环境在线监控系统解决方案.docx
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环境在线监控系统解决方案
环境在线监控系统解决方案
随着信息技术、网络技术的飞速发展，我国环境信息化建设工作也得到了较快发展，以国家级环境信息网络系统为中枢、省级环境信息网络系统为骨干、城市级环境信息网络系统为基础、县级环境信息网络系统为补充的四级全国环境信息网络系统已初具规模。
环境信息网络系统建设、环境管理办公自动化应用、环境管理数据库系统开发、地理信息系统应用、环境信息共享和发布，以及Internet/Intranet等一系列信息技术、网络技术的开发与应用，都取得了很大进展，并在环境管理工作中得到了广泛应用，为环境管理和决策提供了良好的技术服务与支持。
力控软件在污染源在线监控（监测）系统中应用广泛，本文章中只是介绍了其中一个案例，为了更方便软件在污染源在线监控（监测）行业中的使用，力控提供了污染源在线监控（监测）系统的行业版，针对这一行业的特点，下面列出该行业版中所支持的测控设备的厂家列表：
1、广州市怡文科技
2、中国环境监测总站
3、山东省青岛金仕达电子科技有限公司
4、山东省青岛竞业高新技术发展有限公司
5、德国WTW公司
6、厦门隆力德机电设备有限公司
7、青岛崂山电子仪器总厂
8、北京蓝星环保技术有限公司
9、北京蓬甲科技发展公司
10、长沙高新技术产业开发区绿色科学研究所
11、欧美大地仪器设备中国有限公司
12、意大利哈纳仪器中国总代理
13、北京哈纳科仪科技有限公司
14、厦门艾士维环保设备有限公司
15、江苏电分析仪器
16、日丰柴田科学器械工业株式会社北京事务所
17、赛普环保科技术发展有限公司（天津）
18、北京北美仪器公司
19、北京北分麦哈克分析仪器有限公司
20、香港昌信科学仪器公司上海维修站
21、日本岛津制作所
22、北京华厦科创仪器技术公司
23、北京金信诚有限责任公司
24、吉林市北光分析仪器厂
25、吉林市北方电光应用技术研究所
26、中西公司（北京）
27、北京普莱而得机电技术有限公司
28、吉林市科技开发实业公司
29、吉林省长春吉大小天鹅仪器有限公司
30、河北先河科技发展有限公司
31、青岛崂山电子仪器总厂有限公司
32、北京圣地万隆测控技术有限公司
33、广东省佛山分析仪器厂
34、北京普析通用仪器有限公司
35、英国KANE中国公司北京承天科技公司
36、北京德隆博宇科贸有限公司
37、河北先河科技发展有限公司
38、浙江省杭州恒达工业自动化研究所
39、佛山分析仪器厂
40、上海宏伟环保设备仪表厂
41、天津市河东区环保局
42、天津市华津环保技术发展公司
43、山东省青岛竞业高新技术发展有限公司
44、大连中环仪器仪表有限公司
45、太原中绿环保技术有限公司
46、江苏电分析仪器厂
47、北京市劳动保护科学研究所
48、中国环保监测总站河北省承德市华通环保仪器厂
49、美国帕金尔默公司宏超高科北京分公司
50、欧陆科仪（远东）
51、承德华通环保仪器厂
52、烟台海阳国环测控仪器有限公司
53、江苏环发环保科技推广中心
54、广东省华南环境科学研究所
55、山东省恒大环保股份有限公司
56、山东省恒大环保
57、北京北美仪器公司
58、宏超高科北京分公司
下面以开封市环保局环境在线监测系统为例，详细说明力控软件在污染源在线监测系统中的应用。
1．项目概述
开封市环保局环境在线监测系统是由污染源在线监测系统、主要水域水质自动监测系统、城市空气质量监测系统、城市噪音监测系统、和监测中心组成的监测系统。
该系统可进行自动采样、对主要污染因子进行在线监测；掌握城市污染源排放情况及污染排放总量，监测数据自动传输到环保监测中心；由监测中心的服务器进行数据汇总、整理和综合分析；监测信息传至环保局，由环保局对污染源进行监督管理。
1）整合GPRS/CDMA/宽带通讯技术，实时监视重点污染源瞬时流量、累积流量、污染物浓度、污染物排放总量等数据，实时控制现场设备的运行状态；整合GPRS/CDMA/宽带通讯技术，传输全市大气和水自动监测数据到环保局中心控制室。
2）实现各类监测数据的接收、显示、统计、自动综合分析、存储、应用、发布等。
3）利用GIS与数据库的接口功能，在电子地图上直观地生成可视化的计算结果图表。
4）选用先进的开发技术，应用系统操作简便、人机界面友好，适合各层面人员操作使用。
5）具有超前的设计理念，根据环境管理工作的发展和要求，能够随时进行扩充，并应兼容现有的应用系统。
6）在网络覆盖面、可靠性、稳定性、实时传输速度、数据传输的准确性及安全性、操作界面、建设投资及系统日常运行费用合理等方面具有良好的体现。
2．系统网络结构图
3．在线监测监控结构图
1）系统组成
开封市环保局环境在线监测系统主要由中心站和监控子站组成。
在系统中，中心站通过GPRS网络与各监测子站进行信息交换，按要求对收集的监测结果进行统计处理，形成各种统计分析报告、报表及图形，通过显示屏进行显示。
2）结构图
在该项目中使用了PLC设备和智能模块的采集设备，德国WTW的COD等仪器仪表设备，在力控中支持大量的PLC等采集设备的驱动，支持与化学需氧量CODcr在线自动监测仪、总有机碳TOC水质自动分析仪、紫外（UV）吸收水质自动在线监测仪、氨氮水质自动分析仪、总磷水质自动分析仪、PH水质自动分析仪、超声波明渠污水流量计、电磁流量计等多种监测仪器和分析仪器进行通信，采集和转发通信方式完全实现了《污染源在线自动监控（监测）系统数据传输标准》。
力控监控组态软件同时支持标准MODBUS，Pofibus、Lonworks等多种总线网络。
4．实现的功能
1）在线监测和远程控制可以在线查看、查询、获取各种模拟设备和开关的最新数据、状况。
并可以实现定时监测（TOC、COD、PH、流量等一次性仪表在一段时间内，按照固定的周期进行数据采集）。
中心控制室可以实时显示水污染点源的①污水瞬时流量和累积流量②COD或氨氮的浓度和排放总量等数据,能够对监测现场设备进行远程启动、设定工作时间、调整工作周期、数据二次查询等远程操作，并将分析结果和设备运行日志记录于环保局中心数据中。
中心控制室可以实时显示大气污染点源的①烟气流量和排放总量②烟气、烟尘、CO、SO2、Nox的浓度和排放总量等数据。
2）报警处理
报警有四种：
断线报警（包括设备故障报警）、超标报警、开关设备报警和异常情况报警。
可以灵活设定报警条件，并和人员的手机、短信绑定，在满足报警条件时，自动发送报警信息。
3）短信服务
短信服务有：
数据传送，可以把企业的数据发送到指定的手机；短信报警（数据报警，断线报警，开关设备报警，监测仪器报警）；批量配置企业的报警数据；自写短信，自定义短信的内容和发送对象。
4）查询统计
提供多种条件查询方式和查询结果分类、分项排序、统计最大值、最小值、平均值、汇总值等分析处理功能。
提供统计各类监测数据功能，如流量统计；COD、氨氮浓度分析；COD、氨氮排放总量统计；烟气流量统计；烟气、烟尘、CO、SO2、NOx浓度分析；烟气、烟尘、CO、SO2、NOx排放总量统计等。
提供查询结果打印功能
5）分析报表
对于企业的排放汇总数据按指定的时间段进行列表和图形方式分析，并可实现与收费管理系统的结合。
列表分析以表格的方式给出上述数据，图形方式通过曲线、柱状和饼状等图形直观的显示。
系统至少提供以下报表并能够按照所见即所得的效果进行打印。
◎废水监测报表（曲线图）、废气监测报表（曲线图）
◎实时监测数据日报表（曲线图），月报表（曲线图），年报表（曲线图）
◎历史监测数据报表
◎超标监测数据报表
◎停水日志
◎网络反控日志
◎试剂报警日志
◎数据汇总报表
◎数据历史查询报表
◎数据分析统计报表（含柱状或饼状图），包括烟气、烟尘、CO、SO2、NOx浓度分析报表和烟气、烟尘、CO、SO2、NOx排放总量统计报表、大气及水自动监测日监测数据分析报表
6）监控源管理
监控源管理以企业为单位，主要包括监控源的常规信息管理，排污口管理，和治理设施管理；在线监测仪管理可以动态添加排污口，采集仪，各种模拟设备和开关设备的添加，并可以指定模拟设备的标准数值和报警的上下限。
7）数据标记和剔除
特定的职能管理部门在审查分析数据的过程中，对于已经确认异常或无效的数据能够进行手动标记或剔除操作。
对于任何的标记或剔除操作，系统自动记忆，作为日志备查。
8）系统管理
设置系统的一些参数，包括权限管理、常量管理、设备管理、在线列表和监控源类型设置等。
9）视频数据
视频监控系统要求实现现场影像的高清晰同步实时传输，在监控中心电视墙等终端上显示，并通过监控中心网络来实现图像的传输、显示、存储、回放等功能。
5．综述
力控软件在污染源在线监测监控系统的中心站和监测站上实现监测监控功能，传输网络主要是通过一类是基于TCP/IP协议的，如通用无线分组业务（GeneralPacketRadioService缩写GPRS）、非对称数字用户环路（AsymmetricalDigitalSubscriberLoop缩写ADSL）、码分多址（CodeDivisionMultipleAccess缩写CDMA）等。
另一类是基于非TCP/IP协议的，如：
公共电话交换网（Publicswitchedtelephonenetwork缩写PSTN）、短消息数据通讯等。
由于污染源现场一般环境比较恶劣、偏远，大部分采用GPRS、CDMA等无线网络。
力控支持国际和国内的所有主流厂家的GPRS设备。
力控软件支持多种环境保护设备的协议，实现与这些设备的通信、数据采集及转发。
为了保证系统的兼容性，规范上位机和现场监测站的通信规范，国家环保局于2005-12-30日发布了《污染源在线自动监控（监测）系统数据传输标准》（HJ/T212-2005）。
并于2006-02-01日正式实施。
此标准规定了传输网络的应用层协议，一方面保证了系统的兼容性，另一方面，体现了协议的通信介质无关性，为不同环境下选择不同的通信方式提供了灵活性。
力控软件的采集和转发都支持《污染源在线自动监控（监测）系统数据传输标准》，通过此协议实现与环保局中心站的实时与历史数据传输。
开封市环保局环境信息监控系统经过在现场的实际运行，整个系统稳定可靠，很好的满足了用户的工艺要求，达到了对污染源在线监控（监测）的标准。
污水处理智能控制的研究、应用与发展
【浏览次数】
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【供稿】
北京利达科信环境安全技术有限公司
【中文关键词】
污水处理智能控制的研究、应用与发展
【摘要】
综述了国内外污水处理自动化技术的发展现状，分析了目前污水处理自动控制系统中存在的问题及制约我国污水处理自动化技术发展的主要因素，提出智能控制是污水处理自动化技术的主要发展方向，并着重介绍了模糊控制人工神经网络控制和专家控制在污水处理过程中的应用。
结合国外研究动态，提出我国开展污水处理智能化控制理论、方法和技术研究的必要性和紧迫性。
【添加日期】
2007-11-29
【更新日期】
2007-11-29
【正文】
摘要：
综述了国内外污水处理自动化技术的发展现状，分析了目前污水处理自动控制系统中存在的问题及制约我国污水处理自动化技术发展的主要因素，提出智能控制是污水处理自动化技术的主要发展方向，并着重介绍了模糊控制人工神经网络控制和专家控制在污水处理过程中的应用。
结合国外研究动态，提出我国开展污水处理智能化控制理论、方法和技术研究的必要性和紧迫性。
关键词：
污水处理人工神经网络控制模糊控制智能控制
中图分类号：
X505
文献标识码：
B
文章编号：
1000-4602（2002）06-0035-05
智能控制是自动控制发展的高级阶段，是人工智能、控制论、系统论和信息论等多种学科的高度综合与集成，它主要包括模糊控制、神经网络控制、学习控制和专家控制等。
智能控制在各种非稳定的动态工程系统中的应用日益广泛与深入，特别是近年来取得的研究与应用成果更受瞩目[1、2]。
由于污水处理的运行费用是庞大的、长期的，如果通过有效的控制能将城市污水处理厂的运行费用节省1%，也是个天文数字。
由此可见，加强城市污水处理系统智能控制的研究非常必要。
1国内外自控技术现状分析
发达国家在二级处理普及以后投入大量资金和科研力量加强污水处理设施的监测、运行和管理，实现了计算机控制、报警、计算和瞬时记录。
美国在20世纪70年代中期开始实现污水处理厂的自动控制，目前主要污水处理厂已实现了工艺流程中主要参数的自动测试和控制。
80年代以来在美国召开了两次水处理仪器和自动化的国际学术会议，会上发表的数百篇论文反映出水处理自动化已发展到实用水平[3]。
与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，进入90年代以后污水处理厂才开始引入自动控制系统[4、5]，但多是直接引进国外成套自控设备，国产自动控制系统在污水处理厂应用很少。
近年来，国内外均有学者对污水处理自动控制工艺进行研究，以寻求更精确、更可靠的方法实施自动控制。
Zipper等[6]开发了适用于小型污水处理厂的自动控制系统，该系统采用基于氧化还原电位（ORP）的控制器。
这个控制器自动工作，并可以在硝化和反硝化之间进行优化，从而减少能耗，他们在中试中发现，污水处理厂的实际负荷与ORP曲线变化具有很强的相关性。
采用两点ORP控制保证了在增加负荷时硝化时间占运行时间的比率也随之增加，这些都为开发小型污水处理厂控制规则奠定了基础。
John等[7]采用两种SBR反应器对家禽生产废水进行处理，并且评价了它们的处理效率，同时也考察了脱氮与反应器ORP之间的关系，并且使用了用于实时pH、ORP和DO监控的先进仪器设备和基于ORP设定值控制曝气时间的过程控制。
当处理变组分废水时，该研究不仅获得了稳定的出水水质，而且依靠ORP控制曝气时间，减少了空压机的运行时间。
Yu等[8]设计研究了一套带有实时ORP和pH控制系统的连续进水SBR反应器。
该实时监测和控制系统由传感器、计算机、人机对话界面和控制部件组成。
SBR反应器中安装了4个带有Ag/AgCl电极的ORP仪表、1个DO表和1个pH仪表，传感器的模拟信号通过AD/DA转换器转换成数字信号，并且依靠计算机每秒钟采集一次信号。
计算机对采集来的数据进行分析后，通过控制线路传递到继电器，由它开/关搅拌器、滗水器和鼓风机。
试验结果显示，采用实时控制的SBR反应器在底物去除效率和降低能耗方面均优于采用时序控制的SBR反应器。
Puznava等[9]在同步硝化/反硝化的生物滤池中引入了实时曝气控制，建立了基于DO在线监测的反馈控制和基于氨氮和DO在线监测的串联控制。
与传统硝化—反硝化生物曝气滤池（BAF）相比，采用实时曝气控制的生物滤池在达到相同处理效果（出水TN＜20mg/L）时，曝气量低于传统方法的50%。
王淑莹[10]在国外已有的时间和流量程序控制的基础上，提出一种SBR法有机物浓度控制，使控制过程更定量化和精密化。
工业废水的水质变化很大，当进水有机物浓度高时，为使出水水质达标，应适当增加反应时间使运行更可靠；而当进水有机物浓度低时可以减少反应时间以节省运行费用。
彭永臻等[11]将ORP作为SBR反应器有机物降解程度间接指标的研究结果表明，无论是在很大范围内改变曝气量或者改变MLSS浓度，还是使反应初始COD在230～2180mg/L之间逐渐变化或突然变化，当COD达到难降解浓度时，ORP都迅速、大幅度地升高，随后又很快趋于平稳，并在某一特定范围内稳定下来。
因此，可以用ORP作为SBR法反应时间的计算机控制参数，实现计算机在线自动控制。
通过以上分析，目前污水处理自动控制中存在以下问题：
①传统污水处理自动控制系统要求建立精确的数学模型，并且提出必须遵循一些比较苛刻的线性化假设，然而实际污水处理系统由于存在复杂性、非线性、时变性、不确定性和不完全性等，一般无法获得精确的数学模型和与实际相符的假设，因此采用传统控制理论建立的污水处理自动控制系统在实际工程应用上存在出水水质波动较大等问题。
②污水处理自动控制系统中所采用的一些自动化检测设备、仪表的功能目前还很不完善，在实际检测中达不到预期效果、误差很大，因此依靠这些检测设备判断污水处理情况并实施自动控制，往往很难达到处理水质达标排放和节约能源的目的。
③国内外许多学者为提高污水处理厂的处理效率和降低能耗开展了许多实时控制研究，如采用ORP、DO和pH值作为控制参数来控制出水水质和减小曝气量，但这些方法也存在一些问题，例如控制污水处理厂硝化—反硝化过程所使用的ORP就很难判定，因此绝大多数基于ORP控制的污水处理厂也执行时间控制，作为当控制器无法找到ORP特征点时的应急控制，这样就导致许多污水处理系统实际上仍然采用的是按时间控制整个处理过程。
④污水处理自动控制有别于其他控制系统，它需要对大量阀门、泵、鼓风机和吸（刮）泥机、曝气池和污泥消化池内的搅拌器等机械设备及沉淀池和消化池进、排泥量进行控制，因此污水处理厂需要自动控制的开关量多，它们常常要根据一定时间或逻辑顺序定时开/停，然而目前我国生产的阀门质量存在一些问题，使用寿命较短，如果从国外进口价格又很昂贵，一般污水处理厂很难承受，因此笔者认为制约我国污水处理自动控制发展的主要原因不是生产工艺问题，而是设备问题。
2智能控制技术应用与发展
作为智能控制重要分支的模糊控制、神经网络控制、专家控制和自学习控制等除了应用到工业过程控制以外，已经扩大到军事、医学、高科技领域。
由于智能控制系统具有自学习、自适应和自组织功能，特别适用于复杂的污水处理动态过程的控制，因此近年来智能控制在美国、欧洲、日本的给水处理、污水生物处理、污水的物理化学处理中都有典型的成功应用，正在研究与开发的更是不胜枚举[12]。
从现在可以检索到的有关污水处理自动控制的研究论文来看，有近1/3的论文涉及到智能控制，可见智能控制已成为该领域的一个研究热点与前沿课题，显示出极为广阔的应用前景。
2.1模糊控制
模糊控制（FuzzyControl）能将操作者或专家的控制经验和知识表示成语言变量描述的控制规则，然后用这些规则去控制系统。
因此，模糊控制特别适用于数学模型未知的、复杂的非线性系统的控制。
正是基于模糊控制这些特点，近年来它已成为污水处理系统的研究热点。
1980年Tong等首次将模糊控制应用到污水处理中，将出水BOD、SS、曝气池MLSS、DO及出水氨氮浓度、回流污泥量等监测数据作为输入变量输入该系统，“模糊化”以后再与“规则集”进行匹配，随后确定相应的控制手段，最后通过反模糊化得到量化的具体信号来实施控制。
Flanagan利用Olsson等提出的曝气池DO控制技术，以沿池长的DO浓度变化曲线来估计曝气池中底物利用效率和微生物活性。
他的知识库中的知识不仅有根据工艺状态确定采用何种控制措施这一类启发性规则，而且还有DO曲线特征及相关工艺状态方面的知识。
Barnett把这些知识称为“汇编知识”（compiledknowledge），“汇编知识”作为启发性知识的补充，提高了系统解决问题的深度和广度[13]。
由于活性污泥法出水BOD或COD浓度通常随出水悬浮物浓度增加而增大，因此Tsai等人建立了对出水悬浮物浓度进行预测和控制的动态活性污泥法模糊控制[14]，他们所提出的模糊控制策略能有效地降低出水SS浓度，从而使处理系统的运行稳定可靠。
与常规活性污泥法相比，高纯氧活性污泥法（HighPurityOxygenActivatedSludge，HPO—AS）对控制的要求更加严格。
由于过程滞后和噪声干扰，此系统两种常规反馈控制在控制过程中经常出现问题。
为此Yin等人[15]研究了四种模糊逻辑控制系统，结果表明在正常条件下，模糊控制比常规的反馈控制更加节约能源、减少DO波动、稳定进水流量和出气流速。
Manesis等人[16]对一个前置反硝化污水处理厂进行了模糊控制系统研究。
他们以反应器中氨氮、硝态氮、DO、温度、MLSS和二沉池进出水BOD的差值作为模糊控制系统的输入变量，以曝气区供氧速率、好氧区向缺氧区的回流速率以及二沉池向反应器的污泥回流速率作为输出变量，以处理厂操作人员的经验建立模糊控制规则，并在希腊Patras污水处理厂进行了仿真，取得了较好的结果。
与国外相比，国内从事污水处理模糊控制的研究人员较少。
彭永臻等[17、18]对硝态氮污染水脱氮处理的新方法——生物电极法采用模糊控制，也取得了较好的控制效果。
这种在线模糊控制器具有构造简单、可行性好、可靠性高、稳定性好和对进水硝态氮负荷变化的适应性强等优点，有利于避免过量地投加有机物并尽可能节省运行费用。
彭永臻、曾薇等[19]采用SBR法处理石油化工废水，根据反应器内有机物的去除与DO浓度的相关性，提出以DO作为SBR法的模糊控制参数。
通过大量试验，认为可根据初始阶段DO浓度及变化情况预测进水有机物浓度，进而实现对曝气量的模糊控制。
2.2神经网络控制
基于人工神经网络的控制（ANN—basedControl）简称神经控制（NeuralControl）。
神经网络是由大量人工神经元广泛联结而成的网络，它具有很强的自适应性和学习能力、非线性映射能力和容错能力。
神经网络因具备上述特点，近年来越来越受到国内外污水处理专家的重视，并在污水处理自动控制系统中开展人工神经网络控制研究，取得了许多具有推广应用价值的成果。
Zhu等[20]研究开发了一种基于时间延迟神经网络模型的在线废水水质预测系统。
他们首先提出采用多层感知器（MLP）网络模型对所建立的时间延迟神经网络（TDNN）的输入节点进行筛选，最后得到一个10输入TDNN模型，网络经过训练以后，其对废水处理预测精度均优于标准MLP模型。
Gontarski等应用BP算法人工神经网络预测一个工业废水处理厂的出水水质，试验中共使用了7个神经网络，每一个反应器用一个神经网络，最后一个神经网络用来预测出水TOC的变化。
试验结果表明，废水的流量和进水pH值是废水处理厂重要的控制参数。
在活性污泥法污水处理厂中，污泥膨胀是引起运行不正常的一个严重问题，它直接影响污水处理厂的处理效率，因此许多学者从活性污泥法的运行机理上对污泥膨胀现象进行了广泛的研究，但至今尚未获得克服污泥膨胀的经济而有效的方法。
近年来，国外一些学者采用人工神经网络技术建立模型来预测和防止污泥膨胀现象的发
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