基于互聯(lián)網(wǎng)的村鎮(zhèn)污水站集群中控模式的探索

李廣杰

摘 要：為了探尋村鎮(zhèn)污水處理項(xiàng)目長(zhǎng)期可持續(xù)的建設(shè)運(yùn)營(yíng)模式，本文根據(jù)村鎮(zhèn)污水站處理規(guī)模小、站點(diǎn)多、分布分散的特點(diǎn)，在污水站控制系統(tǒng)的架構(gòu)方面進(jìn)行了的探索嘗試，將現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)與當(dāng)前快速發(fā)展日益成熟的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，針對(duì)這類分散分布的小型污水站集群，提出了一種新的“基于互聯(lián)網(wǎng)的集散型中央控制系統(tǒng)”的架構(gòu)方案，并且介紹了方案涉及到的關(guān)鍵技術(shù)問題和解決方法。依托此技術(shù)，在村鎮(zhèn)污水站運(yùn)營(yíng)管理上探索推行“無人值守、區(qū)域中控、巡回檢查、專業(yè)化支持”的集約化管理模式，以提高小型分散污水處理項(xiàng)目的生產(chǎn)自動(dòng)化水平和運(yùn)行管理水平。

關(guān)鍵詞：村鎮(zhèn)污水站集群;互聯(lián)網(wǎng)技術(shù);中控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）06-0032-02

0 引言

傳統(tǒng)污水處理項(xiàng)目建設(shè)的做法是設(shè)立一個(gè)項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)公司，配備經(jīng)理、工藝、設(shè)備、化驗(yàn)、財(cái)務(wù)等管理和技術(shù)人員，下設(shè)運(yùn)行值班班組。但村鎮(zhèn)污水站處理規(guī)模小、而且布點(diǎn)分散，其處理水量一般只有每天幾百立方米，最大每天幾千立方米，如果按照傳統(tǒng)污水處理廠模式進(jìn)行設(shè)計(jì)建造，會(huì)造成人工成本過高，惡化項(xiàng)目投資收益指標(biāo)。而且這類點(diǎn)源往往地處偏遠(yuǎn)，難以吸引和留住高水平值守操作人員，給運(yùn)行穩(wěn)定造成挑戰(zhàn)。探索推進(jìn)村鎮(zhèn)污水處理的無人化管理運(yùn)營(yíng)模式成為研究關(guān)注的方向。

村鎮(zhèn)污水排放的特點(diǎn)是排放的間歇性和水量波動(dòng)大，污水處理工藝以生化過程為主的特點(diǎn)，決定了大量關(guān)鍵的和主要的工藝過程指標(biāo)仍然需要依靠實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)的方式取得，目前并無成熟的自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)和傳感器產(chǎn)品，也沒有公認(rèn)成熟的自動(dòng)化控制算法模型。因此污水處理裝置如果設(shè)計(jì)為完全自主的自動(dòng)控制方式運(yùn)行，沒有人為干預(yù)操作，工藝指標(biāo)的穩(wěn)定是難以保證的，從而會(huì)帶來出水水質(zhì)頻繁超標(biāo)的問題。這對(duì)于出水直接排放至自然水體的項(xiàng)目從環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)控制角度是不可接受的。這個(gè)也是污水處理行業(yè)自動(dòng)化程度落后于制造行業(yè)的原因。

這樣就造成了村鎮(zhèn)污水處理項(xiàng)目實(shí)際落地過程中，獨(dú)立的村鎮(zhèn)污水處理站面臨負(fù)責(zé)任的運(yùn)維方案收益指標(biāo)難以吸引投資和低成本運(yùn)維方案穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放風(fēng)險(xiǎn)難以接受的兩難境地。

為了突破這一難題，探尋村鎮(zhèn)污水處理項(xiàng)目長(zhǎng)期可持續(xù)的運(yùn)營(yíng)管理模式，受小流域治理點(diǎn)源監(jiān)管和一些廠家利用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程技術(shù)支持的啟發(fā)，探索將現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)“集中管理、分散控制”的控制系統(tǒng)構(gòu)建理念與當(dāng)前快速發(fā)展日益成熟的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)構(gòu)架“基于互聯(lián)網(wǎng)的中央控制系統(tǒng)”方案，打破傳統(tǒng)工廠級(jí)中央控制系統(tǒng)的地域空間限制，將若干個(gè)地理位置上分散分布的村鎮(zhèn)污水處理站，通過互聯(lián)網(wǎng)組成為一個(gè)虛擬的污水處理工廠，建設(shè)統(tǒng)一的中央控制系統(tǒng)，各個(gè)村鎮(zhèn)污水處理站的就地控制系統(tǒng)作為中央控制系統(tǒng)的分布式控制站，虛擬工廠涵蓋的地理空間范圍為巡查人員利用交通工具每日巡回檢查可以覆蓋的幾十公里區(qū)域。

1 基于互聯(lián)網(wǎng)的集散型中央控制系統(tǒng)架構(gòu)方案

現(xiàn)代的污水處理工廠普遍使用DCS集散型中央控制系統(tǒng)提高過程控制的自動(dòng)化水平和運(yùn)行管理信息化水平，DCS系統(tǒng)采用“危險(xiǎn)和控制分散、操作和管理集中”的基本設(shè)計(jì)思想，采用多層分級(jí)、合作自治的結(jié)構(gòu)形式?；窘M成部分包括過程控制層、過程管理層以及將它們連接起來的通訊網(wǎng)絡(luò)。

傳統(tǒng)的工業(yè)集散型或分布型控制系統(tǒng)，依賴專門的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。正是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的不斷發(fā)展，使得監(jiān)控層和控制層實(shí)現(xiàn)了空間的上分離，更進(jìn)一步發(fā)展出分布式就地控制站，這些空間上的分離還只是局限在工廠范圍內(nèi)。傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控即遠(yuǎn)程調(diào)度和遙控系統(tǒng)基于專線通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，專線通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需要巨額的投資和漫長(zhǎng)的建設(shè)周期。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展成熟，使得DCS系統(tǒng)監(jiān)控層與控制層實(shí)現(xiàn)突破工廠圍墻的空間分離，利用互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建低成本的工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程中控室成為可能。

實(shí)現(xiàn)“基于互聯(lián)網(wǎng)的集散型中央控制系統(tǒng)”方案的關(guān)鍵就是解決利用互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性和確定性、可靠性、安全性問題。包括互聯(lián)網(wǎng)可能受到的非法入侵，網(wǎng)絡(luò)攻擊、病毒感染造成的網(wǎng)絡(luò)堵塞，互聯(lián)網(wǎng)使用高峰的網(wǎng)絡(luò)擁堵問題等。

以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性主要是由以下幾點(diǎn)來保證：限制通信負(fù)荷、提高帶寬、采用交換式以太網(wǎng)技術(shù)和全雙工通信方式屏蔽固有的CSMA/CD機(jī)制。要集散型中央控制系統(tǒng)保證高可靠性主要靠三方面措施：一是應(yīng)用高可靠性的硬件設(shè)備;二是廣泛采用冗余技術(shù);三是在軟件設(shè)計(jì)上廣泛實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的容錯(cuò)技術(shù)、故障自診斷和自動(dòng)處理技術(shù)等。

污水處理工藝中最基本的生化過程其控制模型的特征是一個(gè)大延時(shí)系統(tǒng)，故其對(duì)于調(diào)節(jié)的響應(yīng)沒有很高的實(shí)時(shí)性要求，互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳送延時(shí)可以滿足遠(yuǎn)程工藝調(diào)整對(duì)操作響應(yīng)時(shí)間的要求。這是我們?cè)陲L(fēng)險(xiǎn)可控的情況下探索污水處理遠(yuǎn)程中控新模式的根本條件。小型污水站集群“基于互聯(lián)網(wǎng)的集散型中央控制系統(tǒng)”架構(gòu)為：監(jiān)控層（位于小型污水站集群區(qū)域服務(wù)中心的中控室上位機(jī)SCADA系統(tǒng)）、控制層（各污水站就地控制系統(tǒng)）和VPN工業(yè)以太網(wǎng)。

1.1 冗余的VPN網(wǎng)絡(luò)

在互聯(lián)網(wǎng)上采用VPN技術(shù)構(gòu)建連接區(qū)域中控室和各污水站的冗余的VPN網(wǎng)絡(luò)。中控室一側(cè)的互聯(lián)網(wǎng)接入方式采用光纖寬帶，需要考慮引入段光纖存在的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。通過采用同時(shí)接入2家電信運(yùn)營(yíng)商的寬帶網(wǎng)絡(luò)，配置冗余的終端路由、交換設(shè)備，服務(wù)器通訊接口冗余，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入端的物理冗余。污水站一側(cè)如果采用4G/5G無線網(wǎng)絡(luò)接入，考慮到基站冗余，不需要額外考慮接入段冗余。電信公網(wǎng)的建設(shè)中已經(jīng)廣泛采用了冗余技術(shù)，依托電信公網(wǎng)構(gòu)建的冗余VPN工控網(wǎng)有不錯(cuò)的冗余性能。相對(duì)于自行建設(shè)維護(hù)的專網(wǎng)，公網(wǎng)因?yàn)橐劳懈訌?qiáng)大、專業(yè)的電信運(yùn)營(yíng)商團(tuán)隊(duì)，可靠性保障更高，故障恢復(fù)更迅速。

VPN網(wǎng)絡(luò)采用MPLS和IPsec融合的組網(wǎng)模式，實(shí)現(xiàn)MPLS對(duì)等模型的帶寬優(yōu)先權(quán)和QoS保證能力與IPsec的認(rèn)證、數(shù)據(jù)的完整性和機(jī)密性、安全通信能力的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，以最大限度提升VPN工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性。

1.2 分布式數(shù)據(jù)采集

采用分布式數(shù)據(jù)采集技術(shù)使得SCADA服務(wù)端與數(shù)據(jù)采集端實(shí)現(xiàn)分離，IOBox技術(shù)將分布式數(shù)據(jù)采集端軟件封裝在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)內(nèi)，IOBox網(wǎng)關(guān)分別部署在各分布式控制站，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)級(jí)免維護(hù)部署。

分布式數(shù)據(jù)采集端軟件是一組獨(dú)立的應(yīng)用程序，核心是針對(duì)各種設(shè)備的IO驅(qū)動(dòng)。通過IO驅(qū)動(dòng)與控制層設(shè)備（可編程程邏輯控制器、分布式控制系統(tǒng)等）或現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備（回路控制器、遠(yuǎn)程終端單元、智能儀表、板卡、變頻器等）采用約定的串口或工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制。分布式采集軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾、聚合、整理和標(biāo)準(zhǔn)化處理，通過基于TCP的Sorba內(nèi)部通訊協(xié)議與SCADA服務(wù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換。監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一協(xié)議傳輸，避免了多種協(xié)議混合造成的通訊不均衡，提高了數(shù)據(jù)通信性能。

分布式數(shù)據(jù)采集軟件具有本地緩存、斷點(diǎn)續(xù)傳的功能，可以避免因網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定造成歷史數(shù)據(jù)的缺失。

1.3 就地控制站的自動(dòng)控制和容錯(cuò)設(shè)計(jì)

就地控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了包括工藝過程的全自動(dòng)控制模式，以及防誤操作、安全應(yīng)急聯(lián)鎖等容錯(cuò)手段，即使網(wǎng)絡(luò)受到攻擊，通訊受到干擾，無法與遠(yuǎn)程上位機(jī)通訊，也可以保證污水站就地控制系統(tǒng)不受影響，工藝過程不會(huì)失控和因?yàn)榭刂棋e(cuò)誤導(dǎo)致超標(biāo)排放事故。

1.3.1 就地全自動(dòng)控制

污水處理站的自動(dòng)化程度要達(dá)到工藝運(yùn)行過程完全沒有就地人工操作，在中控完成工藝配方和工藝參數(shù)設(shè)定后，按全自動(dòng)控制模式運(yùn)行。每個(gè)污水處理站現(xiàn)場(chǎng)控制站都是完全獨(dú)立的就地控制系統(tǒng)，在中控通訊中斷情況下，控制程序會(huì)按既定的工藝參數(shù)繼續(xù)自動(dòng)控制運(yùn)行，工藝過程不受影響。在增加根據(jù)工藝條件變化選擇工藝配方的智能化能力后，可以實(shí)現(xiàn)一定程度上的自主運(yùn)行。

在控制站還設(shè)置就地操作觸摸屏或操作接口，用于就地應(yīng)急操作。

1.3.2 中控指令的再次確認(rèn)策略

就地控制系統(tǒng)的PLC程序收到中控發(fā)出的操作或修改參數(shù)指令后，會(huì)返回一個(gè)要求再次確認(rèn)的應(yīng)答信號(hào)，得到再次確認(rèn)，修改和操作才會(huì)被執(zhí)行，有效防范網(wǎng)絡(luò)問題引起控制錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

1.3.3 就地安全連鎖邏輯

就地控制系統(tǒng)的PLC程序中編寫專門的安全連鎖邏輯，包括通過對(duì)參數(shù)正常范圍的限定，拒絕不正確的參數(shù)修改;嚴(yán)密的操作條件限定拒絕錯(cuò)誤操作指令;應(yīng)急安全連鎖邏輯在檢測(cè)到系統(tǒng)異常時(shí)，強(qiáng)制停止排水等。

1.4 入侵防范

對(duì)污水站就地控制系統(tǒng)的PLC程序采取CPU程序存儲(chǔ)區(qū)讀寫密碼保護(hù)和程序代碼加密的雙重保護(hù)措施，有效防止PLC控制程序被非法獲取和修改，保證污水站就地控制系統(tǒng)的安全。

采用防火墻、綁定IP地址和MAC地址等技術(shù)手段屏蔽來自VPN外部網(wǎng)絡(luò)的非法訪問，SCADA服務(wù)器和操作站計(jì)算機(jī)只允許安裝工控軟件，不使用的端口和服務(wù)全部關(guān)閉，防范對(duì)SCADA服務(wù)器和操作站計(jì)算機(jī)的端口入侵。使用訪問控制技術(shù)嚴(yán)格限制SCADA服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的訪問。

1.5 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控

遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的集散型中央控制系統(tǒng)的重要支撐手段。在污水站全部需要巡檢、監(jiān)視的工藝環(huán)節(jié)和部位設(shè)置全天候高清晰網(wǎng)絡(luò)視頻攝像機(jī)，就地錄像，遠(yuǎn)程監(jiān)視，用于輔助巡檢和輔助操作。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)需單獨(dú)建設(shè)一個(gè)寬帶線路架構(gòu)的專門視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

通過SCADA系統(tǒng)監(jiān)控畫面顯示的運(yùn)行參數(shù)，結(jié)合遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻，中控值班人員可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和核實(shí)工藝過程出現(xiàn)的問題，以彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)巡檢頻次少的不足。中控遠(yuǎn)程操作時(shí)，除了通過SCADA系統(tǒng)的信號(hào)反饋進(jìn)行操作結(jié)果監(jiān)視外，借助實(shí)時(shí)視頻畫面還可以及時(shí)獲得現(xiàn)場(chǎng)的直觀反饋。

2 結(jié)語(yǔ)

基于互聯(lián)網(wǎng)的村鎮(zhèn)污水站集群中央控制系統(tǒng)的運(yùn)行方式為“污水站就地自主全自動(dòng)運(yùn)行、遠(yuǎn)程集中監(jiān)控操作+遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視、云端平臺(tái)支持”。

以此為技術(shù)依托，在村鎮(zhèn)污水處理項(xiàng)目推行“無人值守、區(qū)域中控、巡回檢查、專業(yè)化支持”的集群管理模式。按運(yùn)營(yíng)和監(jiān)管隸屬關(guān)系，將村鎮(zhèn)污水處理站組成的一個(gè)個(gè)區(qū)域集群，集中設(shè)立區(qū)域監(jiān)控、管理、服務(wù)機(jī)構(gòu)，設(shè)置中控室，各污水站不再配置人員值守，在區(qū)域中控室集中優(yōu)秀的運(yùn)行值班團(tuán)隊(duì)，24小時(shí)倒班運(yùn)行負(fù)責(zé)各污水站遠(yuǎn)程監(jiān)控操作，結(jié)合安排工藝、機(jī)電保障人員定期到各站現(xiàn)場(chǎng)巡查，執(zhí)行化驗(yàn)采樣、設(shè)備檢查維護(hù)等工作，確保各污水站生產(chǎn)運(yùn)行連續(xù)可靠、工藝調(diào)整及時(shí)準(zhǔn)確，將出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)率提升到大中型市政污水處理廠的水平。

村鎮(zhèn)污水處理站集群的中控系統(tǒng)還將接入集團(tuán)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，總部遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)支持平臺(tái)依托專家資源和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)構(gòu)建工藝及工藝流程的仿真算法模型，在大量數(shù)據(jù)積累統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上形成工藝配方庫(kù)，并不斷進(jìn)行動(dòng)態(tài)的補(bǔ)充優(yōu)化，提升污水站就地控制系統(tǒng)的智能化水平，使得污水站自主運(yùn)行更穩(wěn)定可靠。

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