村鎮(zhèn)污水處理設(shè)施遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

顏秀勤，韋啟信，楊 超，祝 磊，李鵬峰

（1.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300074；2.江蘇一環(huán)集團有限公司，江蘇 宜興 214206）

0 引 言

我國村鎮(zhèn)污水處理設(shè)施規(guī)模小、數(shù)量多、分布廣，普遍存在專業(yè)運行人員缺乏、運行管理不到位的問題，加之位置偏遠、分散，往往不能派遣人員長期駐守去監(jiān)管污水處理站的運行情況，發(fā)生運行故障和突發(fā)事故時難以得到及時反饋和應(yīng)對，導致大部分現(xiàn)有村鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的實際運行狀況達不到預(yù)期效果[1-3]。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)是實現(xiàn)設(shè)施無人值守的有效途徑。我國應(yīng)用于城鎮(zhèn)污水處理廠的實時監(jiān)控技術(shù)和經(jīng)驗已較為成熟，而針對村鎮(zhèn)地區(qū)較為分散的小型污水處理設(shè)施的遠程監(jiān)控尚處于起步發(fā)展階段。隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為核心的遠程監(jiān)控技術(shù)在環(huán)保行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[4-5]，特別是地理位置偏遠、地形條件復(fù)雜的村鎮(zhèn)地區(qū)，遠程監(jiān)控系統(tǒng)的采用可以提高污水處理設(shè)施的運營管理效率，有效保障設(shè)施的長效穩(wěn)定運行，同時有利于實現(xiàn)集約式運維管理，降低運營成本[6]。以我國華北地區(qū)某村鎮(zhèn)污水處理設(shè)施為對象，構(gòu)建基于GPRS（通用分組無線服務(wù)）和Internet網(wǎng)絡(luò)平臺的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸速度快，是目前國內(nèi)工業(yè)級應(yīng)用的主要通信傳輸手段之一，被廣泛應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域中遠程監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建?；贕PRS的遠程監(jiān)控系統(tǒng)可充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)建設(shè)且按流量計費，實施方便、建設(shè)和運行成本低[7-9]，非常適合于村鎮(zhèn)地區(qū)污水處理設(shè)施的運行監(jiān)管。

根據(jù)研究對象的特點，建立村鎮(zhèn)污水處理站遠程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖1所示。遠程監(jiān)控系統(tǒng)具有如下主要功能：

（1）可以通過終端設(shè)備遠程實時監(jiān)控站點運行情況；

（2）對污水處理站點的數(shù)據(jù)進行采集、記錄、監(jiān)測、報警；

（3）根據(jù)監(jiān)測反饋信息，對運行工況進行遠程操作、控制。

圖1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)可分為三層[10-11]：

（1）信息感知層：采用現(xiàn)場監(jiān)測儀器儀表，對流量、水溫、水質(zhì)、視頻信息等進行實時信息采集。

（2）網(wǎng)絡(luò)通信層：采集后的信號以標準工業(yè)電信號上報綜合信息采集器。綜合信息采集器可外接多路模擬量、數(shù)字量傳感器探頭，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換，最終將水量、水質(zhì)、水溫等監(jiān)測信號和設(shè)備狀態(tài)信號、電力信號等通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控管理服務(wù)器。

（3）監(jiān)控應(yīng)用層：管理人員利用智能手機、平板電腦、筆記本電腦、PC機等電子設(shè)備，通過互聯(lián)網(wǎng)或移動互聯(lián)網(wǎng)隨時可接入系統(tǒng)服務(wù)器，接收現(xiàn)場信息，進行遠程實時數(shù)據(jù)和實時曲線圖查看、歷史數(shù)據(jù)查詢等操作，了解掌握設(shè)施運行情況。根據(jù)設(shè)施運行狀況，在需要時適時調(diào)整工藝設(shè)備運行工況。同時根據(jù)反饋的報警、提醒等信息，遠程控制現(xiàn)場設(shè)備停止運行或啟動備用設(shè)備運行。

在上述網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架下，運行管理人員和站點設(shè)備儀表之間通過計算機網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)，通過集中運營監(jiān)控平臺可以實現(xiàn)多站點的集約式運維管理。污水處理站可按自動化模式運行，除定期進行巡檢和對設(shè)備進行常規(guī)檢測維護外，平時可無人值守。由一家專業(yè)運營機構(gòu)采用集約式運維管理模式管理幾個甚至幾十個污水處理站，可以更加充分地整合人力資源、技術(shù)資源和物資資源，在人員管理、生產(chǎn)管理和物品管理等環(huán)節(jié)提升水平和效率[6]。

2 硬件設(shè)備配置

2.1 系統(tǒng)硬件組成

污水處理站遠程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成如圖2所示，可分為站點現(xiàn)場硬件和遠程監(jiān)控中心硬件兩部分。安裝在污水處理站現(xiàn)場的硬件設(shè)備主要包括輸出開關(guān)信號的設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測儀和輸出模擬信號的流量計、水位計、溫度計等監(jiān)測儀以及自動控制設(shè)備和信息采集與傳輸設(shè)備。一個功能齊全的監(jiān)控管理中心機房需要配置服務(wù)器、計算機等硬件設(shè)備。

圖2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成

近年來，一些高科技公司依靠其在信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理方面的強大能力，以在線公共服務(wù)的方式提供公有云服務(wù)。相比自建監(jiān)控中心機房，此方式投入成本低、實施快，但在運行安全性、長效性等方面可能存在一定的風險。如果沒有條件或經(jīng)濟實力建設(shè)獨立的村鎮(zhèn)污水處理站監(jiān)控中心機房，可以采用此類提供公共服務(wù)的云計算平臺，監(jiān)控中心只需配置常規(guī)的計算機和移動設(shè)備等終端設(shè)備即可。

2.2 站點硬件設(shè)備

實施遠程監(jiān)控的污水處理站點需要具備數(shù)據(jù)信息的監(jiān)測、監(jiān)控與采集，以及GPRS組網(wǎng)等方面的功能。相應(yīng)需要的硬件設(shè)備主要有：主控模塊、信息傳輸模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、現(xiàn)場儀表、攝像頭監(jiān)控設(shè)備等。

2.2.1 可編程控制器

PLC是遠程監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)控站點需設(shè)置的主控模塊設(shè)備。PLC是專門設(shè)計用于工業(yè)自動化控制的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)與微型計算機相同，由電源單元、中央處理器單元（CPU）、存儲器單元、輸入輸出單元（I/O）、功能模塊和通信模塊組成。在PLC上融合了繼電器、接觸器控制技術(shù)與微型計算機技術(shù)，可以編制程序，存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、算術(shù)運算及計時、計數(shù)等操作指令，同時可以從現(xiàn)場接收開關(guān)量和模擬量信號，按照控制功能進行運算，通過數(shù)字量或模擬量的輸入、輸出對工藝運行過程進行控制[12]。

污水處理站采用PLC不僅可實現(xiàn)邏輯和順序控制、模擬控制、信號聯(lián)鎖等功能，還可作為下位機，與數(shù)據(jù)采集和無線傳輸設(shè)備通信，通過數(shù)據(jù)處理和信息交互并上傳監(jiān)控云平臺，實現(xiàn)對運行過程的遠程信息控制和管理。

2.2.2 信號采集模塊和GPRS無線傳輸模塊

信號采集模塊可用于采集現(xiàn)場儀表的監(jiān)測信息和現(xiàn)場設(shè)備的運行信息數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)按照自定義協(xié)議格式以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給GPRS無線傳輸模塊。GPRS無線傳輸模塊是一種工業(yè)級無線數(shù)據(jù)通信終端，內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議，利用GSM 移動通信網(wǎng)絡(luò)的短信息和GPRS業(yè)務(wù)為用戶提供超遠距離的數(shù)據(jù)傳輸。GPRS無線傳輸模塊將采集到的數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心服務(wù)器，同時也接收服務(wù)器下發(fā)的指令，回傳到站點主控模塊，實現(xiàn)對站點運行情況的遠程監(jiān)控。監(jiān)控中心服務(wù)器可根據(jù)每個GPRS無線傳輸模塊內(nèi)含的ID，判斷數(shù)據(jù)的來源[8]，據(jù)此，監(jiān)控人員可以實時掌握多個站點信息。

2.2.3 現(xiàn)場儀器和設(shè)備

（1）監(jiān)測儀器

村鎮(zhèn)污水處理站需要從工藝技術(shù)選擇、運行過程控制和設(shè)施建設(shè)角度出發(fā)，充分考慮村鎮(zhèn)所處的經(jīng)濟基礎(chǔ)和環(huán)境條件以及人力、物力因素，特別是村級污水處理站，現(xiàn)場監(jiān)控儀器儀表的設(shè)置不易過繁過多。根據(jù)工藝和管理要求的不同，每個污水處理站配置的現(xiàn)場監(jiān)控儀器儀表有所不同。通常設(shè)置有進出水流量計、液位計、溫度計。其他高標準的配置有DO儀、水質(zhì)監(jiān)測儀（COD、氨氮等常規(guī)指標）等。

（2）運行設(shè)備

不同的污水處理站有不同的處理工藝技術(shù)路線和單元模塊配置。根據(jù)工藝的不同，每個污水處理站配置的設(shè)備也不同，通常有水泵、風機、攪拌器、電動閥門等。

2.2.4 監(jiān)控攝像頭

目前，監(jiān)控攝像技術(shù)和設(shè)備較為成熟，費用不高。從輔助工藝運行調(diào)控和安全生產(chǎn)的角度出發(fā)，在有條件的污水處理站點可設(shè)置監(jiān)控攝像頭。監(jiān)控攝像頭的選擇需要考慮的因素包括監(jiān)控場所和被攝物體大小、放置地點環(huán)境條件、對成像清晰度的要求、使用場所安裝條件及安裝方式等。

2.3 控制與通信系統(tǒng)配置實例

華北地區(qū)某村鎮(zhèn)污水處理站建設(shè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，主控模塊采用標準ModbusRTU協(xié)議的PLC模塊。PLC選用DVP-08SM，自帶4個模擬量輸入，分別接入流量計信號和溫度信號。開關(guān)信號分別接自進水泵、曝氣池風機、反應(yīng)池攪拌器、電動閥等設(shè)備。圖3所示為PLC程序設(shè)計梯形圖。

圖3 PLC程序設(shè)計梯形圖

采用GPRS網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸工作。污水處理站的現(xiàn)場儀表輸出信號有RS 485信號和4～20 mA電流信號，因為需要與現(xiàn)場的儀表通信，故在底層執(zhí)行端中配置了與現(xiàn)場儀表通信接口相同的信號接口。同時，預(yù)留一個脈沖信號接口和一個RS 232接口，以匹配不同的儀器儀表。

選用iWaterBox傳輸模塊，其規(guī)格和性能參數(shù)如圖4所示。該傳輸模塊支持主流品牌PLC常用公有協(xié)議和Modbus協(xié)議，通過以太網(wǎng)將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)主動傳回指定的公網(wǎng)服務(wù)器，同時也可以接收服務(wù)器端下發(fā)的控制指令傳回給PLC或者單片機，實現(xiàn)遠程控制。iWaterBox可以匹配采集多種控制器（不同品牌PLC、單片機等）數(shù)據(jù)，做到數(shù)據(jù)采集標準化、模塊化安裝，且支持后續(xù)增加支持類型。

圖4 iWaterBox傳輸模塊規(guī)格和性能參數(shù)

當后臺數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器發(fā)生故障或網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時，設(shè)置在站點的通信設(shè)備能持續(xù)采集數(shù)據(jù)并暫存在通信設(shè)備的存儲器內(nèi)，可存儲約3個月的數(shù)據(jù)，存儲量可通過增加存儲卡擴充。

3 運行過程控制

保持污水處理站的正常穩(wěn)定運行需要對工藝運行的各個環(huán)節(jié)進行綜合調(diào)節(jié)和控制，涉及對污水處理過程的實時監(jiān)控和調(diào)度管理。技術(shù)力量薄弱的村鎮(zhèn)地區(qū)實現(xiàn)污水處理系統(tǒng)的自動化、程序化運行，可以很大程度上降低人為操作對工藝穩(wěn)定運行的影響，實現(xiàn)無人值守下的精細化管理。

污水處理站的運行自動控制主要通過PLC主控模塊、信息采集傳輸模塊、電源模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、現(xiàn)場監(jiān)測儀器儀表等設(shè)備，依據(jù)一定的時間順序和邏輯關(guān)系實現(xiàn)。對于規(guī)模較小的污水處理設(shè)施而言，特別是建于村鎮(zhèn)地區(qū)的污水處理設(shè)施，不可能設(shè)置過多的在線監(jiān)測儀表，控制系統(tǒng)中開關(guān)量多、模擬量少，過程控制以邏輯程序控制為主，閉合回路控制為輔。以達到預(yù)期的處理效果和出水水質(zhì)要求為目標，建立工藝運行過程控制策略，使污水處理站在正常狀態(tài)下正常運行，實現(xiàn)自動操作和自動調(diào)節(jié)；在非正常狀態(tài)下自動報警和自動保護。通過設(shè)置污水處理站自動控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)現(xiàn)場/遠程操作控制、故障報警、信息或信號顯示、數(shù)據(jù)管理等功能。

在遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計和實施中考慮了遠程與現(xiàn)場控制的切換。遠程通過網(wǎng)絡(luò)給PLC輸入控制信號控制設(shè)備開?；蛘{(diào)整控制參數(shù)范圍，現(xiàn)場通過面板按鈕給PLC輸入控制信號控制設(shè)備開?；蛟O(shè)置控制參數(shù)。為防止遠程/現(xiàn)場同時操控造成控制邏輯混亂，設(shè)計一個遠程控制阻斷開關(guān)，現(xiàn)場操作時，將遠程控制阻斷開關(guān)設(shè)為開，則無法向PLC輸入控制信號；待現(xiàn)場操作完畢后，遠程阻斷開關(guān)設(shè)為關(guān)，此時可以控制設(shè)備開停。遠程控制阻斷開關(guān)不影響反饋信號的傳輸，遠程終端始終可以監(jiān)視設(shè)備狀態(tài)。

4 結(jié) 語

遠程監(jiān)控系統(tǒng)整合了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、無線遠程傳輸、數(shù)據(jù)存儲、運行控制、APP客戶端等功能，可實現(xiàn)污水處理站專業(yè)化、規(guī)范化的運營管理，除定期或不定期巡查外，平時無需人值守，大大節(jié)約了人力成本。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)可與處理設(shè)施第三方運營相結(jié)合，形成集約化運營管理模式。將多個相鄰污水處理站交由同一家專業(yè)運營機構(gòu)進行統(tǒng)一管理，可實現(xiàn)人力資源、技術(shù)資源和物質(zhì)資源共享，達到提高運維效率、降低運行成本的目的，是提升村鎮(zhèn)污水處理站運行管理水平、保持污水處理設(shè)施長效運行的有效途徑。