倒置A2O工艺的污水处理SCADA系统开发_王雪.pdf

随着工业化、城镇化以及居民生活水平的提升，城市水体污染在整体水污染中所占比例超50%1。污水处理厂作为城镇污水处理的重要环节，通过设计合适的工艺路线、开发精确的控制系统可实现水体污染高效治理，早日完成“双碳”目标2。目前大部分的城市污水处理厂采用的核心工艺都是生化处理，生物处理的主流工艺为活性污泥法3。活性污泥法主要包括传统活性污泥法、改良型A/O工艺、厌氧-缺氧-好氧（A2O）工艺、氧化沟法和序批式活性污泥法（SBR）4-6。A/O法分为缺氧-好氧工艺和厌氧-好氧工艺，前者主要用于脱氮，后者除磷效果较好，而A2O法兼备脱氮和除磷的功能，在同步脱氮除磷中，工艺最为简单，且水力停留时间小于其他工艺7。传统A2/O工艺出水水质仅能达到国家一级B类排放标准，根据国家污水防治相关政策，为防治水体富营养化，城市污水应进行二级强化处理，提高污水排放标准。随着自动化控制、计算机网络技术的融合应用，城市污水处理厂朝着高度自动化、智能化的方向发展，能够实现污水处理的智能管理和精确控制，使污水处理更为高效环保，极大改善了污水处理排放效能，并对其回收利用以实现能源中和以及碳中和。然而，目前许多现有的污水处理厂仍沿用人工管理的方式，自动化程度较低。由于污水处理工艺流程复杂，工艺参数较多，且设备位置相对分散8，为了提升设备运行、管理和维护的便利性和高效性，降低整体系统处理能耗，及时通过上位机监控系统获取水厂数据，排查故障，本文开发了一套基于三层自动控制架构的监督控制和数据采集的SCADA系统9，分别为中央监控层、现场控制层、现场设备层，核心思想为集中管理，分散控制。实际运行证明该污水处理控制系统鲁棒性较好，完全满足设计要求。1工程概况本文以上海市某污水处理厂扩建工程项目为背景，该污水处理厂现状规模20万m3/d，本次扩建规模为20万m3/d，采用倒置A2O+双AO工艺的处理方法，可有效脱氮除磷，提高污水处理效率和出水水质。该污水处理厂总体工艺流程分为三级：一级预处理，二级生物处理以及三级污泥处理，工艺处理流程如图1：图1污水处理厂工艺流程图倒置 A2O 工艺的污水处理 SCADA 系统开发Development of SCADA System for Wastewater Treatment on Inverted A2O Process王雪1严良文1陈善超2黄闪1魏鸣森1（1上海大学机电工程与自动化学院，上海200444；2北京亚控科技发展有限公司，北京100086）摘要：以上海市某污水处理厂扩建工程项目为背景，分析了该污水处理厂的工艺流程并重点阐述了生物反应池这一核心工艺环节，开发了一套倒置A2O工艺的污水处理SCADA系统，在传统厌氧-缺氧-好氧（A2O）工艺的基础上设立预缺氧池并加置两个缺氧-好氧（AO）池。SCADA系统的下位机选用Rockwell Control Logix系列以及Siemens S7-1200的PLC，人机界面采用组态软件KingSCADA3.7进行开发。整个自控系统通过工艺流程模块进行画面实时监控，可以实时记录运行参数、显示参数趋势曲线等。运行结果表明，该污水处理自控系统实现了污水处理厂的集散控制，满足工艺要求，提升了脱氮除磷效率和出水水质。关键词：污水处理；倒置A2O；自动控制；SCADA；PLCAbstract:This paper takes the expansion project of the wastewater treatment plant(WWTP)in Shanghai as the back-ground.The process flow of the WTTPs is analyzed and the core process of the biological reaction tank is emphasized.Awastewater treatment SCADA system based on the inverted A2O process is developed in this paper,which sets up preanoxic tank and two anoxic aerobic(AO)tanks based on the traditional A2O Process.Rockwell Control Logix series andSiemens s7-1200 PLC are selected for the lower part of the three-layer automatic Control system.The human-machine in-terface is developed by using the configuration software KingSCADA3.7.The picture is monitored in real-time,the data iscollected by the data query module,the parameter trend curves are generated,and the alarm events are checked throughthe whole automatic control system.The operation results show that the wastewater treatment automatic control system real-izes the centralized management and decentralized control of the WWTPs,it can meet the process requirements.Keywords:wastewater treatment,Inverted A2O,automatic control,SCADA,PLC倒置A2O工艺的污水处理SCADA系统开发24工业控制计算机2023年第36卷第2期（1）一级预处理一级预处理阶段包括中、细格栅、曝气沉砂池、进水计量井、初沉池等，格栅过滤出的栅渣通过螺旋输送压榨机外运。废水经过预处理后，仅能过滤部分悬浮物、有机物来减轻腐化程度，生化需氧量（BOD）去除率仅为25%40%，此时还达不到排放标准。（2）二级生物处理二级生物处理阶段采倒置的A2O工艺并后接两段AO工艺，可有效脱氮除磷，降解水中有机物，此时BOD浓度小于30 mg/l，可达到农田灌溉和废水排放标准。（3）三级污泥处理污水流经二沉池、中间提升泵房最终进入三级处理阶段，通过高效沉淀池、反硝化深床滤池、消毒氧化池等最终进入出水泵房，现状工程及扩建工程处理污水均接至出水泵房排放至长江。此外，来自初沉池的初沉污泥、二沉池的剩余污泥以及高效沉淀池的化学污泥会通过污泥管流入储泥池，经浓缩脱水后变成污泥块作干化焚烧处理。2倒置A2O生物反应池在同类脱氮除磷工艺中，A2O工艺流程最为简单，总水力停留时间（HRT）小于其它类工艺，可有效节约能耗，运行中无需投药，且厌、好氧阶段只用轻轻搅拌，不增加溶解氧浓度，运行费用低10。传统的A2O工艺具有一定的局限性，生物脱氮和除磷所需条件相反。缺氧池中的反硝化细菌与厌氧池中的聚磷菌存在碳源性竞争，因此可能会导能致碳源不足使反硝化不彻底，影响脱氮性能，碳源过多则会对好氧段硝化反应产生抑制，减弱系统硝化能力，所以很难同时取得好的脱氮除磷效果。通过改变传统A2O工艺的空间布局，如图2所示，将缺氧区置于生化反应系统首位，即设立预缺氧池，优先满足反硝化碳源需求，强化了处理系统的脱氮功能，在倒置A2O段后增设两个缺氧好氧（A/O）段，可优化污水硝化和反硝化环境，进一步增强脱氮效果。二次沉淀池的污泥回流至预缺氧池，回流液挟带的硝酸盐在预缺氧池中得到反硝化，降低了回流污泥中硝酸盐对厌氧释磷的影响，提高了处理系统的除磷能力。同时通过调控厌缺氧池的氧化还原电位值和污泥浓度来控制污泥回流量，从而确保所有回流污泥全部经过完整的厌氧释磷与好氧吸磷过程。图2倒置A2O生物反应池工艺流程3自动控制系统拓扑本污水处理自动控制系统是一套由中央监控层、现场控制层以及现场设备层三层架构组成的集中管理、分散控制的SCADA系统。系统拓扑图如图3所示：图3SCADA自动控制系统3.1中央监控层中央监控层配有1套工程师站、2套操作员站以及1台运行数据库服务器。工程师站可用于在线调试修改运行系统参数以及后期的系统维护，同时工程师站也可作为操作员站来使用；操作员站是工作人员与污水处理自动控制系统的交互中心，可以实时监测现场硬件设备的运行状态，读取仪器仪表数据如液位、泵流量、进出口压力、电机转速等，同时还可以读取系统实时和历史数据趋势曲线、查看特定运行时间段的系统报表并打印以及根据系统报警功能及时排查工艺设备故障11。两个操作员站互为冗余，保证工作的连续性。其中工程师站与运行数据库服务器型号为英特尔至强E5-2620 2.00G以上，4GB ECC内存x2，RAID 1，热插拔500G串行硬盘x2，1000M以太网网卡x2750W 1+1冗余电源，24寸宽屏显示器(1920*1080)，预装Windows Server简体中文标准版，且含5个CAL。3.2现场控制层现场控制层采用8台PLC结合人机界面作为现场控制站点，控制层接收现场设备采集的数字量及模拟量数据，各现场站点控制范围如下：（1）一级预处理站（PLC01-03）：PLC01主要负责总配水井、细格栅及曝气沉砂池、进水仪表小屋、进水计量井、放空泵房、放空水计量井等单体内各设备自控和数据采集；PLC02和PLC03分别负责南侧和北侧初沉池配水井、初沉池及初沉池污泥泵计量井等的控制和数据采集。（2）二级倒置A2O生反池站（PLC02-03）：PLC02和PLC03分别负责南侧和北侧A2O生物反应池、二沉池等设备自动控制和数据采集。（3）三级深层处理站（PLC04-08）：PLC04负责中间提升泵房及高效沉淀池内各设备自动控制和数据采集；PLC05负责深度处理计量井及深床滤池内各设备自控和数据采集；PLC06负责消毒氧化池、加药加氯间、出水仪表小屋、出水计量计井等单体内各设备自控和数据采集；PLC07位于污泥脱水机房控制室，主要负责污泥脱水机房公用设备、储泥池等单体内各设备自控和数据采集；PLC08负责污泥脱水机房内各成套设备自控和数据采集。3.3现场设备层现场设备层包括现场仪器仪表（如空气流量计、超声波液位计、电磁流量计、压力变送器以及COD、SS、TP、TN、NH4-N、pH等关键参数测定仪）及执行设备（闸门、风机、水泵、阀门等）。254污水处理监控系统4.1系统下位机设计该污水处理厂自控系统采用罗克韦尔Control Logix系列1756-L72、1769-L30以及西门子S7-1500系列PLC，通信采用Ethernet/IP实时工业以太网协议。为满足系统安全可靠的设计原则以及工艺处理要求，本工程采用本地手动控制和远程自动控制两种方式：本地控制由操作人员切换控制柜上的操作按钮来实现，此时PLC仅能读取现场设备信息，无法更改程序，常用于工程调试阶段；远程控制由自动控制系统实现，此时由上位机监控整个系统，无需人工干预，获取管理员权限后也可以在自控系统上进行手动操作。手动自动切换由控制柜上的转换开关实现，且手动控制的优先级高于自动控制。根据系统工艺划分，该污水处理自控系统的预处理层PLC点位分布如表1所示：表1预处理层PLC点位分布4.2系统上位机开发4.2.1系统框架设计本污水处理系统是基于组态软件的二次开发，上位机选用北京亚控科技的KingSCADA3.7，通过调用精灵图或创建图形模型进行模型复用，缩短了开发周期。系统基于C语言编写脚本，采用模块式开发、集成化管理，具备可视化操作以及智能诊断控制等功能，融合了数据库、历史库、远程终端及其他控制系统构建开放性数据平台。整个系统的功能模块如图4，总体可分为工艺流程画面和数据查询模块，其中工艺画面包括2D流程图、3D控制画面以及相关控制参数，数据查询模块分为系统报表、趋势曲线以及报警事件部分。操作人员可通过菜单中的用户管理界面进入污水处理系统查看各个工艺过程运行画面，打印系统报表，查看模拟量或开关量趋势曲线以及进行历史或实时报警的查询。4.2.2系统工艺流程2D工艺流程图可以更为直观地看见污水管、污泥管、加药管、空气管等的走向以及闸门、堰门、刮泥机、风机、泵等的安装位置。各个工艺环节的设备与功能有所差别，本文以中、细格栅及曝气沉砂池的2D流程图为例。如图5所示，污水通过进厂总管流入总配水井，通过超声波液位计反馈出液面位置来控制进水流量。画面中的电动渠道闸门、电动铸铁闸门、撇渣机、阀门、泵等接收下位机传来的手/自动信号开/关信号、故障信号等DI值，点击鼠标左键时会出现操作界面弹窗，操作界面上具有相应的控制按钮和指示灯显示信号，采用红、绿、黄三种颜色作为开启、关闭和报警信号。此外，电动堰门、变频泵等控制窗口增加了开度控制和位置反馈信号以及频率控制和反馈信号。图5中、细格栅及曝气沉砂池的2D流程图3D控制画面通过图形界面和数据流的动态展示，可反映现场工艺流程运行实况及仪器仪表设备显示状态，如图6，其中信号灯显示颜色不同，运行状态也不同，显示状态与2D流程图相同。图6A2O生反池3D控制画面4.2.3数据查询模块系统工艺与水质参数的数据采集由电流传感器和水质传感器等现场仪器仪表完成，通过Modbus协议传输至SCADA系统，系统的各个泵站、风机、阀门等硬件设备的启停控制及运行状态通过硬接线的方式与系统进行数据交互12。该污水处理SCADA系统可实时监测该污水处理厂运行状态，并将数据生成系统报表、趋势曲线、报警记录存储在云服务器中以便随时查询。本文的报表主要记录乙酸钠、次氯酸钠、PAC/PAM等加药系统投加量、污水处理量以及现场仪表数值和设备运转时间。由于污水处理系统具有非线性、多时变以及时间滞后性等特点，很容易触发报警事件，SCADA系统通过改变报警对象的颜色和闪烁状态，可有效帮助操作员及时排查故障，保证处理工艺正常运转。5结束语本污水处理SCADA自动控制系统可在线监测数据并提供实时反馈，提高了各个工艺处理效率，其分散控制、数据集中管（下转第29页）图4控制系统框架倒置A2O工艺的污水处理SCADA系统开发26工业控制计算机2023年第36卷第2期（上接第26页）理的方式可有效控制生化反应系统中的脱氮除磷过程，提升污水水质至国家一级A类排放标准。随着气候变化和水资源恶化的持续加剧，急需提升污水处理厂的污水排放标准，并加快向能源中和及碳中和时代过渡的步伐。为此，应寻求更加先进的自动化控制方案和优化控制策略来提高处理效率，降低能耗。参考文献1窦中广.污水处理控制系统设计与应用研究D.天津：津工业大学，20212郝晓地，张益宁，李季，等.污水处理能源中和与碳中和案例分析J.中国给水排水，2021，37（20）：1-83王一岭，邰阳.我国城市污水处理的工艺及工艺选择分析J.内蒙古大学学报（自然科学版），2014，45（3）：324-3284GAO 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52-CALLRDREC，DB_SFB52_DBREQ:=Tact_1000msID:=#IDAD/读取组件标识地址INDEX:=#INDEX/读取数据记录编号MLEN:=400VALID:=#busyBUSY:=#busyERROR:=#busySTATUS:=#statusLEN:=#retvalRECORD:=DB_REOD_DNet_8.CHdiagDataend:NOP0关于SFB52的三个参数非常关键：1）ID标识地址：模块诊断为IO逻辑地址；设备级诊断为诊断地址，如ET200S的诊断地址。2）INDEX记录编号：W#16#E00C是与诊断级别及USI相关数据记录编号，E诊断级别，为设备级诊断，0C通道扩展特定诊断。如图6所示：图6寻址级别通过图6可知，要获得一个IO站的所有模块故障，应该是E开头而不是插槽级或其他。确定了诊断级别后，需求什么信息，是诊断还是组态，取决于XX代码含义。如果只是单个模块或者单个通道故障时，不同诊断级别甚至ID不一样，其结果都是一样的，返回了一个子集。3）RECORD数据记录存储：数据记录组织时，可以直接按照字节、字、双字组织，存储长度满足MLEN返回数据长度即可，但是通常建议按照Struct数据类型来组织数据，如图7中的结果类型可以提高数据的可读性。图7IO诊断结果案例执行结果如图7，右侧框“18”为插槽第18模块故障，故障类型如右侧最下框中“19”为安全通道断线故障。4结束语系统出现故障时，通过组态工具在线查，或者通过变量解析、读取状态列表、读取IO记录获得诊断信息，将这些信息通过HMI、WinCC可视端设备以文本、声光方式呈现出来并解决问题（报警及消息编程的范畴），这就是系统诊断信息流的全部过程。分层的方法是系统诊断的创新方法，本文论述了系统诊断原理、信息流过程、诊断机制的内在关联，希望对PLC系统的设计和程序编程应用有所帮助。参考文献1刘二龙.西门子S7-400H冗余PLC系统信息诊断J.山西冶金，2016，39（6）：117-119，1242何实，朱渊，陈虹.基于西门子STEP7对PLC系统设备故障诊断J.科技风，2012（8）：73-753朱兴华，芮云波.基于西门子STEP7对PLC系统设备故障诊断的研究J.科学家，2017，5（10）：112，124收稿日期：2022-05-1929