小型污水處理廠智慧平臺的建設(shè)

楊 曦

（中海油節(jié)能環(huán)保服務(wù)有限公司，天津 300450）

隨著國內(nèi)中小型污水處理廠發(fā)展成熟和環(huán)保政策持續(xù)收緊，傳統(tǒng)污水處理廠的運營管理模式已無法滿足現(xiàn)代污水處理廠高效率、精確化、智能化的運行要求。小型污水處理廠實施智慧平臺系統(tǒng)的建設(shè)越來越受到關(guān)注，同時這也是國家推行“智慧環(huán)保”實現(xiàn)環(huán)保產(chǎn)業(yè)智慧化、智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的內(nèi)在需求和必然趨勢。智慧平臺系統(tǒng)屬于“新基建”，在2018年中央經(jīng)濟工作會議上首次提出，后又被列入《2019年國務(wù)院政府工作報告》。它是結(jié)合了新一輪科技改革和產(chǎn)業(yè)革命特征，面向國家和企業(yè)科技創(chuàng)新需要而發(fā)展起 來的。

智慧化運維是確保污水處理廠科學(xué)、高效、安全運行的關(guān)鍵措施，智慧污水處理廠平臺建設(shè)融合了日常運維信息和多元化數(shù)據(jù)流，使管理決策更加規(guī)范[1]。智慧污水處理廠是運用工業(yè)通訊、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，實現(xiàn)污水處理設(shè)施數(shù)字化、信息可視化、控制智能化，在線監(jiān)測實時化、調(diào)度科學(xué)化，促進(jìn)污水處理規(guī)劃、建設(shè)、管理和服務(wù)智慧化的新理念和新模式。

1 項目描述

項目所在污水處理廠設(shè)計處理能力1 800m3/d，污水處理工藝為A2/O+砂濾+UF/RO深度處理工藝，為港區(qū)配套污水處理環(huán)保設(shè)施，主要接收和處理港區(qū)產(chǎn)生的生活污水和少量工業(yè)污水，生產(chǎn)系統(tǒng)主要分為污水生化處理系統(tǒng)、污泥處置系統(tǒng)、臭氣處理系統(tǒng)和深度處理系統(tǒng)，深度處理后的出水達(dá)到回用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，回用水進(jìn)行綜合利用。通過對自控系統(tǒng)與智能化管理平臺的融合升級，包括：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)劃及安裝調(diào)試，中控系統(tǒng)重新組態(tài)，整合監(jiān)控及巡檢功能等優(yōu)化內(nèi)容，進(jìn)入模塊化智能管理平臺。實現(xiàn)現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)、視頻實時監(jiān)控和設(shè)備的全生命周期管理，重要生產(chǎn)數(shù)據(jù)開發(fā)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫本地存儲，并提供報表、3D模型展示等功能，具體實現(xiàn)以下工程要求：

1）通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、篩選及處理標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)污水處理廠設(shè)備管理的全生命周期流程，包括設(shè)備預(yù)警、設(shè)備壽命管理，建立從上至下的水務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化運營管理，達(dá)到各層級管理的無差異化。

2）整體生產(chǎn)系統(tǒng)具備工藝實時監(jiān)控、設(shè)備管理、設(shè)備報 警、自動報表系統(tǒng)、自動加藥系統(tǒng)的信息化管理。

3）建立在標(biāo)準(zhǔn)化運營及信息化管理的基礎(chǔ)上，提高運營管理質(zhì)量，通過能源成本有效監(jiān)控和設(shè)施設(shè)備的科學(xué)維護，實現(xiàn)精準(zhǔn)運維。

2 智慧平臺實現(xiàn)的總體框架

智慧水務(wù)平臺集成的污水處理廠運營過程所需的模塊化子系統(tǒng)較多。有基于自動化系統(tǒng)的生產(chǎn)監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，也有基于流程管理的運營和設(shè)備管理系統(tǒng)[2]。智慧平臺建設(shè)是由各功能模塊構(gòu)成主體框架的平臺系統(tǒng)，主要模塊各自獨立運行，考慮到長遠(yuǎn)規(guī)劃，采用穩(wěn)定的、擴展性強的模塊來構(gòu)建智慧水務(wù)管理平臺。通過模塊化組件單獨開發(fā)并作為軟件單元使用，同時采用服務(wù)器和瘦客戶機，承擔(dān)數(shù)據(jù)庫服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲功能和數(shù)據(jù)處理服務(wù)的功能。采用服務(wù)器直接與PLC通訊的方式獲取數(shù)據(jù)。對于新建的場站，可隨時納入智慧平臺集中管理。整個系統(tǒng)分為三個主要部分：

1）三維可視化平臺，通過專業(yè)軟件完成整個水廠的工藝設(shè)備流程的三維展示。

2）生產(chǎn)SCADA平臺，將數(shù)據(jù)監(jiān)控、設(shè)備管理、能源管理、藥劑管理、報表管理、預(yù)警管理、趨勢曲線、操作記錄以及權(quán)限管理均集在SCADA生產(chǎn)管理平臺（圖1）。

圖1 智慧平臺功能模塊示意圖

3）視頻監(jiān)控平臺，用于監(jiān)控全場攝像頭視頻數(shù)據(jù)。

3 智慧平臺建設(shè)目標(biāo)

智慧水務(wù)是在水務(wù)信息化的基礎(chǔ)上高度整合水務(wù)信息資源并加以開發(fā)利用，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線寬帶、云計算等新興技術(shù)與水務(wù)信息系統(tǒng)的結(jié)合，實現(xiàn)水務(wù)信息共享和智能管理[3]。通過小型污水處理廠智慧平臺建設(shè)項目的實施，使該污水處理廠的運營管理得到整體優(yōu)化與提升，達(dá)到穩(wěn)定高效運行和節(jié)能減排的目的。智慧水務(wù)系統(tǒng)能夠提高污水處理廠運行效率與管理水平，實現(xiàn)過程管理的標(biāo)準(zhǔn)化與精細(xì)化，從內(nèi)部操作技術(shù)的提升到外延的運行管理都有一個質(zhì)的提升，使污水處理廠日常運營成為標(biāo)準(zhǔn)智能化的管理模式。通過高效智能化的運行模式，提升運維人員的專業(yè)技能從而形成水處理專業(yè)運營管理團隊，使該污水處理廠成為水務(wù)運營示范平臺。

智慧水務(wù)平臺建設(shè)，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、篩選及處理標(biāo)準(zhǔn)，全生命周期的設(shè)備管理流程，建立從上至下的水務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化運營模式，達(dá)到各層級管理的無差異化。實現(xiàn)電子化報表系統(tǒng)、工藝監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、報警管理系統(tǒng)，線上實時管理，任務(wù)及時下達(dá)的信息化管理。建立在標(biāo)準(zhǔn)化運營及信息化管理的基礎(chǔ)上，提高運營管理質(zhì)量，降能減耗，建立設(shè)備預(yù)警和維保規(guī)程，實現(xiàn)污水處理廠精準(zhǔn)運維。

4 智慧水務(wù)平臺主要建設(shè)內(nèi)容

4.1 工藝運行控制

工藝設(shè)備遠(yuǎn)程控制，根據(jù)水質(zhì)水量數(shù)據(jù)設(shè)定水泵、風(fēng)機設(shè)備的自動啟停及頻率調(diào)整操作；通過在線實時監(jiān)控動設(shè)備，主要是鼓風(fēng)機、潛水泵等的電流、電壓等參數(shù)，通過大量數(shù)據(jù)分析，掌握主要設(shè)備的故障模式和效率曲線，降低設(shè)備故障率，提高設(shè)備運行效率。

4.2 數(shù)據(jù)分析管理

污水處理廠實時運行信息與日常管理信息均來源于運營階段，包含：設(shè)備運行參數(shù)、在線監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)、水質(zhì)化驗數(shù)據(jù)、巡檢消缺數(shù)據(jù)、設(shè)備臺賬、維保數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、備品備件、藥劑庫存數(shù)據(jù)等。對生產(chǎn)、化驗、設(shè)備運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、存儲、輸出管理，可形成相應(yīng)格式的報表、曲線圖。在平臺上直觀實時地展現(xiàn)所需要了解的信息。通過WiSCADA的自動報表功能，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動生成報表，并存儲在虛擬報表服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫。

4.3 設(shè)備維護管理

通過對設(shè)備信息的錄入，包括設(shè)備采購信息、技術(shù)協(xié)議、設(shè)備日常維護保養(yǎng)、維修信息等，實現(xiàn)智能化、預(yù)防性設(shè)備維護管理，通過數(shù)據(jù)積累，統(tǒng)計生產(chǎn)設(shè)備故障類型和原因，科學(xué)制定設(shè)備維護的周期和內(nèi)容，實現(xiàn)生產(chǎn)的連續(xù)性和采購庫存的科學(xué)管理。

4.4 生產(chǎn)及預(yù)警管理系統(tǒng)

生產(chǎn)管理建設(shè)為統(tǒng)籌協(xié)調(diào)和有效預(yù)警的模式，能夠形成規(guī)范管理、合理分析、精確處理、高效運行維護的安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)體系。根據(jù)污水廠工藝流程和運行現(xiàn)狀，對整體污水廠流程進(jìn)行3D在線實時動態(tài)模擬，可以直觀地體現(xiàn)污水廠的實際運行情況，包括進(jìn)水量、水位高低、設(shè)備運轉(zhuǎn)情況、水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況、故障報警等。

根據(jù)各個設(shè)備的運行電流、功率進(jìn)行電耗計算分析，實時顯示各個設(shè)備、工藝段以及全廠的能耗情況，判斷高能耗設(shè)備，提醒優(yōu)化及調(diào)整。

4.5 精確加藥及曝氣控制系統(tǒng)

基于邊緣計算及先進(jìn)控制策略的精確加藥及曝氣，以 DCS或 PLC控制為主的微循環(huán)自動控制。分析基于“前饋與反饋”的優(yōu)化控制策略以自動控制加藥量，該系統(tǒng)以進(jìn)水負(fù)荷和磷酸鹽濃度作為控制信號，可根據(jù)生化系統(tǒng)的實際運行情況自動調(diào)節(jié)除磷藥劑投加量，實現(xiàn)除磷藥劑的按需投加，在出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提下，降低藥劑投加成本。藥劑投加智能化以在線儀表數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建合理的數(shù)據(jù)模型，自動控制投加藥劑量，達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)，節(jié)約藥劑的目標(biāo)。

4.6 自控系統(tǒng)

通過傳感器閉環(huán)控制維持系統(tǒng)運行和關(guān)鍵調(diào)整，通過執(zhí)行機構(gòu)對設(shè)備系統(tǒng)的運行和邏輯進(jìn)行指揮，從設(shè)備及監(jiān)測儀表最大程度收集數(shù)據(jù)，用數(shù)學(xué)軟件與PLC集中分析信息，以獲得系統(tǒng)的高級別潛在信息并制定各設(shè)備及終端工作邏輯，形成高水平自主控制體系，整個體系是基于智能分析體系分析結(jié)果的實際應(yīng)用[4]。整體工藝設(shè)備、加藥系統(tǒng)，砂濾系統(tǒng)，中水系統(tǒng)、進(jìn)出水在線監(jiān)測系統(tǒng)分別設(shè)置遠(yuǎn)程IO站，采集就地設(shè)備的狀態(tài)和控制信息，遠(yuǎn)程I/O站和主控制器之間采用EtherNet/IP DLR環(huán)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的冗余。

5 結(jié)論與建議

將智慧水務(wù)應(yīng)用到污水處理廠運營過程中，可以借助大數(shù)據(jù)技術(shù)、先進(jìn)的計算機與通信技術(shù)實現(xiàn)對污水工藝流程及時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)監(jiān)測，這也成為污水處理廠運行管理的一種必然趨勢[4]。通過智慧平臺建設(shè)項目的實施，以新一代信息技術(shù)為手段，實現(xiàn)生產(chǎn)、運行、維護，調(diào)度和服務(wù)等全過程，各環(huán)節(jié)高度信息互通，反應(yīng)快捷，極大提高了污水處理的管控效率，保證了污水水質(zhì)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。合理利用智慧平臺系統(tǒng)可以使水務(wù)運營更加規(guī)范化、智能化、精細(xì)化，不僅可以改進(jìn)環(huán)保企業(yè)與政府以及社會公眾之間的信息對接，提高對水資源的管理和合理利用能力，也促進(jìn)了人類社會與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展[5]。

智慧水廠平臺建設(shè)項目的實施，以服務(wù)于港區(qū)居民及生產(chǎn)企業(yè)為主要目的，主要效益表現(xiàn)為對現(xiàn)有污水處理廠節(jié)能降耗以及出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)帶來的社會和經(jīng)濟效益。項目實施后，污水處理廠出水水質(zhì)將得到有效保障，水處理設(shè)施自動化水平提高，環(huán)境預(yù)警的建設(shè)，降低了由于人為運行帶來的環(huán)境風(fēng)險，促進(jìn)環(huán)保企業(yè)的優(yōu)化組合。努力完善能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，激發(fā)地區(qū)與企業(yè)開發(fā)使用可再生的綠色能源。