現(xiàn)代污水處理技術(shù)劃分為集中式處理系統(tǒng)和分散式處理系統(tǒng)，就目前而言，集中式污水處理占有主導(dǎo)地位。但實(shí)際調(diào)查結(jié)果表明：給排水管網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用高昂，且大量管道漏水導(dǎo)致地下水滲入或污水滲出，導(dǎo)致嚴(yán)重的地下水污染問題。針對(duì)農(nóng)村此類地理分散的典型分散式污水環(huán)境，使用分散式處理系統(tǒng)更為合適。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，污水處理廠、站的自動(dòng)化程度不斷提高，PLC、工控機(jī)等也逐漸在新建污水處理系統(tǒng)中普及開[1]。農(nóng)村生活污水分散式處理系統(tǒng)雖已進(jìn)入自動(dòng)化階段，但仍存在問題值得討論：(1)對(duì)于一些排放標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的農(nóng)村生活污水處理設(shè)施，有效的技術(shù)化監(jiān)控是設(shè)施達(dá)標(biāo)處理穩(wěn)定性的潛在影響因素之一；(2)城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)存在差異，分散式處理系統(tǒng)地處偏遠(yuǎn)，光纖網(wǎng)絡(luò)不通，沒有專業(yè)人員長(zhǎng)期駐守，實(shí)現(xiàn)技術(shù)化監(jiān)控所需的雙向數(shù)據(jù)傳導(dǎo)必須采取合理的傳輸介質(zhì)及上位機(jī)管理平臺(tái)。
我國(guó)大型城市生活污水集中式處理系統(tǒng)通過中央控制室實(shí)現(xiàn)全站的集中管理和管理，全廠的污水流量、pH、濁度、余氯、溶解氧等參數(shù)及設(shè)備的運(yùn)行狀況通過 PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)主干通訊網(wǎng)絡(luò)——工業(yè)以太網(wǎng)或 IP 協(xié)議，以光纖電纜為介質(zhì)，傳輸至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換處理，上位機(jī)監(jiān)控畫面上即可顯示整個(gè)水廠各主要工藝工段的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及水質(zhì)狀況，操作人員根據(jù)這些狀態(tài)參數(shù)，監(jiān)控水處理系統(tǒng)運(yùn)行狀況。
本文介紹一套農(nóng)村集中管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過無線傳輸技術(shù)代替以光纖電纜為介質(zhì)的工業(yè)以太網(wǎng)；用普通 PC 通過組態(tài)軟件制作控制界面代替中央控制室；同時(shí)，運(yùn)用巨控 GRM400 智能遠(yuǎn)程控制終端，配合聯(lián)通 3G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，從而實(shí)現(xiàn)分散式污水處理系統(tǒng)的集中管理與控制。為提高分散式污水處理設(shè)施管理成效以及降低污水處理設(shè)施運(yùn)行成本的問題提供了一條新的解決思路。
1 現(xiàn)有集中監(jiān)控系統(tǒng)
1.1 SCADA 系統(tǒng)
SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。它是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)對(duì)工業(yè)進(jìn)行控制和調(diào)度的自動(dòng)化系統(tǒng)，可以對(duì)遠(yuǎn)距離現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視與控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、參數(shù)調(diào)節(jié)以及信號(hào)報(bào)警等功能，其特是分布系統(tǒng)區(qū)域廣泛、主站與控制對(duì)象距離遙遠(yuǎn)、通信系統(tǒng)復(fù)雜多變等。由于上述特點(diǎn)，SCADA 廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。SCADA 存在的主要問題是系統(tǒng)的不開放與功能不強(qiáng)，遠(yuǎn)未達(dá)到智能化程度。
1.2 DCS 系統(tǒng)
DCS(Distributed Control System)即集散控制系統(tǒng)。它是有一個(gè)過程控制級(jí)與過程監(jiān)控級(jí)組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。DCS 具有開放性與高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，它采用系列化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化等開放式設(shè)計(jì)方式，系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)通信采用局域網(wǎng)方式，可方便的改變或擴(kuò)充系統(tǒng)的功能；DCS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用容錯(cuò)設(shè)計(jì)并控制功能分散在各個(gè)控制站，保證了系統(tǒng)的可靠安全。DCS 綜合了計(jì)算機(jī)、顯示、通訊和控制等技術(shù)其基本思想是集中管理、分散控制、配置靈活、組態(tài)方便。DCS 的構(gòu)成可以由專用的工程師站、操作員站、數(shù)據(jù)采集站和現(xiàn)場(chǎng)控制站等組成，也可由通用的服務(wù)器、計(jì)算機(jī)和可編程控制器構(gòu)成。處于底層的過程控制級(jí)一般由分散的數(shù)據(jù)采集站、現(xiàn)場(chǎng)控制站等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制，并通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送到上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中操作與管理，如各種數(shù)據(jù)運(yùn)算、顯示報(bào)警、故障診斷、趨勢(shì)分析、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等
1.3 FCS 系統(tǒng)
FCS(Field bus Control System)即現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。它是一種現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，把安裝于生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)中的輸出、通信、運(yùn)算和控制功能的各種智能儀器儀表與設(shè)備作為現(xiàn)場(chǎng)總線的節(jié)點(diǎn)，且分散的控制回路直接在現(xiàn)場(chǎng)總線上構(gòu)成。它具有系統(tǒng)可靠性高、可互操作性強(qiáng)、維護(hù)簡(jiǎn)易、開放式的互連結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。
現(xiàn)場(chǎng)總線是通信總線技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的應(yīng)用與擴(kuò)展，它將各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如顯示器、PLC、變送器、執(zhí)行器和控制系統(tǒng)之間，通過同一總線連接起來進(jìn)行雙向多變量數(shù)字通訊。FCS 作為新一代控制系統(tǒng)，采用了基于標(biāo)準(zhǔn)化、公開化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)不開放的缺陷，另外，它把 DCS 的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化為新型全分布式結(jié)構(gòu)，即把控制功能徹底地下放到現(xiàn)場(chǎng)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能設(shè)備就能完成諸如數(shù)據(jù)采集與輸出、數(shù)據(jù)處理、控制運(yùn)算等功能。但 FCS 系統(tǒng)也存在一些不足，如現(xiàn)場(chǎng)總線沒有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，各類現(xiàn)場(chǎng)總線有各自不同的體系結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)，這樣，給現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的開發(fā)帶來一些困難，系統(tǒng)的開放性也受到了一定的局限。
考慮到農(nóng)村污水處理站分布廣泛和流程復(fù)雜等實(shí)際情況，本系統(tǒng)選擇“集中管理，分散控制”的 DCS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。分散控制有利于將可能發(fā)生故障的危險(xiǎn)進(jìn)行分散降低故障發(fā)生的概率，提高系統(tǒng)的可靠性，也有利于故障發(fā)生后的及時(shí)處理。集中管理則有利于采集信息進(jìn)行綜合分析與處理，從而對(duì)控制進(jìn)行優(yōu)化。
本系統(tǒng)使用普通 PC 作為上位機(jī)，降低成本同時(shí)易于工作人員使用；現(xiàn)場(chǎng)控制使用可靠性高、組態(tài)方便且抗干擾能力強(qiáng)的 PLC控制器；系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)使用 GPRS 和現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，其中上位機(jī) PC 通過 GPRS 與下位機(jī) PLC 的 GRPS 模塊進(jìn)行通信，PLC 通過現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這種結(jié)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性與擴(kuò)展性，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的失效不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，同時(shí)通過擴(kuò)充節(jié)點(diǎn)可以提升系統(tǒng)性能。
2 集中管理系統(tǒng)構(gòu)建
集中管理系統(tǒng)分為上位機(jī)控制系統(tǒng)，下位機(jī)控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)[2]。上位機(jī)控制系統(tǒng)采用普通PC，安裝GiantView組態(tài)軟件，運(yùn)用軟件制作人機(jī)界面，形成上位機(jī)控制系統(tǒng)。下位機(jī)控制系統(tǒng)使用PLC作為現(xiàn)場(chǎng)控制站，它接收由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(如變送器、傳感器、水泵)傳來的信號(hào)，按照適當(dāng)?shù)目刂撇呗杂?jì)算所需要的控制量，并傳送給現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器。由于農(nóng)村地處偏遠(yuǎn)，通訊系統(tǒng)采用無線通訊形式作為是上位機(jī)和下位機(jī)PLC端信號(hào)傳輸。


圖 1 集中管理系統(tǒng)構(gòu)建
3 系統(tǒng)試制
3.1 上位機(jī)控制系統(tǒng)
本項(xiàng)目上位機(jī)控制系統(tǒng)采用普通 PC，安裝 GiantView 組態(tài)軟件，運(yùn)用軟件制作人機(jī)界面，形成上位機(jī)控制系統(tǒng)。它通過GiantView 配套的 GrmOpcServer 軟件，以聯(lián)通運(yùn)營(yíng)的 3G 網(wǎng)絡(luò)為傳輸媒介接收由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(如變送器、傳感器)傳出，經(jīng) PLC 程序處理的數(shù)模信號(hào)，呈現(xiàn)在按項(xiàng)目需求制作的監(jiān)控界面上。通過監(jiān)控界面不僅可以觀察現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集的各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)根據(jù)反饋參數(shù)，參照標(biāo)準(zhǔn)值，在界面中人工校正，達(dá)到保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行的目的。
3.2 通信系統(tǒng)
網(wǎng)絡(luò)是通信的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)能否準(zhǔn)確、快速的被傳輸、檢測(cè)，在很大程度上取決于數(shù)據(jù)采集點(diǎn)和數(shù)據(jù)監(jiān)控點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)布局方式[5]。目前適用于工業(yè)控制系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)通信方式有有線和無線兩種方式。有線方式通常包括 DCS 局部網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)等。該種方式具有穩(wěn)定可靠和高數(shù)據(jù)傳輸速率等特點(diǎn)，但是對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布范圍廣、數(shù)量多、地形復(fù)雜的區(qū)域，有線方式則會(huì)出現(xiàn)成本高、施工難度大、維護(hù)工作量大等問題。與此相對(duì)的，無線方式構(gòu)建系統(tǒng)就會(huì)顯得比較靈活。使用無線方式構(gòu)建通信系統(tǒng)具有建設(shè)周期短、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。
常見的無線數(shù)據(jù)通信方式主要有以下幾種：

表 1 現(xiàn)有傳輸方式及其存在問題


通過上述通信方式的優(yōu)劣比較和分析，本方案在上位機(jī)和下位機(jī) PLC 端使用 4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
3.3 二級(jí)標(biāo)題下位機(jī)控制系統(tǒng)
本項(xiàng)目下位機(jī)控制系統(tǒng)使用PLC作為現(xiàn)場(chǎng)控制站，它接收由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(如變送器、傳感器、水泵)傳來的信號(hào)，按照選定的控制策略計(jì)算所需要控制量，并傳送給現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器，同時(shí)完成順序控制、定時(shí)控制等功能[6]。結(jié)合3G通信模塊，PLC進(jìn)一步完成數(shù)據(jù)的上傳和反饋信息的接受與響應(yīng)，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。PLC(Programmable Logic Controller)，即可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專用于工業(yè)過程控制中。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部程序存儲(chǔ)，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，計(jì)數(shù)，定時(shí)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字量或模擬量輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程
4 集中管理系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)
(1)污水處理站站點(diǎn)分布在各地，不便于維護(hù)。配備智能監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)無人值；
(2)采用先進(jìn)的無線通訊與 Internet 相結(jié)合的技術(shù)，可節(jié)省遠(yuǎn)距離通訊電纜的鋪設(shè)；
(3)因?yàn)楦魑鬯�處理站都在比較偏遠(yuǎn)的位置，一般沒有上網(wǎng)的條件，上位機(jī)電腦訪問各 PLC 模塊的數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生流量問題，因此手機(jī)卡應(yīng)開通流量包月的功能。例如：遠(yuǎn)程監(jiān)控 100 個(gè) PLC 變量，3S 更新一次，一個(gè)月只需要 100 多 M 的流量(15 元費(fèi)用)。
(4)當(dāng) 3G 無線通訊因網(wǎng)絡(luò)繁忙需中斷時(shí)，可給特定手機(jī)發(fā)送短消息提醒；
(5)通過上位機(jī)可實(shí)時(shí)監(jiān)控污水處理設(shè)施的相關(guān)參數(shù)；
(6)在緊急情況下，通過上位機(jī)可直接控制各污水處理站的相關(guān)動(dòng)作，如合閘與拉閘；
(7)在需要的情況下可實(shí)現(xiàn)利用手機(jī)網(wǎng)頁(yè)隨時(shí)訪問 PLC 的數(shù)據(jù)。
5 集中管理系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果及總結(jié)
本論文基于相關(guān)課題的基礎(chǔ)之上，課題開發(fā)了一套分散式污水處理設(shè)施集中管理系統(tǒng)，包括上位機(jī)和多個(gè)下位機(jī)，其中下位機(jī)包括共用PLC模塊的溶解氧穩(wěn)定自控曝氣系統(tǒng)[7]和流量可調(diào)節(jié)污水提升系統(tǒng)，PLC模塊連接有與上位機(jī)無線連接的GPRS模塊。其上位機(jī)為計(jì)算機(jī)，作為主控端遠(yuǎn)程電腦，接收來自GPRS模塊的數(shù)據(jù)并向其傳遞控制指令。GPRS模塊與移動(dòng)通訊模塊無線連接，操作人員可采用手機(jī)可作為上位機(jī)的輔助設(shè)備，接收來自GPRS模塊的信息報(bào)警提醒。該系統(tǒng)可對(duì)分散式污水處理站各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)、集中控制、存儲(chǔ)，現(xiàn)場(chǎng)控制與遠(yuǎn)程控制無縫切換，為管理者提供便利。從而，為解決目前農(nóng)村生活污水處理站運(yùn)營(yíng)所面臨的資金短缺、專業(yè)人員不足、站點(diǎn)分布離散等相關(guān)問題提供了一套有針對(duì)性的實(shí)用技術(shù)，并有助于促進(jìn)適合農(nóng)村特點(diǎn)的污水處理環(huán)保設(shè)施運(yùn)營(yíng)管理政策的盡快出臺(tái)