現代污水處理技術(shù)劃分為集中式處理系統和分散式處理系統，就目前而言，集中式污水處理占有主導地位。但實(shí)際調查結果表明：給排水管網(wǎng)建設費用高昂，且大量管道漏水導致地下水滲入或污水滲出，導致嚴重的地下水污染問(wèn)題。針對農村此類(lèi)地理分散的典型分散式污水環(huán)境，使用分散式處理系統更為合適。
隨著(zhù)計算機技術(shù)的突飛猛進(jìn)，污水處理廠(chǎng)、站的自動(dòng)化程度不斷提高，PLC、工控機等也逐漸在新建污水處理系統中普及開(kāi)[1]。農村生活污水分散式處理系統雖已進(jìn)入自動(dòng)化階段，但仍存在問(wèn)題值得討論：(1)對于一些排放標準嚴格的農村生活污水處理設施，有效的技術(shù)化監控是設施達標處理穩定性的潛在影響因素之一；(2)城鄉經(jīng)濟存在差異，分散式處理系統地處偏遠，光纖網(wǎng)絡(luò )不通，沒(méi)有專(zhuān)業(yè)人員長(cháng)期駐守，實(shí)現技術(shù)化監控所需的雙向數據傳導必須采取合理的傳輸介質(zhì)及上位機管理平臺。
我國大型城市生活污水集中式處理系統通過(guò)中央控制室實(shí)現全站的集中管理和管理，全廠(chǎng)的污水流量、pH、濁度、余氯、溶解氧等參數及設備的運行狀況通過(guò) PLC 進(jìn)行數據處理，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)，傳輸至上位機進(jìn)行數據交換處理，上位機監控畫(huà)面上即可顯示整個(gè)水廠(chǎng)各主要工藝工段的設備運行狀態(tài)及水質(zhì)狀況，操作人員根據這些狀態(tài)參數，監控水處理系統運行狀況。
本文介紹一套農村集中管理系統。該系統通過(guò)無(wú)線(xiàn)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(guò)組態(tài)軟件制作控制界面代替中央控制室；同時(shí)，運用巨控 GRM400 智能遠程控制終端，配合聯(lián)通 3G 網(wǎng)絡(luò )實(shí)現數據的雙向傳輸，從而實(shí)現分散式污水處理系統的集中管理與控制。為提高分散式污水處理設施管理成效以及降低污水處理設施運行成本的問(wèn)題提供了一條新的解決思路。
1 現有集中監控系統
1.1 SCADA 系統
SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統，即數據采集與監視控制系統。它是以計算機為基礎對工業(yè)進(jìn)行控制和調度的自動(dòng)化系統，可以對遠距離現場(chǎng)設備的運行狀況進(jìn)行監視與控制，實(shí)現數據采集、設備控制、參數調節以及信號報警等功能，其特是分布系統區域廣泛、主站與控制對象距離遙遠、通信系統復雜多變等。由于上述特點(diǎn)，SCADA 廣泛應用于電力系統中。SCADA 存在的主要問(wèn)題是系統的不開(kāi)放與功能不強，遠未達到智能化程度。
1.2 DCS 系統
DCS(Distributed Control System)即集散控制系統。它是有一個(gè)過(guò)程控制級與過(guò)程監控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò )為紐帶的計算機控制系統。DCS 具有開(kāi)放性與高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，它采用系列化、模塊化、標準化等開(kāi)放式設計方式，系統中的計算機通信采用局域網(wǎng)方式，可方便的改變或擴充系統的功能；DCS 系統結構采用容錯設計并控制功能分散在各個(gè)控制站，保證了系統的可靠安全。DCS 綜合了計算機、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 的構成可以由專(zhuān)用的工程師站、操作員站、數據采集站和現場(chǎng)控制站等組成，也可由通用的服務(wù)器、計算機和可編程控制器構成。處于底層的過(guò)程控制級一般由分散的數據采集站、現場(chǎng)控制站等實(shí)現數據采集和控制，并通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )傳送到上位機監控系統，對采集的數據進(jìn)行集中操作與管理，如各種數據運算、顯示報警、故障診斷、趨勢分析、統計報表等
1.3 FCS 系統
FCS(Field bus Control System)即現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統。它是一種現場(chǎng)自動(dòng)化控制系統，把安裝于生產(chǎn)過(guò)程現場(chǎng)中的輸出、通信、運算和控制功能的各種智能儀器儀表與設備作為現場(chǎng)總線(xiàn)的節點(diǎn)，且分散的控制回路直接在現場(chǎng)總線(xiàn)上構成。它具有系統可靠性高、可互操作性強、維護簡(jiǎn)易、開(kāi)放式的互連結構等優(yōu)點(diǎn)。
現場(chǎng)總線(xiàn)是通信總線(xiàn)技術(shù)在現場(chǎng)設備中的應用與擴展，它將各種現場(chǎng)設備，如顯示器、PLC、變送器、執行器和控制系統之間，通過(guò)同一總線(xiàn)連接起來(lái)進(jìn)行雙向多變量數字通訊。FCS 作為新一代控制系統，采用了基于標準化、公開(kāi)化的解決方案，克服了封閉系統不開(kāi)放的缺陷，另外，它把 DCS 的集散系統結構變化為新型全分布式結構，即把控制功能徹底地下放到現場(chǎng)，工業(yè)現場(chǎng)的智能設備就能完成諸如數據采集與輸出、數據處理、控制運算等功能。但 FCS 系統也存在一些不足，如現場(chǎng)總線(xiàn)沒(méi)有統一的國際標準，各類(lèi)現場(chǎng)總線(xiàn)有各自不同的體系結構與標準，這樣，給現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的開(kāi)發(fā)帶來(lái)一些困難，系統的開(kāi)放性也受到了一定的局限。
考慮到農村污水處理站分布廣泛和流程復雜等實(shí)際情況，本系統選擇“集中管理，分散控制”的 DCS 系統結構。分散控制有利于將可能發(fā)生故障的危險進(jìn)行分散降低故障發(fā)生的概率，提高系統的可靠性，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，從而對控制進(jìn)行優(yōu)化。
本系統使用普通 PC 作為上位機，降低成本同時(shí)易于工作人員使用；現場(chǎng)控制使用可靠性高、組態(tài)方便且抗干擾能力強的 PLC控制器；系統的通信網(wǎng)絡(luò )使用 GPRS 和現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，其中上位機 PC 通過(guò) GPRS 與下位機 PLC 的 GRPS 模塊進(jìn)行通信，PLC 通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)對現場(chǎng)設備進(jìn)行數據采集。這種結構具有較高的穩定性與擴展性，其中一個(gè)節點(diǎn)的失效不會(huì )導致整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的癱瘓，同時(shí)通過(guò)擴充節點(diǎn)可以提升系統性能。
2 集中管理系統構建
集中管理系統分為上位機控制系統，下位機控制系統和通訊系統[2]。上位機控制系統采用普通PC，安裝GiantView組態(tài)軟件，運用軟件制作人機界面，形成上位機控制系統。下位機控制系統使用PLC作為現場(chǎng)控制站，它接收由現場(chǎng)設備(如變送器、傳感器、水泵)傳來(lái)的信號，按照適當的控制策略計算所需要的控制量，并傳送給現場(chǎng)的執行器。由于農村地處偏遠，通訊系統采用無(wú)線(xiàn)通訊形式作為是上位機和下位機PLC端信號傳輸。


圖 1 集中管理系統構建
3 系統試制
3.1 上位機控制系統
本項目上位機控制系統采用普通 PC，安裝 GiantView 組態(tài)軟件，運用軟件制作人機界面，形成上位機控制系統。它通過(guò)GiantView 配套的 GrmOpcServer 軟件，以聯(lián)通運營(yíng)的 3G 網(wǎng)絡(luò )為傳輸媒介接收由現場(chǎng)設備(如變送器、傳感器)傳出，經(jīng) PLC 程序處理的數模信號，呈現在按項目需求制作的監控界面上。通過(guò)監控界面不僅可以觀(guān)察現場(chǎng)傳感器采集的各項參數，同時(shí)根據反饋參數，參照標準值，在界面中人工校正，達到保障系統的穩定運行的目的。
3.2 通信系統
網(wǎng)絡(luò )是通信的基礎，數據能否準確、快速的被傳輸、檢測，在很大程度上取決于數據采集點(diǎn)和數據監控點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò )布局方式[5]。目前適用于工業(yè)控制系統的主要數據通信方式有有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種方式。有線(xiàn)方式通常包括 DCS 局部網(wǎng)絡(luò )、工業(yè)以太網(wǎng)、現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )等。該種方式具有穩定可靠和高數據傳輸速率等特點(diǎn)，但是對于監測點(diǎn)分布范圍廣、數量多、地形復雜的區域，有線(xiàn)方式則會(huì )出現成本高、施工難度大、維護工作量大等問(wèn)題。與此相對的，無(wú)線(xiàn)方式構建系統就會(huì )顯得比較靈活。使用無(wú)線(xiàn)方式構建通信系統具有建設周期短、運行維護簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。
常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)數據通信方式主要有以下幾種：

表 1 現有傳輸方式及其存在問(wèn)題


通過(guò)上述通信方式的優(yōu)劣比較和分析，本方案在上位機和下位機 PLC 端使用 4G網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據傳輸。
3.3 二級標題下位機控制系統
本項目下位機控制系統使用PLC作為現場(chǎng)控制站，它接收由現場(chǎng)設備(如變送器、傳感器、水泵)傳來(lái)的信號，按照選定的控制策略計算所需要控制量，并傳送給現場(chǎng)的執行器，同時(shí)完成順序控制、定時(shí)控制等功能[6]。結合3G通信模塊，PLC進(jìn)一步完成數據的上傳和反饋信息的接受與響應，保障系統的穩定運行。PLC(Programmable Logic Controller)，即可編程邏輯控制器，一種數字運算操作的電子系統，專(zhuān)用于工業(yè)過(guò)程控制中。它采用一類(lèi)可編程的存儲器，用于其內部程序存儲，執行邏輯運算，順序控制，計數，定時(shí)與算術(shù)操作等面向用戶(hù)的指令，并通過(guò)數字量或模擬量輸入/輸出控制各種類(lèi)型的機械設備或生產(chǎn)過(guò)程
4 集中管理系統的優(yōu)勢
(1)污水處理站站點(diǎn)分布在各地，不便于維護。配備智能監控系統，可實(shí)現無(wú)人值；
(2)采用先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)通訊與 Internet 相結合的技術(shù)，可節省遠距離通訊電纜的鋪設；
(3)因為各污水處理站都在比較偏遠的位置，一般沒(méi)有上網(wǎng)的條件，上位機電腦訪(fǎng)問(wèn)各 PLC 模塊的數據時(shí)發(fā)生流量問(wèn)題，因此手機卡應開(kāi)通流量包月的功能。例如：遠程監控 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 元費用)。
(4)當 3G 無(wú)線(xiàn)通訊因網(wǎng)絡(luò )繁忙需中斷時(shí)，可給特定手機發(fā)送短消息提醒；
(5)通過(guò)上位機可實(shí)時(shí)監控污水處理設施的相關(guān)參數；
(6)在緊急情況下，通過(guò)上位機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)現利用手機網(wǎng)頁(yè)隨時(shí)訪(fǎng)問(wèn) PLC 的數據。
5 集中管理系統測試結果及總結
本論文基于相關(guān)課題的基礎之上，課題開(kāi)發(fā)了一套分散式污水處理設施集中管理系統，包括上位機和多個(gè)下位機，其中下位機包括共用PLC模塊的溶解氧穩定自控曝氣系統[7]和流量可調節污水提升系統，PLC模塊連接有與上位機無(wú)線(xiàn)連接的GPRS模塊。其上位機為計算機，作為主控端遠程電腦，接收來(lái)自GPRS模塊的數據并向其傳遞控制指令。GPRS模塊與移動(dòng)通訊模塊無(wú)線(xiàn)連接，操作人員可采用手機可作為上位機的輔助設備，接收來(lái)自GPRS模塊的信息報警提醒。該系統可對分散式污水處理站各項參數進(jìn)行集中監測、集中控制、存儲，現場(chǎng)控制與遠程控制無(wú)縫切換，為管理者提供便利。從而，為解決目前農村生活污水處理站運營(yíng)所面臨的資金短缺、專(zhuān)業(yè)人員不足、站點(diǎn)分布離散等相關(guān)問(wèn)題提供了一套有針對性的實(shí)用技術(shù)，并有助于促進(jìn)適合農村特點(diǎn)的污水處理環(huán)保設施運營(yíng)管理政策的盡快出臺