SBR工藝早在1904年就被開發，由于當時的 自動化水平比較低，所以沒有得到推廣應用，而近年來隨著自動化技術、設備及在線監測儀 表的發展，使得對污水處理的自動化成為可能。同時對污水處理工藝進行自動化監測和實時 控制是提高污水處理效率、降低處理能耗的關鍵。SBR反應主要是在反應池內進行的，該工藝主要由進水、曝氣、沉淀、排水和閑置等五個階段組成。SBR工藝的處理效果主要取決于其 運行參數，其中主要參數包括各反應段時間以及曝氣強度。一般采用以PLC為核心的工藝過 程自動監控系統，實時控制鼓風機、水泵、電動閥等設備及各反應段時間，使水質達到 國家規定的排放標準。　　

        進入21世紀，我國的環保事業迅速發展，工業廢水、生活污水的凈化處理成為當務之急。投 資少、運行靈活的SBR處理工藝得到廣泛的應用。SBR工藝早在1904年就被開發，由于當時的 自動化水平比較低，所以沒有得到推廣應用，而近年來隨著自動化技術、設備及在線監測儀 表的發展，使得對污水處理的自動化成為可能。同時對污水處理工藝進行自動化監測和實時控制是提高污水處理效率、降低處理能耗的關鍵。SBR反應主要是在反應池內進行的，該工 藝 主要由進水、曝氣、沉淀、排水和閑置等五個階段組成。SBR工藝的處理效果主要取決于其 運行參數，其中主要參數包括各反應段時間以及曝氣強度。一般采用以PLC為核心的工藝過 程自動監控系統，實時控制鼓風機、水泵、電動閥等設備及各反應段時間，使水質達到 國家規定的排放標準。　　
    
        由此可見，污水處理是一個多參量(如液位、水質成分、流量、壓力等)、多任務(如污水輸 送、風量控制、水泵的啟停等)、多設備(如格柵機、水泵、鼓風機、閥門等) 且具有隨機性 、時變性和耦合性的復雜系統。因此，污水處理應由一個智能監控與綜合管理系統來進行現 代化的管理，使之安全可靠地運行。
    
        1　現場總線技術
    
        在污水處理廠中，現場控制設備分布范圍比較廣，如果采用傳統的控制方案，勢必要敷設大 量的控制和信號電纜，浪費大量的人力和物力，十分不經濟，同時使系統復雜，可靠性降低。采用目前比較流行的現場總線技術，可以降低成本，同時提高系統的可靠性，使系統易于 擴展和維護。Profibus是Process Fieldbus的縮寫，是一種國際性的開放式的現場總線標準 。目前世界上多數自動化技術生產廠家都為它們的自動化設備提供Profibus通信接口。Profibus已經廣泛地應用于加工制造、過程控制和樓宇自動化，是一項成熟的技術。Profibus根據 應用特點可分為Profibus DP, Porfibus FMS, Profibus PA等三個兼容版本。Profibus DP是 經過高速優化的、廉價的通信鏈路，專為自控系統和設備級分散式I/O之間設 計的接口；使 用Profibus總線模塊用于分布式控制系統的高速數據傳輸可以取代昂貴的24 V或0～20 mA并行信號線。 Profibus FMS解決車間級普通的通信任務，提供大量數據通信服務，提供中等任務的傳輸 速度。
    
        2　系統組成及功能設計
    
        現代化的污水處理系統需要實現管理與控制一體化，實現辦公自動化。控制系統不僅與 下層控制設備有良好的接口，而且具有與上層管理系統集成的接口，同時具有可擴展性。所以現代化污水處理系統要求在底層采用現場總線或者工業以太網等技術，上層則選用優秀的 監控組態軟件。為了加強系統的可靠性，使整個系統能夠長時間無故障地運行，需要采用容錯技術。 根據全集成自動化（Totally Integrated Automation）的思想，將污水廠 控制系統分為管理級、控制級、現場級。 
    
        （1）管理級。管理級是系統的核心部分，完成對污水處理過程各部分的管理和控制，并實現廠級的辦公自動化。管理級提供人機接口，是整個控制系統與外部信息交換的界面 。管理級的各臺計算機具有相互通訊的功能，實現數據交換或共享。考慮到管理層功能結構的層次性和可分割性，采用客戶/服務器（Client／Server）的體系結構。服務器選用 大型的網絡關系數據庫，滿足開放、分布式數據庫管理方式的要求。服務器具有遠程控制操 作功能、狀態顯示功能、數據處理功能、報警功能、報表功能、通訊功能和冗余功能等。廠中心控制室中設備包括：兩臺安裝Siemens公司WinCC監控組態軟件的冗余服務器作為上位機，兩臺服務器安裝WinCC組態軟件的完全版以及冗余軟件包，兩臺服務器互為備用，實現冗 余，提高系統的可靠性。裝有WinCC運行版的PC機作為監控工程師操作站。這種配置的最主 要的優點是保證數據的完整性和監控操作的連續性。如果一個WinCC服務器出現故障，該服 務器的客戶機自動從發生故障的服務器切換到備用的服務器上，使所有的客 戶機 始終可以監控生產過程，修復后的服務器回到系統后，自動實現歸檔數據的匹配。 
    
        管理級現場總線選擇ProfibusFMS總線，冗余服務器作為ProfibusFMS現場總線的主站 ，通過CP通信模塊與ProfibusFMS現場總線連接。 
    
        （2）控制級。控制級是實現系統功能的關鍵，也是管理級與現場級之間的樞紐層。其主要功能是接受管理層設置的參數或命令，對污水處理生產過程進行控制，同時將現場狀 態輸送到管理層。控制級要求具有高可靠性，所以在系統的關鍵部分中要采用冗余技術。控制器是整個系統的核心，所以在控制級中，采用兩個Siemens公司CPU3152DP型PLC組成冗 余 控制器，一個為主站，一個為備用站。兩個PLC之間通過并行總線通訊，進行信息交換，相 互監視，實現雙機熱備冗余。每個PLC上安裝一塊ProfibusFMS通信模塊CP與ProfibusFM S現場總線連接，PLC作為ProfibusFMS現場總線的從站，作為控制系統的下位機，通過總 線 與上位機通信。Siemens公司S7 3152DP型號PLC具有ProfibusDP網絡通訊接口，可作為ProfibusDP現場總線的主站。兩個S7 3152DP主站建立冗余配置的Profibus－DP現場總線系 統，與控制現場的遠程分布式智能I／O模塊連接，實現與現場設備和傳感器通信。 
    
        （3）現場級。現場級是實現系統功能的基礎。現場級主要由一次儀表（如液位計、DO 傳感器等）、控制設備等組成。其功能主要是對系統設備的狀態、傳感器參數進行監測，并 把監測到的數據上傳；接受控制級的指令對執行機構進行控制。由于控制設備比較分散，在傳統的工廠內，輸入／輸出設備連接到一個集中的機架，在設備改變和系統擴展時，導致接 線工作量大，成本高，柔性度低。通過開放的、標準化的現場總線系統來連接部件，應用Siemens公司ET200分布式I/O是解決這些問題的最佳方案。分布式配置意味著可編程序控制器、I/O模塊和現場設備通過稱為現場總線的信號電纜連接。將輸入/輸出模塊轉換成就地監測器和執行器，可就地轉換和處理過程信號。可像集中配置那樣進行程序設計。在控制點比 較集中的控制現場配置一個遠程分布式智能I／O模塊ET200M，現場I／O信號直接輸入I／O模 塊，每個ET200M 模塊上安裝有兩塊IM153－2型號帶有ProfibusDP接口的模塊，與冗余ProfibusDP現場 總線分別 連接。ET200M模塊采用活動總線式底板（Active Bus Module），所有模塊可以帶電熱插拔 ，便于維修。 
    
        在以上的配置中，系統重要的部分采用冗余技術，使整個控制系統具有極高的可靠性， 可以實現每天24小時不間斷工作。根據此設計思想和關鍵技術方案分析得出系統總體結構。 
    
        3　智能傳感器 
    
        污水處理過程中，需要實時地在線監測各種水質參數以保證準確的工藝運行參數和及時 顯示處理結果。在本系統中涉及到的傳感器數量大、種類多，包括溫度、pH、SS（固體懸浮 物)、DO（溶解氧）、COD、液位傳感器以及ORP（氧化還原電位）儀、流量計、壓力計等。傳感 器全部采用德國Endress+Hauser公司的產品，這些傳感器都帶有ProfibusDP接口，利用智 能接口，這些儀表能與自動化過程控制系統集成，這樣獲得的所有過程參數可以集中顯示， 同時作為工藝的控制參數。 
    
        由于污水成分比較復雜，具有腐蝕性，因此選用超聲波液位計測量液位，避免直接與污 水接觸，并且反應速度快，帶有總線接口具有遠傳功能，直接輸送到PLC，同時具有就地顯 示的功能，參數設置簡單、操作方便。 在污水廠的進水總管和出水總管分別安裝SS、溫度 、pH和COD傳感器，測得進水水質參數用于反應控制，出水參數用于監測工藝的運行效果，以防止處理后不合格的水排出。 
    
        在反應池的厭氧區內裝有ORP計，測量厭氧區的氧化還原電位，反映生物硝化脫氮的情況，同時決定是否需要從好氧區回流污泥。好氧池內裝有DO傳感器用于控制曝氣量，根據污水中的溶解氧含量決定空氣管電動閥的開度，從而控制曝氣量。SS傳感器用于監測 污水中固體懸浮物的濃度。在空氣總管上安裝有壓力計，根據空氣總管空氣的壓力來控制 鼓風機的啟停以及實現變頻調速。在滿足工藝要求的同時可以實現節能。
    
        4　上位機組態軟件 
    
        上位機系統要求：具有與多臺下位機系統通訊的能力，實時監控多臺下位機的工作狀態 ，顯示生產過程中的工作曲線；具有遠程控制能力；向下位機采集數據，對歷史數據進行存儲、查詢、顯示、打印等。因此，在一個自動監控系統中，投入運行的監控組態軟件是系統 的數據收集處理中心、遠程監視中心和數據轉發中心，處于運行狀態的監控組態軟件與各種控制、檢測設備（如PLC、智能儀表等）共同構成能快速響應的控制中心。優秀的組態軟件 是實現上位機功能的基礎。
    
        選用Siemens公司WinCC(Windows Control Center)5.0組態軟件。WinCC具有控制自動化過程的強大功能，是基于個人計算機，同時具有極高性價比的SCADA級操作監視系統 。在兩臺服務器上安裝服務器版和冗余軟件包，客戶機安裝運行版。 
     
        圖2　組態軟件結構 
    
        該監控軟件的結構框圖見圖2。監控組態軟件的功能及特點：
    
        （1）友好的人機界面，控制操作方便。在中心控制室能對全系統被控設備進行實時控制，如啟停設備，在線設置PLC中程序的某些工藝參數等。 
    
        （2）實時畫面顯示功能。用圖形實時地顯示各現場被控設備的運行工況，以及現場的狀態參數。用模擬儀表、趨勢圖、曲線、柱狀圖動態顯示參數的實時變化情況，使生產管理人 員能夠快速、清晰地了解整個系統的生產運行情況。 
    
        （3）數據管理。數據庫存儲生產過程數據，供統計分析使用。工作人員可以定期把歷史數據庫備份到其它存儲介質，以便于歷史數據的查詢。利用數據庫中的數據進行比較和分析，得出一些有用的經驗參數，有利于優化SBR工藝的閉環控制。 
    
        （4）報警功能。當參數超過設定范圍或設備（如電機啟停、閥門開關）發生故障時，可根據組態發出不同等級的聲光報警，如屏幕顯示報警信息、打印機輸出報警信息等。可根據報警信息自動切換到相應的監控畫面。所有的報警信息均被記錄在報警數據庫中，便于以后 的事故分析使用。 
    
        （5）報表打印功能。可以實現報表和圖形打印以及各種事件和報警實時打印。打印方式分為定時打印和事件觸發打印。
    
        （6）通訊功能。WinCC是基于標準的Windows平臺開發的SCADA系統軟件，充分考慮了與其它 系統交換信息的必要性，支持如DDE，OLE，ODBC，OPC和SQL等標準。可以提供多種方式與上 層系統數據交換。
    
        （7）冗余功能。兩臺裝有WinCC組態軟件的服務器互為冗余，確保數據完整。 
    
        5　控制軟件編程 
    
        一套理想的軟件不只限于滿足工藝要求，而且要考慮到現場出現的各種特殊情況，因 此必須可靠、實用、易修改。 
    
        5.1　控制規律 
    
        軟件編程的主要依據為生產工藝提供的控制規律。同一種處理工藝可能會有不同的控制 策略，根據目前的研究狀況，SBR工藝的控制可以分為三種：一種是生物濃度法。是指根據 在線測 得的水質參數與設定參數形成閉環控制；第二種是反應時間控制。對于時間控制規律而言，它是根據對SBR反應的五個階段所需要的時間進行自動控制的。第三種是流量程序控制。是 根據污水流量的變化來調整各個階段所需時間進行自動控制。后兩種控制方法都不是根據廢水的水質變化來改變某些運行參數進行自適應控制的。 
    
        生物濃度控制的基本思想是動態的控制SBR的反應時間使其中的有機物濃度（用COD或BO D表示）達到允許的排放標準，就停止曝氣。在線測定有機物濃度的BOD或COD傳感器比較貴 ，一般都在幾十萬元，目前還沒有應用報道，而且實時性比較差，反應時間慢。試驗表明：在SBR法的反應階段在一定混合物濃度和溫度的條件下，對一定的廢水而言，反 應池中的BOD和COD濃度與耗氧速率（OUR）及氧化還原電位（ORP）有密切的關系。一般說來 ，有機物濃度越低，則OUR越低而ORP越高，因此可以通過OUR與ORP來監測有機物濃度的變化，進而通過計算機來自動控制反應過程。[KG)] 
    
        時間控制程序是根據對SBR反應池的五個運行階段所需要的時間進行自動控制。該方法不是根據污水的水質變化來改變某些運行參數進行自適應控制。對于進水時間、曝氣時間、 沉淀時間、排水時間及閑置時間均可由上位機設定。SBR反應池的各段工藝過程及其執行時 間均嚴格按時序進行，每個反應池的任何設備均可通過電氣柜上的手動/自動轉換開關改變 其狀態，但均不能改變PLC所設定的工作時序，并且一旦切入自動狀態后便進入PLC所設定的 時序。在自動狀態下，操作人員在中心控制室可以通過人機界面實現遠程遙控操作。現場設 備的工作狀態均送上位機顯示。
    
        5.2　控制程序 
      
        根據以上情況，對應設計了兩種控制程序，可根據實際情況由上位機選擇運行。 
        
        （1）生物濃度法控制程序。生物濃度法采用反饋控制，利用在線測得的進水水質參數作為輸入，按照預先確定好的控制模型進行運算，然后用計算的結果作為輸出控制現場的 設備，動態控制反應時間，以達到控制反應的目的。 
      
        （2）時間控制程序。①本控制系統嚴格按照時序、按順序工作。②允許在工作過程中任意進行遙控、自控切換且不影響工作時序。
    
        6　結語 
      
         在污水處理控制系統中采用現場總線改變了傳統的全模擬量傳輸的方式，在現場總線級 實現了數字量傳輸，達到了提高信號傳送精度，增強現場控制靈活性，降低現場儀表初裝費和設計施工費用，減少電纜敷設，易于維護和擴展的目的。該自動控制系統已經在浙江海寧 污水處理廠投入運行，實現了污水處理SBR工藝的自動控制，提高了污水處理的效率和效果，同時降低了能耗，取得了良好的經濟效益與社會效益。

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