基于物聯(lián)網(wǎng)的污水處理生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)

楊建村，吳光軍*，劉萍，李小民，仇興興

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基于物聯(lián)網(wǎng)的污水處理生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)

楊建村1，吳光軍2*，劉萍2，李小民3，仇興興3

(1. 中石化勝利油田分公司，山東東營(yíng)，257061；2.北京中控訊智能技術(shù)研究院有限公司，北京昌平，102249；3. 安徽中控儀表有限公司，安徽池州，247210)

針對(duì)目前污水處理廠缺乏有效監(jiān)管，運(yùn)行效率低、運(yùn)行模式粗放等現(xiàn)狀，搭建基于物聯(lián)網(wǎng)的污水處理智能管控系統(tǒng)。本文闡述了污水處理智能管控系統(tǒng)WTSmart的系統(tǒng)架構(gòu)及系統(tǒng)功能。重點(diǎn)研究了如何應(yīng)用WTSmart系統(tǒng)對(duì)污水處理廠工藝生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集，污水處理運(yùn)行的生產(chǎn)監(jiān)控，解決污水處理信息傳遞脫節(jié)，運(yùn)營(yíng)管理水平不一，重點(diǎn)單元能源消耗大等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)污水處理達(dá)標(biāo)、降低運(yùn)行成本、生產(chǎn)管理水平提升。

污水處理；智能管控；生產(chǎn)監(jiān)控；系統(tǒng)架構(gòu)

1 引言

污水處理行業(yè)是國(guó)家新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一，隨著我國(guó)水務(wù)環(huán)保行業(yè)市場(chǎng)化程度的逐步加大，市場(chǎng)涌現(xiàn)出許多全國(guó)性和區(qū)域性的大型水務(wù)集團(tuán)公司或者大型的污水處理廠。相對(duì)大型水務(wù)集團(tuán)公司，其各個(gè)污水處理廠地域分布廣泛，從而導(dǎo)致集團(tuán)與廠之間容易產(chǎn)生信息傳遞脫節(jié)，而各廠運(yùn)營(yíng)管理水平不一，運(yùn)營(yíng)管理人才短缺，且重點(diǎn)單元能源消耗大，這些問(wèn)題日益突出，從而使得水務(wù)集團(tuán)公司迫切需要進(jìn)行集約化管理，來(lái)實(shí)現(xiàn)企業(yè)資源的合理配置；針對(duì)大型的污水處理廠，如何提高污水處理的運(yùn)行效率，降低能耗、提高污水的出水達(dá)標(biāo)率是提高污水處理企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)重要辦法。

因此，面對(duì)這些嚴(yán)重阻礙集團(tuán)及各污水處理廠發(fā)展的問(wèn)題，搭建一個(gè)污水處理智能管控系統(tǒng)平臺(tái)，以提高污水處理管理水平為目標(biāo)，通過(guò)對(duì)各污水處理廠工藝生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集，完成污水處理運(yùn)行的生產(chǎn)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)污水處理工藝的優(yōu)化調(diào)整，解決實(shí)際生產(chǎn)中的問(wèn)題，從而降低水廠運(yùn)行成本，提高水處理達(dá)標(biāo)率。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

WTSmart污水處理智能管控系統(tǒng)是在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程智能iPES[1]系統(tǒng)平臺(tái)上配置的一個(gè)行業(yè)應(yīng)用。 WTSmart污水處理智能管控系統(tǒng)圍繞數(shù)據(jù)采集傳輸（數(shù)據(jù)源）、數(shù)據(jù)庫(kù)、組件配置與數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用三層來(lái)構(gòu)建。該系統(tǒng)是一套以工業(yè)生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，以提高污水處理管理水平為目標(biāo)，通過(guò)對(duì)污水處理廠工藝生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集，完成污水處理運(yùn)行的生產(chǎn)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)污水處理工藝的優(yōu)化調(diào)整，解決實(shí)際生產(chǎn)中的問(wèn)題，從而降低水廠運(yùn)行成本，提高水處理達(dá)標(biāo)率。該系統(tǒng)集組態(tài)監(jiān)控、生產(chǎn)監(jiān)控[2]、工程分析、設(shè)備管理、生產(chǎn)運(yùn)維[3]、工況診斷[4]、優(yōu)化決策、綜合評(píng)價(jià)[4]、專家知識(shí)庫(kù)、智能移動(dòng)終端等功能于一體，保障污水處理日常運(yùn)行的的安全、高效、節(jié)能、環(huán)保。如圖1所示，為WTSmart污水處理智能管控系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖1 WTSmart污水處理智能管控系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 數(shù)據(jù)采集傳輸層

通過(guò)安裝在粗格柵、提升泵房、曝氣池等工藝區(qū)間的機(jī)泵、流量計(jì)等智能設(shè)備并獲取電機(jī)電流、電壓、不同污水水源下的含量、各種能耗、物耗和進(jìn)、出廠水流量的計(jì)量和累計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程設(shè)備工況和工藝流程狀況監(jiān)測(cè)等，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)直接存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)、組件配置層

以數(shù)據(jù)管理、公共組件配置、模塊集成、系統(tǒng)部署為步驟進(jìn)行系統(tǒng)平臺(tái)搭建，配置的應(yīng)用系統(tǒng)具有模塊高擴(kuò)展性和應(yīng)用功能高定制性，既可滿足生產(chǎn)監(jiān)控要求，也可滿足不同用戶進(jìn)行深化應(yīng)用的個(gè)性化需求。

2.3 數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用層

應(yīng)用層是將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給用戶或處理用戶輸入的應(yīng)用程序或系統(tǒng)一部分。以提高污水處理生產(chǎn)管理水平為目標(biāo)，完成集污水生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控、生產(chǎn)參數(shù)監(jiān)控、污水處理能力分析評(píng)估、水質(zhì)達(dá)標(biāo)率分析評(píng)估、污水處理工況診斷、工程分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、智能控制、設(shè)備管理、生產(chǎn)運(yùn)維、指標(biāo)評(píng)價(jià)（KQI）等功能的開(kāi)發(fā)與綜合應(yīng)用，從而保障污水處理的安全、高效、節(jié)能、環(huán)保。

3 生產(chǎn)監(jiān)控功能介紹

本文重點(diǎn)介紹WTSmart系統(tǒng)對(duì)污水處理廠工藝生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集，污水處理運(yùn)行的生產(chǎn)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)污水處理達(dá)標(biāo)、降低運(yùn)行成本、生產(chǎn)管理水平提升。

3.1 污水處理工藝采集內(nèi)容及方法

污水處理工藝整個(gè)過(guò)程為通過(guò)粗格柵的原污水經(jīng)過(guò)污水提升泵提升后，經(jīng)過(guò)格柵或者砂濾器，之后進(jìn)入沉砂池，經(jīng)過(guò)砂水分離的污水進(jìn)入初次沉淀池，初沉池的出水進(jìn)入生物處理設(shè)備，有活性污泥法和生物膜法，(其中活性污泥法的反應(yīng)器有曝氣池，氧化溝等，生物膜法包括生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、生物接觸氧化法和生物流化床)，生物處理設(shè)備的出水進(jìn)入二次沉淀池，二沉池的出水經(jīng)過(guò)消毒排放或者進(jìn)入三級(jí)處理，三級(jí)處理包括生物脫氮除磷法，混凝沉淀法，砂濾法，活性炭吸附法，離子交換法和電滲析法。二沉池的污泥一部分回流至初次沉淀池或者生物處理設(shè)備，一部分進(jìn)入污泥濃縮池，之后進(jìn)入污泥消化池，經(jīng)過(guò)脫水和干燥設(shè)備后，污泥被最后利用。

污水處理廠需要保持24 h不間斷運(yùn)行，污水處理各類建筑物分布區(qū)域較廣，因此，污水處理數(shù)據(jù)采集采用“集中管理、分散控制”的原則控制布局，前端通過(guò)PLC采集各區(qū)域的數(shù)據(jù)信息，如粗格柵、提升泵、曝氣池等，并最終匯到監(jiān)控中心進(jìn)行集中管理。針對(duì)污水處理工藝，主要監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)如表1所示。

表1 污水處理工藝監(jiān)控參數(shù)

3.2 生產(chǎn)監(jiān)控

目前很多大型的污水處理廠內(nèi)部都存在著信息孤島的問(wèn)題，格柵井、沉沙池、生化池、二沉池、污泥回流池、高密沉淀池、消毒池、脫泥間、風(fēng)機(jī)組、加藥間、清水池等每個(gè)工藝流程的信息化都是獨(dú)立存在的，并沒(méi)有統(tǒng)一的平臺(tái)將其整合。

WTSmart系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，系統(tǒng)以污水處理企業(yè)現(xiàn)有或新建的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)為采集源，通過(guò)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)以及數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)從前端各區(qū)域PLC中自動(dòng)、實(shí)時(shí)地將生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

3.2.1 組態(tài)監(jiān)控

WTSmart系統(tǒng)采用上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控污水處理工藝流程的各個(gè)區(qū)域，通過(guò)組態(tài)監(jiān)控軟件對(duì)整個(gè)污水處理系統(tǒng)中各生產(chǎn)流程、各工藝設(shè)備節(jié)點(diǎn)的所有動(dòng)態(tài)進(jìn)行畫面與數(shù)據(jù)的集中可視化展示；異常報(bào)警給后臺(tái)監(jiān)控人員以及管理人員進(jìn)行展示。

整個(gè)污水處理系統(tǒng)工藝中有格柵井、沉沙池、生化池、二沉池、污泥回流池、高密沉淀池、消毒池、脫泥間、風(fēng)機(jī)組、加藥間、清水池等處理單元，包括機(jī)械格柵、提升泵、攪拌機(jī)、羅茨鼓風(fēng)機(jī)、加藥泵、溶藥裝置、污泥螺桿泵等電機(jī)設(shè)備，有近20個(gè)變量；在上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控界面中在可視化展示、報(bào)警展示功能應(yīng)用的情況下還可以進(jìn)行設(shè)備控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)及曲線、報(bào)表輸出等多個(gè)功能的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)能耗管控的功能。XXX城市污水處理廠組態(tài)監(jiān)控如圖2所示。

圖2 XXX城市污水處理廠組態(tài)監(jiān)控

3.2.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

WTSmart系統(tǒng)完成生產(chǎn)過(guò)程主要參數(shù)（不同污水水源下的含量、各種能耗、物耗和進(jìn)、出廠水流量的計(jì)量和累計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程設(shè)備工況和工藝流程狀況監(jiān)測(cè)等）的采集；使企業(yè)各級(jí)人員隨時(shí)掌握生產(chǎn)運(yùn)行情況。

? 自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和監(jiān)控污水企業(yè)自控系統(tǒng)中的在線儀表、設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)；

污水處理廠通過(guò)PLC系統(tǒng)采集和控制均質(zhì)調(diào)節(jié)池、再生池、沉淀池、水解池、好氧池、二沉池、污泥脫水、消毒、一級(jí)處理的所有設(shè)備及傳感器。PLC間數(shù)據(jù)通過(guò)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。操作人員通過(guò)組態(tài)軟件向PLC發(fā)出相應(yīng)的控制指令后，由PLC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行直接控制。此時(shí)即便上位機(jī)出現(xiàn)故障（如死機(jī)、掉電等），也不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，這樣做大大提高了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。圖3污水處理工藝流程圖。

圖3 污水處理工藝流程圖

? 企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行情況實(shí)時(shí)圖形化展示，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程查看；系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，可通過(guò)Web瀏覽器直接訪問(wèn)。如圖4為污水處理提升泵運(yùn)行狀態(tài)圖。

圖4 污水處理提升泵運(yùn)行狀態(tài)圖

? 歷史生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)可隨時(shí)進(jìn)行快速查找和查看，并具有報(bào)表自動(dòng)生產(chǎn)功能；

? 生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)可通過(guò)柱狀圖、餅圖、曲線圖等效果進(jìn)行直觀對(duì)比；圖5為污水處理生產(chǎn)運(yùn)行總成本核算圖。

圖5 污水處理生產(chǎn)運(yùn)行總成本核算圖

? 自動(dòng)監(jiān)視各類生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)異常實(shí)時(shí)報(bào)警；

? 報(bào)警處理過(guò)程及處理結(jié)果可進(jìn)行跟蹤和記錄；

? 歷史報(bào)警信息可進(jìn)行查詢、匯總及統(tǒng)計(jì)分析；

? 可編寫報(bào)警處理預(yù)案，為報(bào)警處理提供參考，提高處理效率；

? 生產(chǎn)運(yùn)行報(bào)表信息統(tǒng)計(jì)功能，如不同污水水源下的含量、各種能耗、物耗和進(jìn)、出廠水流量的計(jì)量和累計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程設(shè)備工況和工藝流程狀況監(jiān)測(cè)報(bào)表等；

5 結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)介紹了WTSmart污水處理智能管控系統(tǒng)中的生產(chǎn)監(jiān)控功能模塊，并通過(guò)組態(tài)直接展示污水處理各個(gè)工藝流程，解決污水處理信息傳遞脫節(jié)，運(yùn)營(yíng)管理水平不一，重點(diǎn)單元能源消耗大等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了污水處理過(guò)程的快速處理，以及生產(chǎn)管理水平的快速提升。

WTSmart污水處理智能管控系統(tǒng)不僅適用于大型的水務(wù)集團(tuán)公司，也適用于各個(gè)污水處理廠，該系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)以及大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，將各個(gè)污水處理廠前端的各個(gè)污水處理工藝的運(yùn)行情況集中在云平臺(tái)上進(jìn)行綜合運(yùn)維分析處理，最終實(shí)現(xiàn)污水處理工藝的優(yōu)化調(diào)整，解決實(shí)際生產(chǎn)中的問(wèn)題，降低水廠運(yùn)行成本，提高污水處理達(dá)標(biāo)率。

[1] 吳光軍, 檀晨, 毛軍軍, 李小民. 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程智能系統(tǒng)IPES的研究及應(yīng)用[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì), 2016, 5(2):52-55.

[2] 檀朝東, 楊若谷等. 油氣水井生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)iPES的技術(shù)研究[J]. 中國(guó)石油與化工，2012, 3, 64-67.

[3] 檀朝東, 張恒汝, 馬永忠, 楊兵, 王輝萍. 油氣生產(chǎn)大數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)的研究及應(yīng)用[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì), 2016, 5(1): 49-52.

[4] 羅印升, 李人厚等. 復(fù)雜工業(yè)過(guò)程中數(shù)據(jù)挖掘模型研究[J]. 信息與控制.2003, 32(1):35-31.

[5] 廖俊. 基于B/S模式的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究及軟件實(shí)現(xiàn)[D].西南交通大學(xué), 2006.

[6] 李玉梅. 動(dòng)態(tài)WEB數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用研究[D]. 昆明理工大學(xué), 2001.

[7] 喻火亮. 智慧污水管理綜合應(yīng)用平臺(tái)的構(gòu)想和實(shí)現(xiàn)[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào), 2015,(30):162-163.

[8] 李彥, 馬麗輝. 污水處理企業(yè)信息化建設(shè)淺析[J]. 西南給排水, 2009, (02): 40-43.

[9] 楊斌. 信息化管理技術(shù)提高污水處理企業(yè)運(yùn)營(yíng)管理水平[A]. 全國(guó)給水排水技術(shù)信息網(wǎng). 2011全國(guó)給水排水技術(shù)信息網(wǎng)年會(huì)暨技術(shù)交流會(huì)論文集[C]. 全國(guó)給水排水技術(shù)信息網(wǎng):, 2011:3.

[10] 高峰. 污水處理信息綜合管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[J]. 城鄉(xiāng)建設(shè), 2008, (10): 69-70.

[11] 葛守飛, 濮文虹, 李振宇, 王璐瑋. 污水處理工藝選擇決策支持系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J]. 工業(yè)用水與廢水, 2005, (05): 9-12.

IOT Related Production Monitoring System of Sewage Treatment

YANG Jiancun1, WU Guangjun2*, LIU Ping2, LI Xiaoming3, QIU Xingxing3

(1. Sinopec Shengli Oilfield Branch, Shangdong Dongying 257061; 2. China; Beijing SmartCon Technology Research Institute Co., Ltd, Beijing 102249, China; 3. Anhui FirstCon Instrument Co., Ltd, Anhui 247210, China)

For the current situations of non-effective supervision, low operation efficiency and extensive running mode in water group companies, the system structure and system functions of WTSmart is expounded in this system. We focus on using the functions of data acquisition and production monitoring in WTSmart system to solve the problems such as disconnection in information transfer, different levels in operation management and large energy consumption in key units and to realize the water treatment passing rate improved, the operation cost of the sewage plan reduced and the level of production management enhanced.

sewage treatment; smart monitoring and control; production monitoring; system structure

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.01.10

X799.3

A

1672-9129(2017)01-0037-04

2017-01-09；

2017-01-18。

楊建村，男，中石化勝利油田分公司，東辛采油廠，營(yíng)二作業(yè)區(qū)。吳光軍（1985-），男，安徽池州，安徽理工大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，研究方向：工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程及自動(dòng)化控制。劉萍（1991-），女，湖北荊門，研究方向：大數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用。李小民（1985-），男，安徽安慶，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，研究方向：工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程及自動(dòng)化控制。仇興興（1989-），男，安徽安慶，黃山學(xué)院，研究方向：工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程及自動(dòng)化控制。E-mail：541403412@qq.com