蘇煒 陳好學(xué) 曹立業(yè)

摘要：中小型污水處理廠為了降低運營成本會采用“無人值守、定時巡檢”的模式來運維。而要實現(xiàn)“無人值守”，就對自動控制系統(tǒng)提出了新的要求，應(yīng)按“信號可知、畫面可看、智能可控、系統(tǒng)可靠、權(quán)限可設(shè)”的原則配置系統(tǒng)，多個污水廠設(shè)置一個監(jiān)控中心，通過專線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控所有廠站的所有設(shè)備;相應(yīng)地，軟、硬件也要根據(jù)功能適應(yīng)這種配置要求。

關(guān)鍵詞：無人值守;污水處理廠;自控系統(tǒng);PLC;智慧水務(wù)

0? ? 引言

分布式污水處理系統(tǒng)大多為一體化小型裝置，這種小型污水處理裝置雖然能節(jié)省管網(wǎng)等建設(shè)投資，但也存在水量不穩(wěn)定導(dǎo)致運行不連續(xù)、出水達(dá)標(biāo)不穩(wěn)定等諸多問題，而且由于其數(shù)量巨大，帶來的運維及管理問題層出不窮。因此，就近建設(shè)管網(wǎng)，將污水收集后輸入規(guī)模稍大的污水廠進(jìn)行處理，在一個片區(qū)（區(qū)縣域）內(nèi)將數(shù)量眾多的一體化裝置變成數(shù)座或數(shù)十座具有一定規(guī)模的中小型污水處理廠，應(yīng)該說是個兩全的方案。

對于此類規(guī)模的小廠，一般采用“無人值守、定時巡檢”的模式來運維。由于這類廠的系統(tǒng)遠(yuǎn)比一體化污水處理裝置復(fù)雜且規(guī)模大、設(shè)備多，但規(guī)模又小于一般的城市污水廠，其控制系統(tǒng)如果采用傳統(tǒng)污水廠自控系統(tǒng)配置思路將無法滿足“無人值守”的要求。針對這種情況，其自控系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)遵循下文所述思路進(jìn)行。

1? ? 系統(tǒng)方案

無人值守污水廠的控制系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

總的來說就是：設(shè)置一個監(jiān)控中心，通過專線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控所有廠站的所有設(shè)備。也就相當(dāng)于把傳統(tǒng)污水廠的中控室集中到一個地方來進(jìn)行監(jiān)控?，F(xiàn)場人員采用巡檢的方式，利用手機移動App、工業(yè)Pad等設(shè)備也可實現(xiàn)移動端的監(jiān)控。

遠(yuǎn)程運維及監(jiān)控平臺是由上位遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和各廠站PLC自控系統(tǒng)通過專線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)組成的。各廠站自控系統(tǒng)是各站點的PLC控制系統(tǒng)，完成各污水處理廠的自動運行控制;使用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備接入運維平臺的數(shù)據(jù)庫，并可在監(jiān)控中心的人機交互畫面中監(jiān)控。各污水廠的視、音頻上傳至監(jiān)控中心，可作為遠(yuǎn)程監(jiān)控的輔助措施，既可以獨立顯示也可以嵌入到監(jiān)控組態(tài)畫面中，這樣可以使遠(yuǎn)程操作直觀、安全、可靠。

各廠站自控系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)如下功能：

（1）無需專守：設(shè)備配備智能化控制系統(tǒng)并可接入遠(yuǎn)程運維平臺，無需增派專人值守。

（2）自動運行：自動控制系統(tǒng)可確保設(shè)備全自動運行。

（3）遠(yuǎn)程視頻巡檢：運維人員可以在控制室通過訪問數(shù)據(jù)中心的視頻數(shù)據(jù)庫監(jiān)看各站點的視頻影像。

（4）定期巡檢：由運行單位定期對設(shè)備進(jìn)行巡檢和預(yù)警，能夠確保污水處理廠站設(shè)備的運行高效、正常。所有巡檢任務(wù)可由監(jiān)控中心通過手機App下發(fā)，巡檢記錄等均可通過手機App填報上傳，實現(xiàn)高效無紙化辦公。

2? ? 控制系統(tǒng)的配置原則

對于中小型污水廠的無人值守監(jiān)控系統(tǒng)除了要實現(xiàn)傳統(tǒng)的控制目標(biāo)之外，還應(yīng)按“信號可知、畫面可看、智能可控、系統(tǒng)可靠、權(quán)限可設(shè)”的原則配置系統(tǒng)。

（1）信號可知：信號采集要全面，全面感知污水廠運行狀態(tài)。

一般大型污水廠會一直有人值守，故其自控系統(tǒng)對于一些非主要設(shè)備的信號或參數(shù)采集不是很全面，也不會影響其正常運行。而無人值守污水廠雖然有監(jiān)控中心遠(yuǎn)程監(jiān)控，但由于一般不會一對一配置監(jiān)控人員，而且沒有人及時巡視設(shè)備和水質(zhì)，所以需要完整、全面地采集所有設(shè)備的工作狀態(tài)及工藝參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)實現(xiàn)自動決策控制、自動上報，大部分情況可以自動處理，自控系統(tǒng)無法判斷的可以由監(jiān)控值班人員根據(jù)上傳的信號進(jìn)行人工決策。

對于重要設(shè)備應(yīng)當(dāng)配置馬達(dá)綜合監(jiān)測儀，并以通信方式全面采集設(shè)備運行參數(shù)，自動分析設(shè)置好報警值。電力系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)的信息也應(yīng)以通下方式采集至自控系統(tǒng)。

（2）畫面可看：增加工藝系統(tǒng)視頻監(jiān)控，實現(xiàn)所有設(shè)備實時監(jiān)看。

在有人值守的情況下，一般污水廠的視頻監(jiān)控系統(tǒng)配置往往比較稀疏，且多為槍機，只有視頻而無音頻信息，設(shè)備的狀態(tài)往往由于視角太大無法在視頻圖像中看清楚。而無人值守污水廠的中心監(jiān)控畫面除了要有能夠反映全部數(shù)據(jù)的綜合監(jiān)控數(shù)據(jù)畫面及獨立的視頻系統(tǒng)之外，所有設(shè)備都應(yīng)有高清云臺攝像機監(jiān)看，軟件平臺中可以做報警聯(lián)動，即設(shè)備運行狀態(tài)改變或出現(xiàn)故障，攝像頭應(yīng)自動對焦該設(shè)備，并在運行監(jiān)控的組態(tài)畫面中插入以彈窗形式出現(xiàn)的設(shè)備信息及現(xiàn)場視頻和音頻，這樣可以確保設(shè)備運行狀態(tài)改變及故障時第一時間了解現(xiàn)場情況。組態(tài)畫面的設(shè)備操作畫面中需要顯示實時視頻及音頻，這在一些設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程啟停時尤為必要，可有效避免一些安全事故的發(fā)生。圖2為一個設(shè)備子畫面（設(shè)備標(biāo)簽頁）的樣例，App和Pad上畫面內(nèi)容相同，但操作需要授權(quán)。同時，由于廠站數(shù)量多，設(shè)備數(shù)量巨大，設(shè)備標(biāo)簽頁還應(yīng)有按鈕鏈接設(shè)備資料信息（設(shè)備檔案），同時可在監(jiān)控中心或移動端查看，包括設(shè)備圖紙、維保信息、說明書、生產(chǎn)廠商信息等，便于運維人員現(xiàn)場維護(hù)。

（3）智能可控：工藝設(shè)備全部可自控，實現(xiàn)全工藝流程控制，底層控制軟件應(yīng)具有智能故障處理功能。

對于不經(jīng)常使用的工藝設(shè)備如一些閘門、事故水泵、換氣扇甚至照明等，傳統(tǒng)污水廠自控系統(tǒng)為了節(jié)省投資往往只有手動控制，但在無人值守的情況下把這些設(shè)備的控制接入自控系統(tǒng)尤為重要。

由于各廠站大多會采用單元化、模塊化設(shè)備，每個單元或模塊會配置控制器，因此可以在每個廠站設(shè)置一個或數(shù)個PLC站點，通過現(xiàn)場工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)連接。每個廠站配置一臺上位機或基于Windows平臺的工業(yè)PC，預(yù)裝組態(tài)系統(tǒng)并與監(jiān)控中心連接，可以實現(xiàn)對于本廠站的全部監(jiān)控功能，與操作員在監(jiān)控中心的界面一致。

工藝設(shè)備全部自控的情況下對于傳統(tǒng)常用的一些控制方式也需要做一些調(diào)整：對于底層的控制站點控制程序應(yīng)具備一定的故障診斷及自主處置能力，為了防止設(shè)備或系統(tǒng)出現(xiàn)問題時人員無法及時到達(dá)現(xiàn)場，必須依靠自控系統(tǒng)完成一些基本的故障處置。同時由于每個操作員面對的是數(shù)量相對巨大的設(shè)備和廠站，因此一些需要隨時調(diào)整的工藝運行控制也必須一定程度上智能化，實現(xiàn)自主調(diào)整運行。

例如：污水廠的鼓風(fēng)機系統(tǒng)歷來是耗能大戶，有經(jīng)驗的操作人員可以在確保出水達(dá)標(biāo)的前提下，通過頻繁改變風(fēng)機的運行臺數(shù)、頻率等方式實現(xiàn)節(jié)能。但在操作人員數(shù)量少、面對的廠站數(shù)量多的情況下實現(xiàn)頻繁操作幾乎是不可能的，采用“精確曝氣”等智能化控制算法，通過數(shù)據(jù)積累，可以利用中心服務(wù)器的強大運算能力進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，得出日益優(yōu)化的運行控制參數(shù)，從而使系統(tǒng)的運行“越來越節(jié)能”。

（4）系統(tǒng)可靠：系統(tǒng)需響應(yīng)迅速、運行穩(wěn)定、動作可靠。

控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性是基本要求，但對于無人值守污水廠來說，尤其要關(guān)注的是電氣控制回路的可靠性和通信系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

傳統(tǒng)的自控電路一般在自控模式下采用單點保持型輸出控制，在這種控制模式下，設(shè)備的運行是靠自控系統(tǒng)的單點信號輸出保持的，由于這種控制方式下PLC的輸出繼電器是一直通電運行的，極易發(fā)生損壞或“閃斷”，導(dǎo)致設(shè)備停機甚至損壞。如果自控系統(tǒng)發(fā)生掉電等故障使輸出丟失，在大量設(shè)備自控運行的情況下，會導(dǎo)致全部設(shè)備突然停止運行，引發(fā)事故。

采用雙點脈沖輸出的方式控制設(shè)備啟動和停止可以避免以上問題，在這種控制模式下，設(shè)備的啟動和停止是由兩個輸出點的脈沖輸出分別控制的，這樣即使控制系統(tǒng)故障，設(shè)備也會保持原有的運行狀態(tài)，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。

通信系統(tǒng)是無人值守污水廠的神經(jīng)系統(tǒng)，其可靠性和穩(wěn)定性直接影響著系統(tǒng)的安全。

對于通信系統(tǒng)整體架構(gòu)來說，由于每個廠站的視頻信號傳輸要求較高，因此各廠站應(yīng)有專線光纖接入，以保證足夠的帶寬及安全性;較大規(guī)模的重要站點，應(yīng)考慮雙運營商接入或無線網(wǎng)絡(luò)接入的備份網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

對于場內(nèi)的通信系統(tǒng)來說，從節(jié)約投資的角度考慮，控制系統(tǒng)可不采用冗余配置，但是對于較大的廠站，現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)宜采用冗余環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。同時，廠區(qū)可覆蓋Wi-Fi信號，便于運維人員使用移動設(shè)備，但要做好網(wǎng)絡(luò)安全工作。

PLC控制系統(tǒng)及視頻、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)UPS應(yīng)采用在線式，并確保一定的續(xù)航能力。

（5）權(quán)限可設(shè)：統(tǒng)一的監(jiān)控平臺系統(tǒng)需實現(xiàn)多點、多平臺部署，分權(quán)限分層級操作。

遠(yuǎn)程運維及監(jiān)控平臺的建設(shè)思路如下：資源共享，分級授權(quán)，對于不同的運維人員分層級設(shè)置不同的權(quán)限。這樣可以使平臺的監(jiān)管、操作、維護(hù)以及整體的運營模式都統(tǒng)一到一個平臺上來，不僅可以確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定，還大大節(jié)約了投資。

運維人員按權(quán)限可以分為工程師、遠(yuǎn)程操作員、移動操作員。工程師可以配置系統(tǒng)的所有權(quán)限，并可以對操作員權(quán)限進(jìn)行配置;遠(yuǎn)程操作員可以對各廠站的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作及遠(yuǎn)程巡檢;移動操作員可以對各廠站的設(shè)備按條件（比如定位到廠站后或進(jìn)入廠站W(wǎng)i-Fi后）進(jìn)行操作。對于移動操作員，按職責(zé)又可設(shè)定不同權(quán)限，比如班組長可以使用移動設(shè)備進(jìn)行控制，其余人員只能查看，或使用工業(yè)Pad時可以擁有高一些的權(quán)限等。

3? ? 監(jiān)控及數(shù)據(jù)中心平臺建設(shè)方案

監(jiān)控及數(shù)據(jù)中心是無人值守污水廠系統(tǒng)的大腦，其重要性絕不僅僅是一個放大了的污水廠中控室，其軟硬件配置及運行是決定整個系統(tǒng)是否可以正常運行的關(guān)鍵。

3.1? ? 監(jiān)控中心平臺

統(tǒng)一建設(shè)一個集中監(jiān)控中心平臺系統(tǒng)，將所屬站點的數(shù)據(jù)信息及監(jiān)控畫面進(jìn)行統(tǒng)一展示及管理。各廠站的運行數(shù)據(jù)和監(jiān)控數(shù)據(jù)以及視頻、音頻一并通過統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心，進(jìn)行實時監(jiān)控、調(diào)閱、備份。

監(jiān)控中心機房可采用自建服務(wù)器或租用商用云服務(wù)器，所有數(shù)據(jù)存儲于該中心服務(wù)器，針對不同用戶可以由管理員根據(jù)需要設(shè)置不同權(quán)限，便于統(tǒng)一維護(hù)和管理。

監(jiān)控中心設(shè)置至少2臺工程師站、數(shù)臺操作員站以及實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、管理服務(wù)器等，根據(jù)廠站數(shù)量分組，一般應(yīng)配置N（分組數(shù)）×2臺操作員站。每臺工程師站可對整套系統(tǒng)進(jìn)行修改或設(shè)置權(quán)限，每臺操作員站亦均可監(jiān)控全部系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備，這樣可以互為備份。但實際使用時，為確保職責(zé)明確，可以由工程師站進(jìn)行權(quán)限設(shè)置，不同的操作員可以按分組只能操作指定的廠站。

為使系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性與可維護(hù)性，平臺接入使用統(tǒng)一的安全策略和統(tǒng)一的地址分配，便于以后增加站點或增加檢測點位。

監(jiān)控中心需配置必要的防火墻、網(wǎng)關(guān)等設(shè)備。

3.2? ? 監(jiān)控軟件的訪問權(quán)限

整個監(jiān)控平臺按權(quán)限可以劃分為四層：

第一層：工程師賬戶，可以監(jiān)看和修改全部各站點的所有數(shù)據(jù)或設(shè)置分配權(quán)限;

第二層：操作員賬戶，可以監(jiān)控其轄區(qū)內(nèi)站點所有數(shù)據(jù);

第三層：移動端賬戶，可以監(jiān)控其所負(fù)責(zé)運維的站點設(shè)備運行狀態(tài)及數(shù)據(jù)，可利用口令進(jìn)行一定范圍的操作;

第四層：瀏覽賬戶，只可查看系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)，不可操作。

在系統(tǒng)辦公網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)中，終端用戶（管理人員、運行人員等）憑借密碼和權(quán)限遠(yuǎn)程Web訪問查看數(shù)據(jù)中心內(nèi)數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)。

4? ? 結(jié)語

綜上所述，無人值守污水廠的自控系統(tǒng)不但會大大降低管理成本，降低運維人員數(shù)量及工作強度，還可以帶來降低系統(tǒng)運行能耗、藥耗，預(yù)防事故發(fā)生，延長設(shè)備壽命等一系列效益，這對于整個污水處理行業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 鄭作全.污水處理機電設(shè)備的安裝與運維[J].河南建材，2019（2）：242-243.

[2] 張守偉，段麗霞.污水處理自動化儀表設(shè)計與應(yīng)用[J].制造業(yè)自動化，2011（6）：164-166.

收稿日期：2020-04-21

作者簡介：蘇煒（1972—），男，山東臨朐人，工程師，研究方向：工業(yè)自動化。