基于VPN 和云平臺的污水處理廠無人值守管理系統(tǒng)的開發(fā)與應用

吳楚輝，王亞東，張楚蕙

（1.汕頭市北軸廣業(yè)環(huán)保有限公司，廣東 汕頭 515041；2.廣州市揚新技術研究有限責任公司，廣州 510000）

0 引言

為貫徹落實中央環(huán)保督察整改及百日攻堅戰(zhàn)行動實施方案工作要求，某地區(qū)全面推進PPP項目。該項目包括建設運營分布在區(qū)內6 個鎮(zhèn)區(qū)的6 座污水處理廠、涵蓋7 個鎮(zhèn)區(qū)共24 個農村一體化污水處理站點、11 個廠外提升泵站以及完善城區(qū)10 個鎮(zhèn)區(qū)的污水管網鋪設。

項目于2020年基本完成建設并投入運營，由于站點多、分布散和覆蓋面積大的特點，項目運營如按照傳統(tǒng)人員的管理模式將容易導致運維成本高、管理難度大。因此，需要采用先進的技術手段，以解決污水廠運維人員不足等問題。

無人值守技術基于數(shù)字化技術，在各行各業(yè)均有應用，如電力行業(yè)在21 世紀初就研究無人值守變電站，取得了一些成果；而在污水處理行業(yè)，因其工藝過程的復雜性，研究并不多，但也有一些相關的研究。文獻［1-2］介紹了一般污水廠基于C／S 架構的控制系統(tǒng)設計，無法實現(xiàn)自動或運程運行，也無法實現(xiàn)無人化；文獻［3］闡述了集中控制的管網系統(tǒng)應用與運行管理，大大減少了人力成本；文獻［4］介紹了在吉化污水處理廠的無人值守改造過程，取得了較好的效益；文獻［5］介紹了基于MQTT協(xié)議的數(shù)據傳輸與控制單元，實現(xiàn)了較復雜的單廠無人值守的污水處理廠，并融合了數(shù)據存儲分析等，具有較強的無人值守效果；文獻［6］則綜述了中小污水廠無人值守控制系統(tǒng)建設方案和原則，具有較強的指導意義。文獻［7］則介紹了基于物聯(lián)網及云平臺的工廠環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)，采用了新型的物聯(lián)網技術，具有一定的借鑒意義。上述文獻雖然都闡述了無人值守的方案，但是均有點從原中控出發(fā)，未從集團化污水處理廠無人或少人值守方向考慮，因而存在一定問題。

本文將從實際工程項目分析，建立較全面的集團化污水廠無人值守系統(tǒng)，基于日常運行維護的經驗，提出相關運營管理要求。最后，針對本系統(tǒng)進行分析，驗證其準確性與有效性。

1 系統(tǒng)方案設計

本系統(tǒng)集中運營管理某區(qū)域1 座區(qū)域中心污水廠、6座鎮(zhèn)污水廠、24 個農村站點、11 個泵站以及4 座人工濕地，管網長度約55.2 km。某區(qū)廠設計處理量為8 萬t／d，其余6座鎮(zhèn)級污水廠在1500 ～4 500 t／d之間，因此，無法按原污水廠管理模式，在每個廠安排崗位人員，需要采用信息化的手段。設計在某區(qū)廠內設置中心控制室（區(qū)域控制中心），其他廠區(qū)設置VPN （Virtual Private Network）虛擬專用網，數(shù)據上傳至中心控制室。

系統(tǒng)總體由現(xiàn)場站點通信層、VNP 專網傳輸層、系統(tǒng)平臺層構成，其中系統(tǒng)平臺部署在企業(yè)私有云，并可通過網絡上傳至調度中心。系統(tǒng)結構如圖1 所示。

圖1 網絡架構

圖2 EconWorx-SWP軟件體系

1.1 現(xiàn)場通信層

現(xiàn)場通信層采用智能網關和VPN專用網絡構成，智能網關在云集控平臺與現(xiàn)場自控間起承上啟下的作用，即通過協(xié)議轉換實時采集自動控制系統(tǒng)信息（上行信息），并轉發(fā)至云集控平臺；云集控平臺操作下發(fā)控制命令時，將控制命令轉發(fā)至自控系統(tǒng)（下行信息），完成云端遠程操控。

1.2 VPN專網安全傳輸層

采用VPN（Virtual Private Network）虛擬專用網，分Client 與Server即在公用網絡上建立安全的“加密信道”，通過隧道協(xié)議通信，在協(xié)議上又分為PPTP、L2TP、IPSec等，連接在Internet上的位于不同地方的兩個或多個企業(yè)內部網之間建立一條專有的通信線路。本系統(tǒng)中在各項目現(xiàn)場配置VPN路由器（連接智能網關DataHub）作為VPN Client與云VPN服務器進行加密通信，使得傳輸數(shù)據安全可靠、又完全掌握著自己網絡的控制權。

1.3 系統(tǒng)平臺層

采用工業(yè)實時數(shù)據庫RdbPlus，RdbPlus 是一套工業(yè)生產數(shù)據信息應用、海量數(shù)據的壓縮存儲和分析系統(tǒng)平臺，以實時數(shù)據庫為核心，可以幫助用戶完成底層廣泛的生產過程數(shù)據整合（I／O Server）、實時數(shù)據服務（Rdb Server），海量歷史數(shù)據存儲和檢索，生產工況圖形組態(tài)和WEB 方式發(fā)布圖形系統(tǒng)。并開放API 和WebSocket接口供第三方訪問，便于第三方對工業(yè)數(shù)據挖掘與分析。IOServer 作為實時庫生產數(shù)據網關軟件，主要用于下層數(shù)據采集和控制輸出。當運營管控平臺向RdbPlus發(fā)送控制命令時，RdbPlus經網關IO Server下傳到控制系統(tǒng)。

1.4 生產運營管理軟件EconWorx-SWP

EconWorx-SWP基于SpringCloud 微服務框架，圍繞著各領域業(yè)務場景來開發(fā)應用服務組件，是EconWorx以分布式實時庫RdbPlus 為內核，集成開源分布式數(shù)據庫Hadoop及關系型數(shù)據庫構建數(shù)據中臺，服務平臺層基于微服務框架開發(fā)管理基礎工具箱，應用層調用平臺服務API可快速實現(xiàn)專業(yè)領域解決方案應用App。EconWorx具有高可靠、高可用、跨平臺、易伸縮特性，應用EconWorx可實現(xiàn)對大廣域機電系統(tǒng)可視化實時監(jiān)測、生產調度、節(jié)能控制及預防性運維管理。

2 系統(tǒng)功能設計

2.1 監(jiān)控管理

系統(tǒng)根據污水廠處理過程、工藝流程采集工藝儀表數(shù)據、各類型設備運行狀態(tài)信號和電氣數(shù)據和其他信息等，自動協(xié)調和管理污水處理過程，打印水處理報表、繪制趨勢曲線圖，報警及事件記錄。

生成污水廠的工藝流程、變配電系統(tǒng)實時動態(tài)圖、實時視頻瀏覽及智能聯(lián)動功能，給污水廠值班人員提供實用、清晰、友善的中文化的人機界面，生動形象地反映污水處理工藝流程、變配電系統(tǒng)的實時數(shù)據、完成報警、歷史數(shù)據、歷史趨勢曲線的存儲、顯示和查詢。生成、打印各類水處理運行管理的班報、日報、月報和年報表。對接入系統(tǒng)中的監(jiān)測點所對應的標簽進行管理，通過對標簽的報警閾值進行配置，可產生相應的報警事件。

2.1.1 工藝實時監(jiān)測

以工藝流程圖界面的方式，生動形象的將污水處理設施的現(xiàn)場情況展示出來。并在對應位置上展示集成化采集上來的動態(tài)實時數(shù)據情況，能夠一眼明白現(xiàn)場的狀況，如圖3 所示。

圖3 工藝實時監(jiān)測

2.1.2 輔助決策“一張圖”

“一張圖”能夠展示項目的基本分布情況、處理水質情況、出水量、主要參數(shù)指標曲線、處理成效等，使得用戶通過一張圖全局掌握整體生產情況，如圖4 所示。

2.1.3 歷史事件、報警功能

結合各污水處理設施的基礎數(shù)據信息，合理設置對應告警規(guī)則，以WEBGIS 的形式展示各污水處理設施的位置，并按照報警規(guī)則實時監(jiān)控各污水處理設施的告警狀態(tài)，狀態(tài)包括設備故障報警、工藝運行異常告警、固體藥劑量報警、藥劑桶內液體藥劑量報警、污泥累計量告警等，實現(xiàn)告警監(jiān)測的及時性、精準性、有效性。同時，針對告警情況，管理員可以進行告警處理流程跟蹤。

針對智慧運營管理平臺的告警提醒，當告警事項長時間沒有解決時，監(jiān)管平臺會逐步提高對巡檢人員的提醒頻率和強度，直至告警事情被解決。

2.1.4 歷史趨勢分析

默認情況下，展示各污水處理設施24 h 監(jiān)測數(shù)據曲線。結合數(shù)據的曲線情況，判定各項監(jiān)測指標變化趨勢是否正常，有沒有出現(xiàn)突發(fā)的數(shù)據跳變及其他異常，也可以選取特定時間展示。圖5 所示為趨勢分析。

圖5 趨勢分析

（1）對常用的、重要的參數(shù)曲線進行分類展示；

（2）曲線上展示指定時間段的最大值及最小值；

（3）可以對重要曲線進行配置；

（4）可對重要曲線進行實時展示；

（5）可以自定義同類設備相同的監(jiān)測量進行同比、環(huán)比分析，對同一設備的各個監(jiān)測量進行簡單的趨勢進行分析，為后期的大數(shù)據分析中的特征量獲取提供支撐。

2.1.5 分析報表

用戶可按需方便地自定義生產報表及業(yè)務經營報表，下載、上傳報表，如圖6 ～7 所示。

圖6 生產報表

圖7 經營報表

2.1.6 預案場景全自動化運行

污水廠正常生產運營時，需要運行人員根據相關運行參數(shù)對各個設備遠程啟停，這就需要運維人員了解整個工藝，控制流程不能錯亂。系統(tǒng)可設置多個預案系統(tǒng)，通過配置預案任務的觸發(fā)參數(shù)，可以設定的程序、定時順控啟、停整個生產工藝，當工藝段的某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)會按照程序自動停止關聯(lián)的設備，并發(fā)出報警通知相關負責人，負責人通過手機遠程調度維修人員進行處理。圖8 為工藝運行流程。

圖8 工藝運行流程

2.2 遠程控制

系統(tǒng)基于B／S 架構，應用PC／APP 基于圖形界面和中文提示方式，值班人員在區(qū)域控制中心通過計算機開啟或停止設備、設定控制調節(jié)參數(shù)，如圖9 所示。

圖9 控制及權限校驗

2.3 運營管理

2.3.1 設備巡檢管理

設備需要日常的巡檢和維護，調度人員根據實際情況在系統(tǒng)進行排班，巡檢人員進行巡檢并在系統(tǒng)填寫巡檢記錄；如在巡檢過程中發(fā)現(xiàn)設備需要維修，需要巡檢人員提交維修計劃請求。

（1）工藝巡檢

工藝巡檢，關注點為各工藝段的運行參數(shù)和狀態(tài)，如水的顏色、污泥顏色、工藝儀表參數(shù)等。在巡檢過程中，發(fā)現(xiàn)問題，可拍照上傳系統(tǒng)，并調整相關的工藝設備運行狀態(tài)。

（2）設備巡檢

關注點為各設備的運行參數(shù)和狀態(tài)，巡檢中發(fā)現(xiàn)生產運行中設備安全和運行異常情況，立即作出相應調整，確保穩(wěn)定運行，并記錄上報相關數(shù)據。

（3）視頻巡檢

視頻巡檢是在區(qū)域控制中心對各廠進行視頻巡檢，主要對人員和設施的安全、設備的正常狀態(tài)進行遠程視頻巡視，及時發(fā)現(xiàn)異常情況并進行調度處置或現(xiàn)場跟蹤復查。

（4）巡檢路線

粗格柵＋調節(jié)池＋進水泵房→細格柵＋沉砂池＋進水在線監(jiān)控→前處理工段（如有）→生化工段＋回流工段＋風機房→脫水間→二沉池→深度處理工段→消毒池＋出水在線監(jiān)控＋出水口；巡檢路線需要權限設定，設定后巡檢按路線執(zhí)行。

（5）巡檢計劃

系統(tǒng)可根據污水處理廠運維規(guī)程，各工藝設備巡檢頻率、巡檢工作內容指定巡檢計劃及對應巡檢項目，如圖10 所示。

圖10 巡檢計劃

（6）巡檢任務

巡檢任務可通過巡檢計劃周期生成，巡檢任務可以指定具體執(zhí)行人，也可以不指定執(zhí)行人，當不指定執(zhí)行人時，該任務可以被所有巡檢人看到并領取。在巡檢過程中，巡檢人可以對每個巡檢項檢查并確定是否報障。如圖11 所示，管理人員可以指派某個巡檢任務到具體執(zhí)行人，當點擊某個任務時，可查看到該任務規(guī)劃的巡檢路徑及巡檢人員的實際巡檢路徑，通過規(guī)劃路徑與實際路徑對比是否重疊，分析巡檢任務是否有漏檢項。

圖11 巡檢任務

2.3.2 設備保養(yǎng)管理

設備維護人員制定設備維護保養(yǎng)計劃，包括制定維護設備保養(yǎng)的年度計劃，月度計劃。計劃內容包括保養(yǎng)編號、設備編號、設備名稱、設備型號、使用部門、保養(yǎng)周期、保養(yǎng)時間、負責人、保養(yǎng)內容。填寫數(shù)據記錄，包括保養(yǎng)記錄、保養(yǎng)完成率以及異常情況記錄。

（1）保養(yǎng)計劃

保養(yǎng)計劃如圖12 所示。

圖12 保養(yǎng)計劃

（2）保養(yǎng)任務內容

保養(yǎng)任務內容如圖13 所示。

圖13 保養(yǎng)內容

2.3.3 設備維修管理

制定設備維修計劃，包括制定設備維修的年度計劃，月度計劃。計劃內容包括維修編號、設備編號、設備名稱、設備型號、設備所屬部門、維修周期、維修計劃時間、負責人、維修內容。填寫數(shù)據記錄，包括維修記錄、維修完成率以及異常情況記錄。

如圖14 所示，設備維修模塊中的維修任務來源于巡檢模塊及維保模塊的各個巡檢項，當巡檢人員在對具體設備進行巡檢過程中，發(fā)現(xiàn)設備的某項有問題時，通過故障描述、故障圖片、故障設備、設備位置等信息記錄報障信息并上傳到調度中心，并由調度人員來確定是否維修，什么時間、什么人對故障進行排除。

2.3.4 庫存管理

實現(xiàn)所有操作用戶通過系統(tǒng)對全廠的備件清冊及材料庫存臺帳進行查詢，備件供應信息，包括備件的入庫與出庫信息。備件供應信息包括出庫時間、入庫時間、備件編號、備件名稱、備件類型、備件型號、所屬部門、入庫量、出庫量、出庫備件領用部門、領用人用戶名、領用人密碼備件庫存額度，包括備件編號ID、名稱、類型、規(guī)格、型號、所屬部門名稱（不是部門ID）、最低庫存量、現(xiàn)有庫存量。備件采購與配送提醒，當庫存額度達到最低庫存量需要發(fā)出備件采購提醒；當現(xiàn)場施工工程中需要發(fā)出配送提醒。

3 應用效果分析

3.1 “斷點續(xù)傳”確保系統(tǒng)數(shù)據完整性

云實時庫采用廣播協(xié)議與各智能網關周期時鐘同步，智能網關與云實時庫通訊應用“斷點續(xù)傳”機制確保系統(tǒng)數(shù)據完整性，即當現(xiàn)場智能網關檢測與云實時庫斷網離線時，自動啟用數(shù)據本地緩存；當智能網關檢測與云實時庫恢復通訊后，自動啟用新鏈路將離線存儲數(shù)據文件單向推送至云實時庫，同時云實時庫自動將離線存儲數(shù)據插寫、補錄至歷史歸檔庫中。系統(tǒng)運行2年多以來，暫未發(fā)生因通訊中斷而發(fā)生的數(shù)據丟失情況。

3.2 數(shù)據加密傳輸確保數(shù)據安全性

現(xiàn)場智能網關與云實時庫通訊協(xié)議啟用自主加密／解密通訊機制，即智能網關對數(shù)據加密后傳輸，云實時庫接收數(shù)據后解密后解析應用，且加密算法周期動態(tài)變換，總體信息安全可靠。

3.3 設備操控客戶端授權管理

由于系統(tǒng)軟件架構采用B／S 設計方案，因此客戶端僅需要通過PC 瀏覽器或移動App 登入便可訪問系統(tǒng)。出于系統(tǒng)對設備遠程操控權限嚴謹、安全角度考慮，系統(tǒng)需對具備“操控權限”設備作合法授權管理。授權管理合理，確保了系統(tǒng)的安全運行。

3.4 運維任務自動管理

日常的各種運維任務需要人工介入分發(fā)任務及執(zhí)行任務。本方案采用運維系統(tǒng)及知識庫，自動制定各種任務計劃，周期、定時生成任務，并根據排班系統(tǒng)，直接分發(fā)任務給具體工種運維人員。同時采用視頻巡檢替代人員巡檢。利用數(shù)據分析對生產設備進行狀態(tài)評估，改變傳統(tǒng)的運維模式，從傳統(tǒng)的計劃檢修升級到狀態(tài)修，極大的降低了運維強度、難度、成本并有效延長設備壽命、提升系統(tǒng)的可靠性。圖15 所示為庫存物料管理。

圖15 庫存物料管理

3.5 無紙化運營

污水廠的運營情況，需要通過人員錄入數(shù)據到紙質文檔中，提供給負責人、決策者，讓其了解整個污水廠的運營情況，這會導致信息錯誤、信息不全的問題。本方案利用報表系統(tǒng)、調度系統(tǒng)、手機App，相關負責人可通過手機，實時知悉整個污水廠的運營情況，包括設備的運行情況、任務、水質等情況。

3.6 無人值守運營

本系統(tǒng)采用了預案場景全自動化運行、工藝實時監(jiān)控、預案場景順控、視頻監(jiān)視與聯(lián)動、智能運維巡檢、排班系統(tǒng)、人員考勤、績效管理、應急指揮及輔助決策等功能模塊，貫穿“人機料法環(huán)”，通過潮安區(qū)智慧運營管控平臺，污水處理廠及泵站運行由原來的12 h輪班監(jiān)控運行制轉變?yōu)?4 h無人值守不間斷運行，同時，整體需求人員減少了約10人，鎮(zhèn)級污水處理量同比增加約45%。

4 結束語

本系統(tǒng)采用了成熟的智能網關、VPN 專用網絡技術和工業(yè)實時數(shù)據庫RdbPlus，數(shù)據傳輸可靠，為實現(xiàn)無人值守提供了良好的網絡基礎；設計了集中管控系統(tǒng)，對區(qū)域內的各廠、各站、各村點集中監(jiān)管／管控、統(tǒng)一指揮調度，通過集控平臺對各個設施點直接遠程控制，對各個生產、安全環(huán)節(jié)直接視頻巡視，減少或取消單廠中控運行、安防值班人員，強化項目點的巡檢、維護和異常情況處理；通過平臺應用，設計了流程管控，巡檢、維護、維修實行工單制，工作流程規(guī)范高效，時效＋量化管理，系統(tǒng)自動考核評價，激勵員工高效工作，進一步優(yōu)化系統(tǒng)功能和人員配置；通過應用平臺，設計了移動管控，所有崗位隨時隨地24 h通過手機移動終端監(jiān)控水廠運行、接受派單，隨時查詢數(shù)據、分析數(shù)據，做出決策并信息交互。通過應用平臺，在潮安PPP項目初步實現(xiàn)了無人值守的污水廠管控系統(tǒng)，減少人力成本，同時也加強了對污水廠的巡檢、維護、維修管控，取得了預期成果。