污水處理設(shè)備的故障診斷與遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)研究

龔瑞昆，張文慶，龔雨含，周國(guó)慶

（1.華北理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，唐山063210；2.唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化工程系，唐山063210）

市政污水處理廠是我國(guó)對(duì)城市環(huán)境，生態(tài)文明建設(shè)和水質(zhì)量環(huán)境改善的一項(xiàng)重大的民生工程。 隨著國(guó)家對(duì)污水處理的重視，我國(guó)污水處理廠的數(shù)量越來(lái)越多，污水處理的能力也越來(lái)越強(qiáng)[1]。 但是，我國(guó)的污水處理系統(tǒng)還存在許多嚴(yán)峻的問(wèn)題，系統(tǒng)的不正常運(yùn)行，污水處理水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，設(shè)備故障等現(xiàn)象較為常見(jiàn)。 但是由于污水處理過(guò)程復(fù)雜，影響因素較多，故障診斷較難，而且由于污水處理廠的操作人員專業(yè)素質(zhì)可能有所不足，對(duì)于故障設(shè)備也不能及時(shí)處理發(fā)現(xiàn)，這樣不僅僅影響污水處理效率，在運(yùn)營(yíng)管理上也會(huì)受到影響，造成資源浪費(fèi)，成本提高。 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，將“工業(yè)4.0”智能生產(chǎn)理念與傳統(tǒng)污水處理廠的控制系統(tǒng)相結(jié)合具有一定的研究?jī)r(jià)值和意義，因此對(duì)污水處理廠進(jìn)行故障診斷和對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程維護(hù)管理是十分必要的。

1 污水處理故障診斷方法研究現(xiàn)狀

我國(guó)早在80年代就開(kāi)始對(duì)故障診斷進(jìn)行研究，并取得了一系列的研究成果，傳統(tǒng)上由簡(jiǎn)單的狀態(tài)監(jiān)測(cè)向故障診斷和預(yù)測(cè)方向發(fā)展，并且隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，診斷技術(shù)由同步到不同步，由人工診斷到自動(dòng)診斷[2-3]。 故障診斷方法越來(lái)越多，優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)相應(yīng)的也暴露出來(lái)，污水處理的故障診斷方法如表1所示。

表1 污水處理故障診斷方法表Tab.1 Sewage treatment fault diagnosis method

利用現(xiàn)有污水處理的數(shù)學(xué)模型或者仿真軟件對(duì)污水處理工藝運(yùn)行狀況進(jìn)行診斷優(yōu)化，精度較高。 但是對(duì)于操作人員的操作要求較高，過(guò)程復(fù)雜。

利用專家系統(tǒng)故障診斷方法在污水處理中開(kāi)展應(yīng)用研究已在國(guó)外開(kāi)展多年，得出在污水處理系統(tǒng)過(guò)程評(píng)價(jià)、自動(dòng)控制等方面具有良好的應(yīng)用前景。

2 污水處理遠(yuǎn)程維護(hù)與故障診斷系統(tǒng)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展，污水處理系統(tǒng)自動(dòng)化集成度越來(lái)越高，設(shè)備技術(shù)含量也就越來(lái)越高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致故障診斷難度與維修越來(lái)越難，對(duì)故障不能及時(shí)處理和維修將帶來(lái)時(shí)間和生產(chǎn)成本的損失。 實(shí)時(shí)的故障診斷和定位問(wèn)題成為遠(yuǎn)程維護(hù)的關(guān)鍵，遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)的研究意義重大，可以形成產(chǎn)品服務(wù)一體化，可以為公司解決不必要花費(fèi)。 建立遠(yuǎn)程維護(hù)與故障診斷系統(tǒng)是解決問(wèn)題的有效舉措。

遠(yuǎn)程維護(hù)與故障診斷通過(guò)設(shè)備診斷技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制監(jiān)測(cè)[4-5]。 遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)可以使公司在多個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行操作，從而更快、更有效地訪問(wèn)、分析和響應(yīng)來(lái)自污水處理廠的信息。 故障診斷系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)預(yù)知維修，及早發(fā)現(xiàn)故障隱患，定位問(wèn)題設(shè)備，提高維修的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，降低服務(wù)費(fèi)用，提高經(jīng)濟(jì)效益。 在污水處理廠中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)和故障診斷相結(jié)合[6-9]，必定會(huì)給這一行業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.1 遠(yuǎn)程維護(hù)和故障診斷系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程維護(hù)與故障診斷系統(tǒng)可以作為物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的一個(gè)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備性能的保障。 利用不同類型的傳感器組成一個(gè)信號(hào)采集子系統(tǒng)，對(duì)分散于水廠中的設(shè)備數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，將采集得到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，用戶可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析診斷。并可通過(guò)終端電腦對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障進(jìn)行診斷處理，下發(fā)指令實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)[10]。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

2.2 遠(yuǎn)程維護(hù)與故障診斷系統(tǒng)特點(diǎn)

考慮在任何基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序中，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲都是最大的障礙之一，特別是在涉及實(shí)時(shí)批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下[11]。 遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)需要從實(shí)時(shí)控制過(guò)程中收集數(shù)據(jù)，正確實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)對(duì)于確保任何遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)非常重要。 如果所有的計(jì)算都在偏遠(yuǎn)的地方進(jìn)行，可能會(huì)產(chǎn)生巨大的網(wǎng)絡(luò)流量，并造成不可接受的時(shí)間延遲。 因此可根據(jù)數(shù)據(jù)的大小將數(shù)據(jù)分為重?cái)?shù)據(jù)和輕數(shù)據(jù)，重?cái)?shù)據(jù)在本地站點(diǎn)進(jìn)行處理，只將提取出的重?cái)?shù)據(jù)特征（如所識(shí)別模型的參數(shù)）傳輸?shù)奖镜卣军c(diǎn)，并在本地站點(diǎn)設(shè)計(jì)了一個(gè)后端系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行所有繁重的計(jì)算，在遠(yuǎn)程端設(shè)計(jì)了一個(gè)前端系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)控制系統(tǒng)。這樣不僅可以解決網(wǎng)絡(luò)延遲所帶來(lái)的時(shí)間差，還可以及時(shí)排除故障，保障設(shè)備的正常運(yùn)行。 遠(yuǎn)程維護(hù)與故障診斷系統(tǒng)主要特點(diǎn)如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)程維護(hù)與故障診斷系統(tǒng)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of remote maintenance and fault diagnosis system

污水處理廠設(shè)備正常運(yùn)行是污水處理的核心要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的預(yù)知，可降低生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備出現(xiàn)的問(wèn)題隱患，減少停機(jī)時(shí)間，增加生產(chǎn)效率。 遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)使得企業(yè)方便查詢?cè)O(shè)備使用情況，實(shí)時(shí)跟蹤設(shè)備使用狀態(tài)和質(zhì)量問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，不斷提高設(shè)備質(zhì)量。 并且該系統(tǒng)具有自我學(xué)習(xí)功能，通過(guò)不斷地豐富知識(shí)庫(kù)從而達(dá)到系統(tǒng)的自我完善和進(jìn)步。

2.3 遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)故障診斷實(shí)現(xiàn)方法

根據(jù)遠(yuǎn)程維護(hù)和故障診斷體系結(jié)構(gòu)可知，設(shè)備采集系統(tǒng)包含PLC 設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備、采集終端以及各類不同傳感器等信息采集設(shè)備，計(jì)量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備記錄了現(xiàn)場(chǎng)排查過(guò)程中的數(shù)據(jù)；而采集終端則將設(shè)備的一些數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。 該類信息采集設(shè)備數(shù)量多且設(shè)備之間存在復(fù)雜的交互關(guān)系，因此需要對(duì)設(shè)備采集系統(tǒng)故障進(jìn)行合理有效的診斷[12]。 污水處理設(shè)備采集系統(tǒng)的故障診斷能夠快速、準(zhǔn)確地查找采集系統(tǒng)故障發(fā)生的原因，具體的包括采集系統(tǒng)IO 模板和通道組件的在線故障診斷。設(shè)備采集系統(tǒng)的故障診斷硬件配置主要是完成推理和控制策略，其中推理策略主要是分析信息采集過(guò)程中所呈現(xiàn)的故障現(xiàn)象和相關(guān)聯(lián)組件之間的復(fù)雜邏輯關(guān)系，一般方法有演繹推理以及歸納推理。 而控制策略則是整個(gè)故障診斷過(guò)程中所具有的控制策略，一般方法有正向推理和反向推理。 設(shè)備采集系統(tǒng)的故障診斷硬件框圖如圖3所示。

圖3 設(shè)備采集系統(tǒng)的故障診斷硬件框圖Fig.3 Hardware block diagram of equipment acquisition system for fault diagnosis

該故障診斷系統(tǒng)在對(duì)多源信息數(shù)據(jù)分析處理上，采用專家系統(tǒng)進(jìn)行診斷推理，使得系統(tǒng)在故障診斷上更加準(zhǔn)確。 專家?guī)煜到y(tǒng)診斷推理具體流程如圖4所示。 在專家?guī)煸\斷系統(tǒng)得出的診斷結(jié)果基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的功能模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)故障設(shè)備的遠(yuǎn)程維護(hù)。

3 遠(yuǎn)程維護(hù)與故障診斷系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 遠(yuǎn)程維護(hù)與故障診斷系統(tǒng)串口通信研究

實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)系統(tǒng)關(guān)鍵問(wèn)題是解決設(shè)備間的通信，整體上看，污水處理廠設(shè)備狀況不一，通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)往往也就不一致，因此就需要結(jié)合設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀況，制定的通訊協(xié)議能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備控制和維護(hù)等功能，并確保在此基礎(chǔ)上增加功能擴(kuò)展模塊，以便設(shè)備進(jìn)行功能擴(kuò)展。 通信協(xié)議中需要了解控制設(shè)備、監(jiān)視參數(shù)、設(shè)置參數(shù)等相關(guān)內(nèi)容，以便構(gòu)建出一個(gè)規(guī)范的能夠滿足設(shè)備實(shí)際狀況下的通訊協(xié)議[13-15]。 按照通訊協(xié)議，往往可分成5種幀結(jié)構(gòu)，不同類型的幀結(jié)構(gòu)與硬件間優(yōu)化融合需要綜合考慮。 設(shè)計(jì)分析5 種幀結(jié)構(gòu)具體內(nèi)容如表2所示。

圖4 專家?guī)煜到y(tǒng)診斷推理流程Fig.4 Flow chart of diagnostic reasoning of expert database system

表2 幀結(jié)構(gòu)分類表Tab.2 Frame structure classification

3.2 服務(wù)器及云平臺(tái)的建立

建立服務(wù)器采用動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)架構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)云平臺(tái)使用B/S 架構(gòu)，即瀏覽器和服務(wù)器的通信連接模式。

云平臺(tái)的建立對(duì)污水處理廠的管理監(jiān)控、運(yùn)維等方面是必不可少的一步，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)污水處理廠內(nèi)的設(shè)備查詢、故障診斷、故障報(bào)警等統(tǒng)一管理；實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)值，提供鮮明數(shù)據(jù)曲線圖。 提高企業(yè)生產(chǎn)效率，節(jié)省企業(yè)成本，使效益得到最大化。

3.3 遠(yuǎn)程控制

對(duì)于污水處理廠設(shè)備狀態(tài)，水廠水池液位、壓力、電流及電壓都將設(shè)置一定的閾值，超過(guò)限值，都將自動(dòng)報(bào)警。 在服務(wù)器中，將采集的各項(xiàng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)根據(jù)不同的設(shè)施通過(guò)不同的算法初步判斷出現(xiàn)的故障。 遠(yuǎn)程控制電動(dòng)閥進(jìn)一步判斷故障類別、地點(diǎn)和原因，并且進(jìn)行消息推送，向用戶報(bào)警。

維護(hù)人員可以在服務(wù)器發(fā)送指令，指令通過(guò)DTU 傳送到污水處理廠內(nèi)控制器。 控制器接收到指令后，控制污水處理設(shè)備，調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度，對(duì)故障進(jìn)行隔離或者啟用備用設(shè)備，以最大程度減少資源、時(shí)間的浪費(fèi)；為維護(hù)人員提供詳細(xì)故障信息以及維護(hù)時(shí)間，使其盡快保證污水處理運(yùn)行暢通。

4 設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)和故障診斷系統(tǒng)運(yùn)行驗(yàn)證

使用 JavaDk1.8+ Eclipse3.0 搭建環(huán)境，以及Java 語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。如圖5所示為通過(guò)remote Access 工具實(shí)現(xiàn)網(wǎng)口通信，連接遠(yuǎn)程網(wǎng)口PLC，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控的操作。

圖5 網(wǎng)口通信連接Fig.5 Network communication connection

數(shù)據(jù)傳輸通訊正常后即可將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器及云端，如圖6所示，為現(xiàn)場(chǎng)污水處理生產(chǎn)曲線，可清晰的查看到污水生產(chǎn)水質(zhì)中的數(shù)據(jù)情況。 無(wú)論在什么地方，均可輸入IP 進(jìn)行數(shù)據(jù)查看及設(shè)備監(jiān)控。

圖6 污水處理生產(chǎn)水質(zhì)數(shù)據(jù)Fig.6 Water quality data of sewage treatment production

該系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)對(duì)污水處理廠整體監(jiān)控，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)控制的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控上傳，還可以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖表形式、趨勢(shì)圖形式進(jìn)行觀察，還能夠查詢現(xiàn)場(chǎng)工藝流程圖，可以清晰地反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工藝情況，顯示故障設(shè)備。如圖所示7 所示。對(duì)報(bào)警設(shè)備可進(jìn)行及時(shí)處理、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)等操作。 各個(gè)膜池監(jiān)控狀態(tài)如圖8所示。

圖7 污水處理工藝流程界面Fig.7 Interface of sewage treatment process

圖8 系統(tǒng)整體監(jiān)控界面Fig.8 Overall monitoring interface of the system

5 結(jié)語(yǔ)

污水處理設(shè)備的故障診斷與遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)研究幫助水廠實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，設(shè)備故障診斷，減少維修工程師現(xiàn)場(chǎng)維修方式，不僅能保障產(chǎn)品的使用能力，提高水廠生產(chǎn)效率，維護(hù)設(shè)備的工作能力。 滿足企業(yè)未來(lái)發(fā)展需求，也給其他行業(yè)帶來(lái)新的發(fā)展方式。

文中在分析系統(tǒng)的概念及實(shí)質(zhì)的基礎(chǔ)上，提出一種基于云平臺(tái)遠(yuǎn)程維護(hù)與設(shè)備診斷系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，擴(kuò)展和完善了系統(tǒng)功能運(yùn)用，通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)行驗(yàn)證，能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)備故障診斷功能以及遠(yuǎn)程維護(hù)操作。 為實(shí)現(xiàn)環(huán)保城鎮(zhèn)做出巨大貢獻(xiàn)，也為其他智能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。