位 剛

1. 中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 重慶 400039

2. 中煤科工集團(tuán)重慶智慧城市科技研究院有限公司 重慶 401133

我國水污染治理行業(yè)起步較晚，市場競爭激烈，集中度較低，行業(yè)內(nèi)企業(yè)參差不齊，技術(shù)水平差異較大，很大程度還處于人工干預(yù)的階段。未來我國污水處理行業(yè)的發(fā)展趨勢是朝著規(guī)?；?、高效化、智能化、資源化的方向發(fā)展的。其中，智能化技術(shù)將會(huì)成為污水處理的重要趨勢之一，因此研究污水處理智能監(jiān)控系統(tǒng)勢在必行，通過智能化技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)節(jié)污水處理系統(tǒng)，提高處理效率和處理質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)污水資源化利用，減少成本支出。

與傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)相比，污水處理智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效減少資源的使用，促進(jìn)污水處理的自動(dòng)化、智能化程度的提高，還能大大的緩解人力的投入，降低運(yùn)營成本，還能實(shí)現(xiàn)污水監(jiān)測的實(shí)時(shí)化，真實(shí)地反映出了污水廠的處理情況，能有效避免意外事件的發(fā)生和提升對(duì)意外事件的響應(yīng)解決速度，并且污水處理的運(yùn)行費(fèi)用是龐大的、長期的，如果通過有效的控制能將城市污水處理廠的運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省1%，也是個(gè)天文數(shù)字[1]。由此可見，加強(qiáng)城市污水處理系統(tǒng)智能控制的研究非常必要。

本文介紹該控制系統(tǒng)采用智能化技術(shù)手段，利用3D可視化技術(shù)構(gòu)建污水處理工藝流程，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，開發(fā)一套污水處理智能監(jiān)控系統(tǒng)[1]，研究污水處理設(shè)備能節(jié)能降本的控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)污水處理廠的實(shí)時(shí)監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、智能調(diào)節(jié)、分析決策、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等綜合管理功能。一站式呈現(xiàn)全廠運(yùn)營態(tài)勢，提高污水處理系統(tǒng)智能化監(jiān)控水平，提升污水處理能效，全方面的提高污水處理廠的運(yùn)營管理效率。

1 技術(shù)先進(jìn)性

（1）污水處理智能監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)采用模塊化結(jié)構(gòu)，能對(duì)水務(wù)行業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行全面的信息化管理和監(jiān)控，集成了水務(wù)行業(yè)相關(guān)的數(shù)據(jù)、設(shè)備和系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)分析和查詢，提供決策支持和業(yè)務(wù)優(yōu)化，系統(tǒng)也具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和兼容性。

（2）平臺(tái)智能化設(shè)計(jì)，開發(fā)畫面采用2.5D/3D模型，用戶可直觀的了解水廠的整體布局及設(shè)備的安裝位置，系統(tǒng)平臺(tái)能夠智能提示設(shè)備運(yùn)行情況和故障信息，讓用戶準(zhǔn)確的解決問題，滿足無人值班的要求；根據(jù)需要還可實(shí)現(xiàn)圖像遠(yuǎn)程監(jiān)控。

（3）多水泵均衡負(fù)載輪換技術(shù)，免去了人工值守和操作，解放了勞動(dòng)力，保證了水廠精準(zhǔn)的控制和穩(wěn)定的運(yùn)行。

2 控制系統(tǒng)技術(shù)路線與研究

結(jié)合基于現(xiàn)有的國內(nèi)污水處理技術(shù)和自動(dòng)化程度現(xiàn)狀，采用理論分析，現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方法，通過PLC控制器和計(jì)算機(jī)scada軟件平臺(tái)相融合，開發(fā)一套集中式污水處理智能監(jiān)控系統(tǒng)。采用自動(dòng)控制技術(shù)、在線水質(zhì)監(jiān)測傳感設(shè)備和先進(jìn)的信息技術(shù)手段、多項(xiàng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與人工智能技術(shù)的應(yīng)用，通過以太網(wǎng)或OPC等方式與各污水處理子系統(tǒng)通信連接，用于采集各分散污水處理設(shè)施的各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)，包括進(jìn)水水量、出水水量、進(jìn)水(PH、DO、SS、溫度、COD、氨氮、TN、TP、濁度、電導(dǎo)率)、出水進(jìn)水(PH、DO、SS、溫度、COD、氨氮、TN、TP、濁度、電導(dǎo)率)、耗電量、風(fēng)機(jī)電流、電壓、電流、設(shè)備供電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)全流程污水?dāng)?shù)據(jù)采集分析、實(shí)時(shí)監(jiān)測、智能化處理、數(shù)據(jù)查詢等功能[2]。

污水處理智能監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集適配、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、應(yīng)用服務(wù)和平臺(tái)應(yīng)用四部分組成，結(jié)構(gòu)上遵循統(tǒng)一的架構(gòu)和接口。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集適配

該部分負(fù)責(zé)從硬件采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行邏輯分析處理，然后存入實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)采集的驅(qū)動(dòng)適配支持多種數(shù)據(jù)源的采集，包括TCP/IP通訊、OPC服務(wù)采數(shù)等，可根據(jù)業(yè)務(wù)需要擴(kuò)展通訊方式和協(xié)議[3]。這些模塊采用插件方式設(shè)計(jì)，遵循統(tǒng)一的接口規(guī)范，方便對(duì)未知數(shù)據(jù)源，未知通訊方式的數(shù)據(jù)采集的擴(kuò)展。

邏輯處理是對(duì)原始采集數(shù)據(jù)的處理，主要包括報(bào)文分析、數(shù)值分級(jí)報(bào)警分析、設(shè)備配置參數(shù)下發(fā)等。

遠(yuǎn)程監(jiān)控主要是在遠(yuǎn)程模式下，通過自動(dòng)或手動(dòng)控制操作對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制命令下發(fā)。

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，以便提高數(shù)據(jù)分析和處理的效率；提供歷史數(shù)據(jù)庫，將分析處理數(shù)據(jù)持久化，以便后期的統(tǒng)計(jì)查詢、數(shù)據(jù)分析等業(yè)務(wù)的應(yīng)用。

2.3 應(yīng)用服務(wù)

該部分提供統(tǒng)一的接口，為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供遠(yuǎn)程控制服務(wù)、數(shù)據(jù)管理/查詢服務(wù)和數(shù)據(jù)共享服務(wù)。

遠(yuǎn)程控制服務(wù)，提供規(guī)范的控制接口和命令格式，為自動(dòng)控制和手動(dòng)控制提供基礎(chǔ)，并具有安全驗(yàn)證機(jī)制。

數(shù)據(jù)管理/查詢服務(wù)，提供數(shù)據(jù)插入、刪除、修改的接口規(guī)范，隔離業(yè)務(wù)應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫，保證數(shù)據(jù)的一致性、完整性和安全性。

數(shù)據(jù)共享服務(wù)，通過向集成平臺(tái)、第三方提供數(shù)據(jù)共享接口。

2.4 業(yè)務(wù)應(yīng)用

該部分主要包括設(shè)備管理、圖形組態(tài)、實(shí)時(shí)報(bào)警、遠(yuǎn)程監(jiān)控、運(yùn)維管理和查詢統(tǒng)計(jì)6大部分。

設(shè)備管理提供對(duì)污水廠站設(shè)備進(jìn)行新增、刪除、修改等配置操作的功能，可以設(shè)置監(jiān)測參數(shù)的報(bào)警閥值、報(bào)警級(jí)別，選擇相應(yīng)報(bào)警的策率。

通過圖形組態(tài)模塊，可以實(shí)時(shí)的、直觀的瀏覽查看整個(gè)系統(tǒng)、局部設(shè)備的運(yùn)行情況、參數(shù)實(shí)時(shí)值、監(jiān)測點(diǎn)的報(bào)警狀態(tài)，并且可以對(duì)圖形進(jìn)行編輯管理。

實(shí)時(shí)報(bào)警實(shí)時(shí)以文本、聲音的方式提醒，以便盡快了解和處理報(bào)警事件。

遠(yuǎn)程控制管理功能，可以預(yù)設(shè)多種情況下的報(bào)警聯(lián)動(dòng)方式。

運(yùn)維管理提供故障處理提示、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)管理、定期巡檢等管理功能。

3 污水處理智能監(jiān)控平臺(tái)開發(fā)

采用國內(nèi)主流的上位機(jī)軟件，開發(fā)一套完整的污水處理工藝流程，采用多臺(tái)服務(wù)器集群和B/S 架構(gòu)，數(shù)據(jù)與應(yīng)用分離的部署方式，利用數(shù)字孿生技術(shù)，通過對(duì)傳統(tǒng)二維的水廠組態(tài)圖進(jìn)行重構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)再生水廠廠區(qū)內(nèi)的主要工藝流程進(jìn)行2D/2.5D 可視化設(shè)計(jì)，根據(jù)業(yè)務(wù)單元進(jìn)行分類設(shè)計(jì)，結(jié)合接入測點(diǎn)后監(jiān)測到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，直觀呈現(xiàn)工藝流程和工藝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，把污水處理廠各單元過程信息進(jìn)行數(shù)字化處理，顯示在三維立體視圖中，這使得操作人員能夠更加清晰地了解生產(chǎn)數(shù)據(jù)，便于發(fā)現(xiàn)和解決問題。

圖2 監(jiān)控平臺(tái)開發(fā)圖例

圖3 監(jiān)控平臺(tái)開發(fā)圖例

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是污水處理平臺(tái)建設(shè)的核心之一，主要實(shí)現(xiàn)污水水質(zhì)信息、流量信息、設(shè)備狀態(tài)、報(bào)警信息等工藝數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、分析、查詢等。通過在生產(chǎn)裝置、檢測設(shè)備、監(jiān)測儀器等關(guān)鍵位置部署傳感器設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測污水處理過程中的各個(gè)參數(shù)，采集大量數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)告警、事故預(yù)案智能提示，系統(tǒng)還支撐平臺(tái)其他模塊的應(yīng)用和服務(wù)。

3.2 功能設(shè)計(jì)

趨勢曲線開發(fā)：根據(jù)數(shù)據(jù)庫繪制實(shí)時(shí)曲線圖和歷史趨勢曲線圖。

自動(dòng)報(bào)表生成：根據(jù)需要按不同的時(shí)間周期生成日、月、年報(bào)表，也可按參數(shù)名稱自動(dòng)生成報(bào)表。對(duì)污水廠的液位、流量、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、電能、設(shè)備故障狀態(tài)、動(dòng)力設(shè)備等信息中心自動(dòng)匯總生成日?qǐng)?bào)表、周報(bào)表和月報(bào)表，也可以自定義設(shè)定報(bào)表類型。

歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能：①歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間可組態(tài)，如定時(shí)存盤時(shí)間間隔可在1分鐘、10分鐘、30分鐘、1個(gè)小時(shí)之間選擇。

②具有數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出功能，便于系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)備份、恢復(fù)和進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析。

③支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳和數(shù)據(jù)緩存、補(bǔ)調(diào)功能：對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障、設(shè)備通訊失敗等異常情況導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)調(diào)，保持歷史數(shù)據(jù)完整。

④查詢功能：可以對(duì)實(shí)時(shí)/歷史趨勢查詢、實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)查詢、實(shí)時(shí)/歷史報(bào)警等信息以時(shí)間段、監(jiān)控區(qū)域、監(jiān)控點(diǎn)位、監(jiān)控?cái)?shù)值為條件查詢，歷史數(shù)據(jù)以表格和曲線圖輸出。

遠(yuǎn)程控制功能：軟件上可以對(duì)各污水廠進(jìn)行控制，例如開啟提升泵，曝氣風(fēng)機(jī)等，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)、遠(yuǎn)程三種模式運(yùn)行。

輸出、打印功能：各種報(bào)表、查詢信息、報(bào)警信息能在屏幕上顯示及打印輸出。

工藝仿真：每個(gè)處理現(xiàn)場污水處理工藝不同，因此通過采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以動(dòng)畫形式展現(xiàn)，虛擬仿真污水處理工藝；如發(fā)生故障時(shí)，故障設(shè)備發(fā)出閃爍的紅色警示標(biāo)識(shí)，整個(gè)污水處理流程通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)工藝流程仿真。

3.3 模塊化設(shè)計(jì)

開發(fā)的污水處理監(jiān)控系統(tǒng)采用平臺(tái)化、模塊化設(shè)計(jì)，在不影響現(xiàn)有各個(gè)子系統(tǒng)和應(yīng)用軟件穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，進(jìn)行靈活方便的功能組合和功能擴(kuò)展。從而順應(yīng)水務(wù)應(yīng)用變革與不斷發(fā)展的需求，長久保護(hù)水務(wù)信息化建設(shè)投資。

4 基于PLC的多水泵均衡負(fù)載智能輪換控制技術(shù)的研究

多水泵輪換控制技術(shù)是通過自動(dòng)化控制技術(shù)和PLC程序計(jì)算，根據(jù)每臺(tái)水泵累計(jì)運(yùn)行的時(shí)間和啟動(dòng)次數(shù)，通過數(shù)學(xué)函數(shù)循環(huán)計(jì)算和比較，對(duì)水泵啟停的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行智能排序，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)水泵的均衡負(fù)載，延長多臺(tái)水泵的使用壽命，并根據(jù)要求排出維修計(jì)劃[4]。

圖4 多水泵輪換控制啟動(dòng)流程示意圖

圖5 多水泵輪換控制停機(jī)流程示意圖

水泵均衡自動(dòng)輪換可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)水泵的統(tǒng)一監(jiān)控和控制，避免人工干預(yù)，提高了水泵的使用效率。通過對(duì)不同水泵的分配和輪換，可以有效避免單一水泵長時(shí)間使用而導(dǎo)致設(shè)備過早損壞和影響使用壽命。同時(shí)，水泵自動(dòng)輪換還能夠提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定地運(yùn)行。該技術(shù)可以為工業(yè)生產(chǎn)和城市供水等領(lǐng)域提供更加安全、可靠和高效的水泵控制方案，在實(shí)際應(yīng)用中起到了重要的作用。

5 結(jié)論

智慧水務(wù)是國家發(fā)展的重要戰(zhàn)略，污水處理廠自動(dòng)化、信息化及智能化技術(shù)應(yīng)用的市場空間巨大。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能的發(fā)展，污水處理行業(yè)正走向生產(chǎn)智能化、工藝裝備化、設(shè)備集成化、監(jiān)測數(shù)據(jù)化和管理信息化的智慧化發(fā)展道路。

因此對(duì)污水處理廠的智能化處置工藝流程、水泵智能控制技術(shù)及控制算法模型展開研究，構(gòu)建一套統(tǒng)一的污水處理智能監(jiān)控平臺(tái)是很有必要的。平臺(tái)部署便捷，工藝流程和功能控制可在不同水環(huán)境項(xiàng)目中移植復(fù)用，具有一定的市場應(yīng)用場景。