种现场仪表,再加上上位机友好的人机界面,非常便捷地解决了现场设备控制级别不易实现的自动操作问题,因此该层处于本系统的核心地位。

　　 网络远程控制是基于NI LabVIEW的Web发布功能的,可将上位机操作界面生成HTML文档并嵌入前面板静态或动态图像,以便用户端远程监视和操作上位机界面。

　　 本系统采用的是Embedded方式将用户程序完全嵌入到Web服务器,在客户端浏览器URL栏中输入服务器的IP地址或计算机名和LabVIEW生成的HTML文件名,如http://IPAddress/filename.html,即可在远程访问监控系统。这样即使操作人员身在外地也可非常便捷地通过个人计算机浏览器对整个污水处理系统进行监控。

　　 该层的控制权限处于本系统的最低层,远程客户端浏览器需要向中控室上位机请求访问许可,只有当中控室上位机给出许可权限,远程监控才可执行操作。

　　 系统基于LabVIEW开发人机界面,搭配西门子S7-300PLC组成ProfiBus-DP总线网络,用户可在现场设备、中控室和网络远程3个层次对废水处理过程进行手动或自动操作,完成了整个废水处理工艺流程的数据采集和设备控制任务。液位和流量采取先进智能算法进行闭环控制,系统实现了废水处理高度自动化运行,便于扩展和集中运营管理。

　　 整个系统在上海某乳业公司废水处理项目得到实施以来,性能稳定,数据采集传输快,精确度高,大大降低了现场数据采集的错误率,达到了对工艺单元的实时监控的目的。