中小污水廠無(wú)人值守控制系統(tǒng)建設(shè)方案分析

蘇煒 陳好學(xué) 曹立業(yè)

摘要：中小型污水處理廠為了降低運(yùn)營(yíng)成本會(huì)采用“無(wú)人值守、定時(shí)巡檢”的模式來(lái)運(yùn)維。而要實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值守”，就對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)提出了新的要求，應(yīng)按“信號(hào)可知、畫(huà)面可看、智能可控、系統(tǒng)可靠、權(quán)限可設(shè)”的原則配置系統(tǒng)，多個(gè)污水廠設(shè)置一個(gè)監(jiān)控中心，通過(guò)專(zhuān)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控所有廠站的所有設(shè)備;相應(yīng)地，軟、硬件也要根據(jù)功能適應(yīng)這種配置要求。

關(guān)鍵詞：無(wú)人值守;污水處理廠;自控系統(tǒng);PLC;智慧水務(wù)

0? ? 引言

分布式污水處理系統(tǒng)大多為一體化小型裝置，這種小型污水處理裝置雖然能節(jié)省管網(wǎng)等建設(shè)投資，但也存在水量不穩(wěn)定導(dǎo)致運(yùn)行不連續(xù)、出水達(dá)標(biāo)不穩(wěn)定等諸多問(wèn)題，而且由于其數(shù)量巨大，帶來(lái)的運(yùn)維及管理問(wèn)題層出不窮。因此，就近建設(shè)管網(wǎng)，將污水收集后輸入規(guī)模稍大的污水廠進(jìn)行處理，在一個(gè)片區(qū)（區(qū)縣域）內(nèi)將數(shù)量眾多的一體化裝置變成數(shù)座或數(shù)十座具有一定規(guī)模的中小型污水處理廠，應(yīng)該說(shuō)是個(gè)兩全的方案。

對(duì)于此類(lèi)規(guī)模的小廠，一般采用“無(wú)人值守、定時(shí)巡檢”的模式來(lái)運(yùn)維。由于這類(lèi)廠的系統(tǒng)遠(yuǎn)比一體化污水處理裝置復(fù)雜且規(guī)模大、設(shè)備多，但規(guī)模又小于一般的城市污水廠，其控制系統(tǒng)如果采用傳統(tǒng)污水廠自控系統(tǒng)配置思路將無(wú)法滿(mǎn)足“無(wú)人值守”的要求。針對(duì)這種情況，其自控系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)遵循下文所述思路進(jìn)行。

1? ? 系統(tǒng)方案

無(wú)人值守污水廠的控制系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

總的來(lái)說(shuō)就是：設(shè)置一個(gè)監(jiān)控中心，通過(guò)專(zhuān)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控所有廠站的所有設(shè)備。也就相當(dāng)于把傳統(tǒng)污水廠的中控室集中到一個(gè)地方來(lái)進(jìn)行監(jiān)控?，F(xiàn)場(chǎng)人員采用巡檢的方式，利用手機(jī)移動(dòng)App、工業(yè)Pad等設(shè)備也可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端的監(jiān)控。

遠(yuǎn)程運(yùn)維及監(jiān)控平臺(tái)是由上位遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和各廠站PLC自控系統(tǒng)通過(guò)專(zhuān)線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)組成的。各廠站自控系統(tǒng)是各站點(diǎn)的PLC控制系統(tǒng)，完成各污水處理廠的自動(dòng)運(yùn)行控制;使用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備接入運(yùn)維平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)，并可在監(jiān)控中心的人機(jī)交互畫(huà)面中監(jiān)控。各污水廠的視、音頻上傳至監(jiān)控中心，可作為遠(yuǎn)程監(jiān)控的輔助措施，既可以獨(dú)立顯示也可以嵌入到監(jiān)控組態(tài)畫(huà)面中，這樣可以使遠(yuǎn)程操作直觀、安全、可靠。

各廠站自控系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）無(wú)需專(zhuān)守：設(shè)備配備智能化控制系統(tǒng)并可接入遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)，無(wú)需增派專(zhuān)人值守。

（2）自動(dòng)運(yùn)行：自動(dòng)控制系統(tǒng)可確保設(shè)備全自動(dòng)運(yùn)行。

（3）遠(yuǎn)程視頻巡檢：運(yùn)維人員可以在控制室通過(guò)訪問(wèn)數(shù)據(jù)中心的視頻數(shù)據(jù)庫(kù)監(jiān)看各站點(diǎn)的視頻影像。

（4）定期巡檢：由運(yùn)行單位定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行巡檢和預(yù)警，能夠確保污水處理廠站設(shè)備的運(yùn)行高效、正常。所有巡檢任務(wù)可由監(jiān)控中心通過(guò)手機(jī)App下發(fā)，巡檢記錄等均可通過(guò)手機(jī)App填報(bào)上傳，實(shí)現(xiàn)高效無(wú)紙化辦公。

2? ? 控制系統(tǒng)的配置原則

對(duì)于中小型污水廠的無(wú)人值守監(jiān)控系統(tǒng)除了要實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的控制目標(biāo)之外，還應(yīng)按“信號(hào)可知、畫(huà)面可看、智能可控、系統(tǒng)可靠、權(quán)限可設(shè)”的原則配置系統(tǒng)。

（1）信號(hào)可知：信號(hào)采集要全面，全面感知污水廠運(yùn)行狀態(tài)。

一般大型污水廠會(huì)一直有人值守，故其自控系統(tǒng)對(duì)于一些非主要設(shè)備的信號(hào)或參數(shù)采集不是很全面，也不會(huì)影響其正常運(yùn)行。而無(wú)人值守污水廠雖然有監(jiān)控中心遠(yuǎn)程監(jiān)控，但由于一般不會(huì)一對(duì)一配置監(jiān)控人員，而且沒(méi)有人及時(shí)巡視設(shè)備和水質(zhì)，所以需要完整、全面地采集所有設(shè)備的工作狀態(tài)及工藝參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)決策控制、自動(dòng)上報(bào)，大部分情況可以自動(dòng)處理，自控系統(tǒng)無(wú)法判斷的可以由監(jiān)控值班人員根據(jù)上傳的信號(hào)進(jìn)行人工決策。

對(duì)于重要設(shè)備應(yīng)當(dāng)配置馬達(dá)綜合監(jiān)測(cè)儀，并以通信方式全面采集設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，自動(dòng)分析設(shè)置好報(bào)警值。電力系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)的信息也應(yīng)以通下方式采集至自控系統(tǒng)。

（2）畫(huà)面可看：增加工藝系統(tǒng)視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)看。

在有人值守的情況下，一般污水廠的視頻監(jiān)控系統(tǒng)配置往往比較稀疏，且多為槍機(jī)，只有視頻而無(wú)音頻信息，設(shè)備的狀態(tài)往往由于視角太大無(wú)法在視頻圖像中看清楚。而無(wú)人值守污水廠的中心監(jiān)控畫(huà)面除了要有能夠反映全部數(shù)據(jù)的綜合監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)畫(huà)面及獨(dú)立的視頻系統(tǒng)之外，所有設(shè)備都應(yīng)有高清云臺(tái)攝像機(jī)監(jiān)看，軟件平臺(tái)中可以做報(bào)警聯(lián)動(dòng)，即設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)改變或出現(xiàn)故障，攝像頭應(yīng)自動(dòng)對(duì)焦該設(shè)備，并在運(yùn)行監(jiān)控的組態(tài)畫(huà)面中插入以彈窗形式出現(xiàn)的設(shè)備信息及現(xiàn)場(chǎng)視頻和音頻，這樣可以確保設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)改變及故障時(shí)第一時(shí)間了解現(xiàn)場(chǎng)情況。組態(tài)畫(huà)面的設(shè)備操作畫(huà)面中需要顯示實(shí)時(shí)視頻及音頻，這在一些設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程啟停時(shí)尤為必要，可有效避免一些安全事故的發(fā)生。圖2為一個(gè)設(shè)備子畫(huà)面（設(shè)備標(biāo)簽頁(yè)）的樣例，App和Pad上畫(huà)面內(nèi)容相同，但操作需要授權(quán)。同時(shí)，由于廠站數(shù)量多，設(shè)備數(shù)量巨大，設(shè)備標(biāo)簽頁(yè)還應(yīng)有按鈕鏈接設(shè)備資料信息（設(shè)備檔案），同時(shí)可在監(jiān)控中心或移動(dòng)端查看，包括設(shè)備圖紙、維保信息、說(shuō)明書(shū)、生產(chǎn)廠商信息等，便于運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)。

（3）智能可控：工藝設(shè)備全部可自控，實(shí)現(xiàn)全工藝流程控制，底層控制軟件應(yīng)具有智能故障處理功能。

對(duì)于不經(jīng)常使用的工藝設(shè)備如一些閘門(mén)、事故水泵、換氣扇甚至照明等，傳統(tǒng)污水廠自控系統(tǒng)為了節(jié)省投資往往只有手動(dòng)控制，但在無(wú)人值守的情況下把這些設(shè)備的控制接入自控系統(tǒng)尤為重要。

由于各廠站大多會(huì)采用單元化、模塊化設(shè)備，每個(gè)單元或模塊會(huì)配置控制器，因此可以在每個(gè)廠站設(shè)置一個(gè)或數(shù)個(gè)PLC站點(diǎn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)連接。每個(gè)廠站配置一臺(tái)上位機(jī)或基于Windows平臺(tái)的工業(yè)PC，預(yù)裝組態(tài)系統(tǒng)并與監(jiān)控中心連接，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于本廠站的全部監(jiān)控功能，與操作員在監(jiān)控中心的界面一致。

工藝設(shè)備全部自控的情況下對(duì)于傳統(tǒng)常用的一些控制方式也需要做一些調(diào)整：對(duì)于底層的控制站點(diǎn)控制程序應(yīng)具備一定的故障診斷及自主處置能力，為了防止設(shè)備或系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)人員無(wú)法及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，必須依靠自控系統(tǒng)完成一些基本的故障處置。同時(shí)由于每個(gè)操作員面對(duì)的是數(shù)量相對(duì)巨大的設(shè)備和廠站，因此一些需要隨時(shí)調(diào)整的工藝運(yùn)行控制也必須一定程度上智能化，實(shí)現(xiàn)自主調(diào)整運(yùn)行。

例如：污水廠的鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)歷來(lái)是耗能大戶(hù)，有經(jīng)驗(yàn)的操作人員可以在確保出水達(dá)標(biāo)的前提下，通過(guò)頻繁改變風(fēng)機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)、頻率等方式實(shí)現(xiàn)節(jié)能。但在操作人員數(shù)量少、面對(duì)的廠站數(shù)量多的情況下實(shí)現(xiàn)頻繁操作幾乎是不可能的，采用“精確曝氣”等智能化控制算法，通過(guò)數(shù)據(jù)積累，可以利用中心服務(wù)器的強(qiáng)大運(yùn)算能力進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，得出日益優(yōu)化的運(yùn)行控制參數(shù)，從而使系統(tǒng)的運(yùn)行“越來(lái)越節(jié)能”。

（4）系統(tǒng)可靠：系統(tǒng)需響應(yīng)迅速、運(yùn)行穩(wěn)定、動(dòng)作可靠。

控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性是基本要求，但對(duì)于無(wú)人值守污水廠來(lái)說(shuō)，尤其要關(guān)注的是電氣控制回路的可靠性和通信系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

傳統(tǒng)的自控電路一般在自控模式下采用單點(diǎn)保持型輸出控制，在這種控制模式下，設(shè)備的運(yùn)行是靠自控系統(tǒng)的單點(diǎn)信號(hào)輸出保持的，由于這種控制方式下PLC的輸出繼電器是一直通電運(yùn)行的，極易發(fā)生損壞或“閃斷”，導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)甚至損壞。如果自控系統(tǒng)發(fā)生掉電等故障使輸出丟失，在大量設(shè)備自控運(yùn)行的情況下，會(huì)導(dǎo)致全部設(shè)備突然停止運(yùn)行，引發(fā)事故。

采用雙點(diǎn)脈沖輸出的方式控制設(shè)備啟動(dòng)和停止可以避免以上問(wèn)題，在這種控制模式下，設(shè)備的啟動(dòng)和停止是由兩個(gè)輸出點(diǎn)的脈沖輸出分別控制的，這樣即使控制系統(tǒng)故障，設(shè)備也會(huì)保持原有的運(yùn)行狀態(tài)，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。

通信系統(tǒng)是無(wú)人值守污水廠的神經(jīng)系統(tǒng)，其可靠性和穩(wěn)定性直接影響著系統(tǒng)的安全。

對(duì)于通信系統(tǒng)整體架構(gòu)來(lái)說(shuō)，由于每個(gè)廠站的視頻信號(hào)傳輸要求較高，因此各廠站應(yīng)有專(zhuān)線光纖接入，以保證足夠的帶寬及安全性;較大規(guī)模的重要站點(diǎn)，應(yīng)考慮雙運(yùn)營(yíng)商接入或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入的備份網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

對(duì)于場(chǎng)內(nèi)的通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，從節(jié)約投資的角度考慮，控制系統(tǒng)可不采用冗余配置，但是對(duì)于較大的廠站，現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)宜采用冗余環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，廠區(qū)可覆蓋Wi-Fi信號(hào)，便于運(yùn)維人員使用移動(dòng)設(shè)備，但要做好網(wǎng)絡(luò)安全工作。

PLC控制系統(tǒng)及視頻、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)UPS應(yīng)采用在線式，并確保一定的續(xù)航能力。

（5）權(quán)限可設(shè)：統(tǒng)一的監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、多平臺(tái)部署，分權(quán)限分層級(jí)操作。

遠(yuǎn)程運(yùn)維及監(jiān)控平臺(tái)的建設(shè)思路如下：資源共享，分級(jí)授權(quán)，對(duì)于不同的運(yùn)維人員分層級(jí)設(shè)置不同的權(quán)限。這樣可以使平臺(tái)的監(jiān)管、操作、維護(hù)以及整體的運(yùn)營(yíng)模式都統(tǒng)一到一個(gè)平臺(tái)上來(lái)，不僅可以確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定，還大大節(jié)約了投資。

運(yùn)維人員按權(quán)限可以分為工程師、遠(yuǎn)程操作員、移動(dòng)操作員。工程師可以配置系統(tǒng)的所有權(quán)限，并可以對(duì)操作員權(quán)限進(jìn)行配置;遠(yuǎn)程操作員可以對(duì)各廠站的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作及遠(yuǎn)程巡檢;移動(dòng)操作員可以對(duì)各廠站的設(shè)備按條件（比如定位到廠站后或進(jìn)入廠站W(wǎng)i-Fi后）進(jìn)行操作。對(duì)于移動(dòng)操作員，按職責(zé)又可設(shè)定不同權(quán)限，比如班組長(zhǎng)可以使用移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行控制，其余人員只能查看，或使用工業(yè)Pad時(shí)可以擁有高一些的權(quán)限等。

3? ? 監(jiān)控及數(shù)據(jù)中心平臺(tái)建設(shè)方案

監(jiān)控及數(shù)據(jù)中心是無(wú)人值守污水廠系統(tǒng)的大腦，其重要性絕不僅僅是一個(gè)放大了的污水廠中控室，其軟硬件配置及運(yùn)行是決定整個(gè)系統(tǒng)是否可以正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

3.1? ? 監(jiān)控中心平臺(tái)

統(tǒng)一建設(shè)一個(gè)集中監(jiān)控中心平臺(tái)系統(tǒng)，將所屬站點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息及監(jiān)控畫(huà)面進(jìn)行統(tǒng)一展示及管理。各廠站的運(yùn)行數(shù)據(jù)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以及視頻、音頻一并通過(guò)統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)閱、備份。

監(jiān)控中心機(jī)房可采用自建服務(wù)器或租用商用云服務(wù)器，所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于該中心服務(wù)器，針對(duì)不同用戶(hù)可以由管理員根據(jù)需要設(shè)置不同權(quán)限，便于統(tǒng)一維護(hù)和管理。

監(jiān)控中心設(shè)置至少2臺(tái)工程師站、數(shù)臺(tái)操作員站以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、管理服務(wù)器等，根據(jù)廠站數(shù)量分組，一般應(yīng)配置N（分組數(shù)）×2臺(tái)操作員站。每臺(tái)工程師站可對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行修改或設(shè)置權(quán)限，每臺(tái)操作員站亦均可監(jiān)控全部系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備，這樣可以互為備份。但實(shí)際使用時(shí)，為確保職責(zé)明確，可以由工程師站進(jìn)行權(quán)限設(shè)置，不同的操作員可以按分組只能操作指定的廠站。

為使系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性與可維護(hù)性，平臺(tái)接入使用統(tǒng)一的安全策略和統(tǒng)一的地址分配，便于以后增加站點(diǎn)或增加檢測(cè)點(diǎn)位。

監(jiān)控中心需配置必要的防火墻、網(wǎng)關(guān)等設(shè)備。

3.2? ? 監(jiān)控軟件的訪問(wèn)權(quán)限

整個(gè)監(jiān)控平臺(tái)按權(quán)限可以劃分為四層：

第一層：工程師賬戶(hù)，可以監(jiān)看和修改全部各站點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)或設(shè)置分配權(quán)限;

第二層：操作員賬戶(hù)，可以監(jiān)控其轄區(qū)內(nèi)站點(diǎn)所有數(shù)據(jù);

第三層：移動(dòng)端賬戶(hù)，可以監(jiān)控其所負(fù)責(zé)運(yùn)維的站點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)，可利用口令進(jìn)行一定范圍的操作;

第四層：瀏覽賬戶(hù)，只可查看系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)，不可操作。

在系統(tǒng)辦公網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)中，終端用戶(hù)（管理人員、運(yùn)行人員等）憑借密碼和權(quán)限遠(yuǎn)程Web訪問(wèn)查看數(shù)據(jù)中心內(nèi)數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，無(wú)人值守污水廠的自控系統(tǒng)不但會(huì)大大降低管理成本，降低運(yùn)維人員數(shù)量及工作強(qiáng)度，還可以帶來(lái)降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗、藥耗，預(yù)防事故發(fā)生，延長(zhǎng)設(shè)備壽命等一系列效益，這對(duì)于整個(gè)污水處理行業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

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收稿日期：2020-04-21

作者簡(jiǎn)介：蘇煒（1972—），男，山東臨朐人，工程師，研究方向：工業(yè)自動(dòng)化。