淺談無(wú)人值守系統(tǒng)在污水處理廠的應(yīng)用

郝 華，孫海波，馬建彬，宋 頡

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津300381）

目前，污水處理廠的自動(dòng)化運(yùn)行程度越來(lái)越高，很多大型的污水處理廠已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)、控制、調(diào)節(jié)和保護(hù)。這在提高生產(chǎn)力、提高管理水平、降低人工成本等方面起到了決定性作用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，在自動(dòng)化運(yùn)行基礎(chǔ)上逐漸增加了無(wú)人值守系統(tǒng)。無(wú)人值守系統(tǒng)通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的整合，經(jīng)過(guò)二次開(kāi)發(fā)使得辦公逐漸無(wú)紙化，值班人員只需通過(guò)手機(jī)App便能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況一目了然，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)算能夠做到提前預(yù)判，預(yù)防不必要的風(fēng)險(xiǎn)；實(shí)現(xiàn)設(shè)備的集中、高效管理，解決設(shè)備管理多雜、分散的困境；規(guī)范統(tǒng)計(jì)設(shè)備基本信息、存量等，使得設(shè)備統(tǒng)一管理、調(diào)配；定時(shí)提醒設(shè)備維修、養(yǎng)護(hù)工作規(guī)劃的制定，提高工作效率；視頻移動(dòng)偵測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)入侵并報(bào)警[1-3]。整個(gè)系統(tǒng)可以自動(dòng)操作、分析和打印，大大減少了人為因素造成的錯(cuò)誤，為業(yè)主節(jié)省人工勞動(dòng)成本，提高了生產(chǎn)效率。在此介紹無(wú)人值守系統(tǒng)在污水處理廠的應(yīng)用。

1 無(wú)人值守系統(tǒng)描述

無(wú)人值守系統(tǒng)要求：現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)備可靠運(yùn)行，故障率低；全部工藝設(shè)備必須采用電動(dòng)裝置可遠(yuǎn)控；自控儀表系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施健全，所有現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表及設(shè)備數(shù)據(jù)能夠上傳至中央控制系統(tǒng)，并且能夠?qū)υO(shè)備發(fā)出控制命令；安防系統(tǒng)健全，能夠?qū)崟r(shí)上傳監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

污水處理廠的無(wú)人值守系統(tǒng)硬件和軟件是根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況提出的。它整合全廠自控儀表系統(tǒng)、工藝建模與優(yōu)化及精確曝氣控制系統(tǒng)、趨勢(shì)及報(bào)表系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、突發(fā)情況和故障處理預(yù)案系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)的綜合監(jiān)管系統(tǒng)。該系統(tǒng)能將人工工作量降到最低，從而實(shí)現(xiàn)污水處理廠無(wú)人化管理。

通過(guò)對(duì)各子系統(tǒng)的整合，無(wú)人值守系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的容錯(cuò)能力。在污水處理廠生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生各種故障或緊急或重大事件時(shí)，系統(tǒng)能夠第一時(shí)間響應(yīng)并自動(dòng)給出合理解決策略，從而保障污水處理廠生產(chǎn)的平穩(wěn)性，并達(dá)到無(wú)人或者少人值守功能。

常規(guī)的污水處理廠基本運(yùn)行和監(jiān)控軟件功能已健全，下面詳述在無(wú)人值守的要求下，新增的硬件系統(tǒng)和軟件功能目標(biāo)。

1.1 移動(dòng)App及巡檢系統(tǒng)

開(kāi)發(fā)移動(dòng)App應(yīng)用，可以在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)、歷史曲線的查看，功能包括工藝監(jiān)控查看、歷史數(shù)據(jù)、能耗分析等。系統(tǒng)應(yīng)基于移動(dòng)巡檢終端和無(wú)線傳輸技術(shù)，對(duì)巡檢人員在指定巡檢位置的巡檢行為進(jìn)行記錄。企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)及相關(guān)負(fù)責(zé)人，可通過(guò)管理終端第一時(shí)間收到巡檢記錄；實(shí)時(shí)跟蹤巡檢軌跡，查看每日巡檢記錄，并查看巡檢人員的周/月考勤表，巡檢人員的績(jī)效對(duì)比結(jié)果等。保證巡檢人員及時(shí)，合規(guī)完成巡檢任務(wù)，保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

當(dāng)設(shè)備和工況發(fā)生報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)同時(shí)將以短信的形式發(fā)送給運(yùn)行人員和主要管理人員，方便及時(shí)了解運(yùn)行狀況，使相關(guān)人員第一時(shí)間了解報(bào)警信息，及時(shí)處理問(wèn)題。報(bào)警可以單獨(dú)設(shè)置值班人員、報(bào)警重復(fù)次數(shù)、報(bào)警延時(shí)、報(bào)警間隔等。

1.2 值班運(yùn)行人員移動(dòng)終端

當(dāng)值班運(yùn)行人員離開(kāi)中控室，在各車間現(xiàn)場(chǎng)巡查時(shí)，可以手持移動(dòng)終端，隨時(shí)隨地了解全廠的運(yùn)行工況情況。該系統(tǒng)在全廠運(yùn)行監(jiān)控范圍內(nèi)需配置內(nèi)部私網(wǎng)無(wú)線AP，并增配幾臺(tái)移動(dòng)終端iPad，可以通過(guò)無(wú)線的方式登錄定制的監(jiān)控畫(huà)面，方便操作人員實(shí)時(shí)實(shí)地監(jiān)測(cè)全廠運(yùn)行工況，掌握全廠情況，并可以操作和控制各個(gè)設(shè)備的開(kāi)停。同時(shí)，在iPad上還可以隨時(shí)接受報(bào)警信息，便于緊急處理。

1.3 遠(yuǎn)程登錄

Web服務(wù)器提供用戶認(rèn)證及用戶認(rèn)證訪問(wèn)權(quán)限，使高級(jí)管理人員無(wú)論是在家里還是出差在外，都可以遠(yuǎn)程登錄訪問(wèn)到監(jiān)控系統(tǒng)界面，了解生產(chǎn)運(yùn)行情況。非注冊(cè)用戶無(wú)權(quán)登錄到Web服務(wù)器，注冊(cè)用戶權(quán)限分3級(jí)：管理員、控制員、一般用戶。管理員有權(quán)發(fā)送定值命令對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并能夠增刪用戶；控制員有權(quán)發(fā)送控制命令對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制；一般用戶能夠登錄到運(yùn)行界面，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。遠(yuǎn)程登錄系統(tǒng)是利用公網(wǎng)，考慮到安全性，一般只容許監(jiān)視，不做控制。

1.4 預(yù)處理系統(tǒng)的提前預(yù)判軟件

通過(guò)對(duì)各污水處理廠的調(diào)研，許多污水處理廠經(jīng)常會(huì)有突發(fā)的、大量的高濃度污水混入管道中，進(jìn)水污水處理廠，嚴(yán)重超出污水處理廠設(shè)計(jì)處理能力。運(yùn)行人員不易監(jiān)管到，對(duì)預(yù)處理系統(tǒng)和生化池運(yùn)行造成重大影響，如果格柵機(jī)等預(yù)處理設(shè)備正常工況在運(yùn)行，就會(huì)造成粗格柵底部被大量淤泥堵塞，使格柵機(jī)無(wú)法運(yùn)行，只能采用后續(xù)的人工挖泥方法清除淤泥。

為解決這一現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，特增加了預(yù)判軟件。即在進(jìn)水速閉閘的前段增加一臺(tái)污泥濃度計(jì)，信號(hào)接入PLC系統(tǒng)。當(dāng)污泥濃度儀穩(wěn)定檢測(cè)到來(lái)水污泥濃度持續(xù)增加或突然增加時(shí)，則發(fā)出分級(jí)報(bào)警信號(hào)，對(duì)預(yù)處理系統(tǒng)自動(dòng)采取以下分級(jí)運(yùn)行措施：

第1級(jí)報(bào)警污泥濃度高于平常值，但低于設(shè)計(jì)值，增加預(yù)處理各設(shè)備的運(yùn)行數(shù)量。

第2級(jí)報(bào)警污泥濃度高于設(shè)計(jì)值，但低于上限值，各設(shè)備全力運(yùn)行，防止污泥沉積，同時(shí)關(guān)小進(jìn)水閘口。

第3級(jí)報(bào)警污泥濃度高于上限值，超出污水處理廠設(shè)計(jì)能力和工藝現(xiàn)實(shí)，關(guān)閉進(jìn)水速閉閘。

1.5 綜合生產(chǎn)成本管理分析

目前，很多污水處理廠均以商業(yè)投資的形式或者BOT形式運(yùn)行，需要對(duì)污水處理廠處理成本及財(cái)務(wù)狀況實(shí)施有效的管控。

運(yùn)行成本主要構(gòu)成包括總電量、加藥量、總進(jìn)水水量、總出水水量等，這些數(shù)據(jù)在現(xiàn)有的系統(tǒng)里均已經(jīng)采集到。增加綜合成本管理分析，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析、計(jì)算、匯總，形成班、日、月、年的報(bào)表，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)曲線對(duì)比記錄，從而作為管理人員的一個(gè)有效管理手段。它是在線的成本管理分析軟件，非財(cái)務(wù)級(jí)別，不包含人工費(fèi)用，適用于同口徑長(zhǎng)期對(duì)比。

1.6 精確曝氣系統(tǒng)專項(xiàng)管理分析

精確曝氣系統(tǒng)的目的是節(jié)省電費(fèi)和優(yōu)化生物曝氣。由精確曝氣流量控制系統(tǒng)控制柜、系統(tǒng)控制軟件（由曝氣量計(jì)算、曝氣量分配、鼓風(fēng)機(jī)控制、信號(hào)處理等模塊構(gòu)成），對(duì)鼓風(fēng)機(jī)和受控曝氣單元的氣量分配進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。實(shí)際需氣量由現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)受控曝氣單元根據(jù)溶解氧探測(cè)儀、污泥濃度計(jì)、液位、進(jìn)水流量、COD，NH4-N等信號(hào)進(jìn)行計(jì)算；總曝氣量由鼓風(fēng)機(jī)控制模塊向鼓風(fēng)機(jī)主控柜MCP或者控制鼓風(fēng)機(jī)的PLC站發(fā)出指令進(jìn)行調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)能夠適用于多個(gè)流量調(diào)節(jié)閥門(mén)的同時(shí)調(diào)節(jié)，使受控曝氣單元達(dá)到按需曝氣，節(jié)約鼓風(fēng)機(jī)電耗。

1.7 化驗(yàn)管理功能

化驗(yàn)管理功能模塊依據(jù)實(shí)際中化驗(yàn)管理的流程，通過(guò)使用該模塊提供的功能，實(shí)現(xiàn)化驗(yàn)工單電子化管理。該模塊由以下幾部分組成：化驗(yàn)?zāi)K配置、化驗(yàn)計(jì)劃、化驗(yàn)單流轉(zhuǎn)、化驗(yàn)單批量審核、未完成化驗(yàn)單、已完成化驗(yàn)單和化驗(yàn)報(bào)表。

化驗(yàn)管理的操作流程如下：

1）配置化驗(yàn)?zāi)０?不同的模板對(duì)應(yīng)一系列采樣數(shù)據(jù)，即首先要確定化驗(yàn)分析需要采集那些數(shù)據(jù)。

2）發(fā)布化驗(yàn)計(jì)劃 選定化驗(yàn)?zāi)０澹催x定已配置好的待采樣數(shù)據(jù)，設(shè)置采樣周期及時(shí)間間隔，自動(dòng)生成化驗(yàn)工單進(jìn)入化驗(yàn)工單流轉(zhuǎn)，選擇頻率周期為“單次”即立即生成工單，其它情況系統(tǒng)每間隔多少日?qǐng)?zhí)行一次工單自動(dòng)生成操作。

3）化驗(yàn)單流轉(zhuǎn) 運(yùn)行流程是化驗(yàn)員分析水質(zhì)，在系統(tǒng)中填入經(jīng)化驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)結(jié)果；復(fù)核人復(fù)核已填寫(xiě)的化驗(yàn)單，檢查無(wú)誤則復(fù)核通過(guò)；審核人審核已通過(guò)復(fù)核的化驗(yàn)單，審核無(wú)誤則審核通過(guò)該化驗(yàn)單，即完成整個(gè)流轉(zhuǎn)過(guò)程，該化驗(yàn)單生成。

其它功能還有系統(tǒng)提供批量審核已復(fù)核的化驗(yàn)工單功能；可查閱未完成和已完成化驗(yàn)單，查看化驗(yàn)報(bào)告。

1.8 報(bào)警管理系統(tǒng)和水質(zhì)管理信息化

報(bào)警管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工藝運(yùn)行過(guò)程各種異常報(bào)警和智能維保預(yù)警，并通過(guò)短信、微信等多種方式實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息的推送，能夠使相關(guān)負(fù)責(zé)人員盡早發(fā)現(xiàn)異常狀況，采取預(yù)防措施，避免重大事故發(fā)生。進(jìn)水設(shè)立 COD，NH3-N，TP，SS，PH 等監(jiān)控儀表，中間提升泵房設(shè)立SS計(jì)，高效沉淀池后設(shè)立TP計(jì)，定時(shí)采集數(shù)據(jù)并上傳至中控，每天生成生產(chǎn)水質(zhì)報(bào)表。如果出現(xiàn)水質(zhì)異常情況則馬上報(bào)警，并自動(dòng)采取對(duì)應(yīng)問(wèn)題的應(yīng)急操作聯(lián)動(dòng)，當(dāng)班人員接到報(bào)警后核實(shí)異常情況是否屬實(shí)，若屬實(shí)上傳異常數(shù)據(jù)到上級(jí)報(bào)告，若誤報(bào)則可發(fā)送指令恢復(fù)正常運(yùn)行。

2 無(wú)人值守系統(tǒng)對(duì)安防系統(tǒng)、工控系統(tǒng)的要求

一個(gè)完善的無(wú)人值守系統(tǒng)在很大程度上依賴于安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)劃和布局，安防系統(tǒng)應(yīng)做到全廠無(wú)死角。

2.1 周界報(bào)警視頻和電子圍欄系統(tǒng)升級(jí)優(yōu)化

傳統(tǒng)的紅外對(duì)射僅具有報(bào)警功能，而沒(méi)有阻擋功能。入侵者往往能毫無(wú)阻擋地跨越警戒線。當(dāng)有人入侵時(shí)，在系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警之前，就可能已經(jīng)進(jìn)入安防區(qū)域。電子脈沖圍欄系統(tǒng)在防區(qū)的周邊架設(shè)了一道電子圍欄。如果有人企圖入侵，首先看到掛在圍欄上的“小心電子圍欄”警示牌，給予心理上的威懾感。如果企圖跨越當(dāng)觸及圍欄，便給予電擊，使之退縮離開(kāi)，且不敢再次觸及。一旦強(qiáng)行攀登則系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警。再則，電子圍欄采用了帶有彈性的掛線桿。當(dāng)入侵者企圖跨越時(shí)，撓性的圍欄不給予支持力，使入侵者無(wú)法跨越。電子圍欄具有有效阻擋功能，而傳統(tǒng)的紅外對(duì)射則沒(méi)有此類功能。

2.2 工控報(bào)警信號(hào)的視頻聯(lián)動(dòng)軟件

工控系統(tǒng)和視頻信號(hào)系統(tǒng)是相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，將二者進(jìn)行軟件鏈接，提升管理效能。當(dāng)污水處理廠中某臺(tái)設(shè)備發(fā)生報(bào)警信號(hào)時(shí)，攝像機(jī)將在第一時(shí)間對(duì)準(zhǔn)該設(shè)備，同時(shí)其設(shè)備畫(huà)面將在中控室自動(dòng)地以單幅大畫(huà)面的方式彈出，有助于運(yùn)行人員快捷地觀察設(shè)備情況。

視頻監(jiān)控平臺(tái)采用開(kāi)放的通訊接口：

①在視頻業(yè)務(wù)對(duì)接方面，提供開(kāi)放接口，可提供給第三方系統(tǒng)用于開(kāi)發(fā)視頻相關(guān)的功能（如實(shí)時(shí)預(yù)覽、錄像查詢和回放、云臺(tái)控制、報(bào)警接受等）；

②在聯(lián)網(wǎng)協(xié)議對(duì)接方面，支持GB/T28181—2011或DB33/T629—2011標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行通信對(duì)接。自控系統(tǒng)設(shè)備提供設(shè)備報(bào)警信號(hào)，視頻監(jiān)控平臺(tái)通過(guò)協(xié)議接口接入，聯(lián)動(dòng)相關(guān)設(shè)備視頻監(jiān)控圖像，可實(shí)時(shí)觀察設(shè)備運(yùn)行狀況，第一時(shí)間收集有效的信息，針對(duì)無(wú)人值守項(xiàng)目提供很大的便利，減少人員現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理，準(zhǔn)確判斷現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備報(bào)警信息。

2.3 視頻移動(dòng)偵查軟件

由于廠區(qū)工作人員極少，當(dāng)有人進(jìn)入房間時(shí)或者室外攝像區(qū)域，攝像機(jī)可自動(dòng)啟動(dòng)移動(dòng)偵測(cè)，彈出畫(huà)面，提示運(yùn)行人員。對(duì)防止外來(lái)異常人員闖入，可以第一時(shí)間偵測(cè)到。

視頻移動(dòng)偵測(cè)，也稱運(yùn)行檢測(cè)，常用于無(wú)人值守監(jiān)控錄像和自動(dòng)報(bào)警。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)攝像頭按照不同幀率采集得到的圖像，會(huì)被CPU按照一定算法進(jìn)行計(jì)算和比較，當(dāng)畫(huà)面有變化時(shí)，如有人走過(guò)、鏡頭被移動(dòng)，計(jì)算比較結(jié)果得出的數(shù)字會(huì)超過(guò)閥值，且指示系統(tǒng)自動(dòng)作出相應(yīng)的處理。

視頻移動(dòng)偵測(cè)可以降低污水處理廠的人工監(jiān)控成本，并且避免人員長(zhǎng)期值守疲勞導(dǎo)致的監(jiān)察失誤，可以極大地提高監(jiān)控效率和監(jiān)控精度。移動(dòng)偵測(cè)技術(shù)是運(yùn)動(dòng)檢測(cè)錄像技術(shù)的基礎(chǔ)，現(xiàn)已被廣泛使用于網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。常見(jiàn)的移動(dòng)偵測(cè)系統(tǒng)還允許使用者可以自由設(shè)置布防撤防時(shí)間、偵測(cè)的靈敏度、探測(cè)區(qū)域。當(dāng)觸發(fā)時(shí)應(yīng)可聯(lián)動(dòng)錄像、聯(lián)動(dòng)報(bào)警輸出、聯(lián)動(dòng)攝像機(jī)轉(zhuǎn)到相應(yīng)的預(yù)置位，可及時(shí)對(duì)闖入人員進(jìn)行分析管理，有效提供重點(diǎn)場(chǎng)所的監(jiān)管，可第一時(shí)間對(duì)非法闖入人員進(jìn)行處理。

2.4 對(duì)工控系統(tǒng)的要求

隨著自動(dòng)化行業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)在所有的污水處理廠基本上已經(jīng)達(dá)到所有數(shù)據(jù)上傳及中央控制，技術(shù)已經(jīng)完全成熟，已經(jīng)能夠滿足開(kāi)發(fā)無(wú)人值守系統(tǒng)，此處不再列舉。

3 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人值守系統(tǒng)結(jié)合工控系統(tǒng)、安防系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)突發(fā)事故提前做出預(yù)警，及時(shí)通知工作人員。在滿足工藝要求的前提下低功耗運(yùn)行，節(jié)省成本。安防系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，可以降低污水處理廠的人工監(jiān)控成本，能夠避免人員長(zhǎng)期值守疲勞導(dǎo)致的監(jiān)察失誤，可以極大地提高監(jiān)控效率和監(jiān)控精度。

無(wú)人值守系統(tǒng)已經(jīng)在一些污水處理廠中得到了部分實(shí)施，正在朝著無(wú)人或少人值守方向邁進(jìn)。無(wú)人值守系統(tǒng)前期投資小，隨著自動(dòng)化行業(yè)的不斷發(fā)展，在未來(lái)的污水處理廠建設(shè)中，無(wú)人值守作為自動(dòng)化行業(yè)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

[1]袁木林，汪艷紅.無(wú)人值守自動(dòng)化系統(tǒng)在小水電站的應(yīng)用探討[J].吉林水利，2013，33（8）：60-64.

[2]張寶華，李靜，孫毅.無(wú)人值守變電站綜合監(jiān)控系統(tǒng)[J].電力科學(xué)與工程，2009，25（9）：76-78.

[3]趙生崗，鮑惠，趙建立.網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)通信，2007，28（5）：10-14.