基于物聯網的污水處理生產監控系統

楊建村，吳光軍*，劉萍，李小民，仇興興

?

基于物聯網的污水處理生產監控系統

楊建村1，吳光軍2*，劉萍2，李小民3，仇興興3

(1. 中石化勝利油田分公司，山東東營，257061；2.北京中控訊智能技術研究院有限公司，北京昌平，102249；3. 安徽中控儀表有限公司，安徽池州，247210)

針對目前污水處理廠缺乏有效監管，運行效率低、運行模式粗放等現狀，搭建基于物聯網的污水處理智能管控系統。本文闡述了污水處理智能管控系統WTSmart的系統架構及系統功能。重點研究了如何應用WTSmart系統對污水處理廠工藝生產數據的采集，污水處理運行的生產監控，解決污水處理信息傳遞脫節，運營管理水平不一，重點單元能源消耗大等問題，實現污水處理達標、降低運行成本、生產管理水平提升。

污水處理；智能管控；生產監控；系統架構

1 引言

污水處理行業是國家新興戰略產業之一，隨著我國水務環保行業市場化程度的逐步加大，市場涌現出許多全國性和區域性的大型水務集團公司或者大型的污水處理廠。相對大型水務集團公司，其各個污水處理廠地域分布廣泛，從而導致集團與廠之間容易產生信息傳遞脫節，而各廠運營管理水平不一，運營管理人才短缺，且重點單元能源消耗大，這些問題日益突出，從而使得水務集團公司迫切需要進行集約化管理，來實現企業資源的合理配置；針對大型的污水處理廠，如何提高污水處理的運行效率，降低能耗、提高污水的出水達標率是提高污水處理企業市場競爭的一個重要辦法。

因此，面對這些嚴重阻礙集團及各污水處理廠發展的問題，搭建一個污水處理智能管控系統平臺，以提高污水處理管理水平為目標，通過對各污水處理廠工藝生產數據的采集，完成污水處理運行的生產監控，實現污水處理工藝的優化調整，解決實際生產中的問題，從而降低水廠運行成本，提高水處理達標率。

2 系統架構

WTSmart污水處理智能管控系統是在工業生產過程智能iPES[1]系統平臺上配置的一個行業應用。 WTSmart污水處理智能管控系統圍繞數據采集傳輸（數據源）、數據庫、組件配置與數據綜合應用三層來構建。該系統是一套以工業生產物聯網為基礎，以提高污水處理管理水平為目標，通過對污水處理廠工藝生產數據的采集，完成污水處理運行的生產監控，實現污水處理工藝的優化調整，解決實際生產中的問題，從而降低水廠運行成本，提高水處理達標率。該系統集組態監控、生產監控[2]、工程分析、設備管理、生產運維[3]、工況診斷[4]、優化決策、綜合評價[4]、專家知識庫、智能移動終端等功能于一體，保障污水處理日常運行的的安全、高效、節能、環保。如圖1所示，為WTSmart污水處理智能管控系統架構圖。

圖1 WTSmart污水處理智能管控系統架構圖

2.1 數據采集傳輸層

通過安裝在粗格柵、提升泵房、曝氣池等工藝區間的機泵、流量計等智能設備并獲取電機電流、電壓、不同污水水源下的含量、各種能耗、物耗和進、出廠水流量的計量和累計、生產過程設備工況和工藝流程狀況監測等，通過數據采集系統將實時數據直接存入系統數據庫中。

2.2 數據庫、組件配置層

以數據管理、公共組件配置、模塊集成、系統部署為步驟進行系統平臺搭建，配置的應用系統具有模塊高擴展性和應用功能高定制性，既可滿足生產監控要求，也可滿足不同用戶進行深化應用的個性化需求。

2.3 數據綜合應用層

應用層是將數據呈現給用戶或處理用戶輸入的應用程序或系統一部分。以提高污水處理生產管理水平為目標，完成集污水生產過程監控、生產參數監控、污水處理能力分析評估、水質達標率分析評估、污水處理工況診斷、工程分析、優化設計、智能控制、設備管理、生產運維、指標評價（KQI）等功能的開發與綜合應用，從而保障污水處理的安全、高效、節能、環保。

3 生產監控功能介紹

本文重點介紹WTSmart系統對污水處理廠工藝生產數據的采集，污水處理運行的生產監控，實現污水處理達標、降低運行成本、生產管理水平提升。

3.1 污水處理工藝采集內容及方法

污水處理工藝整個過程為通過粗格柵的原污水經過污水提升泵提升后，經過格柵或者砂濾器，之后進入沉砂池，經過砂水分離的污水進入初次沉淀池，初沉池的出水進入生物處理設備，有活性污泥法和生物膜法，(其中活性污泥法的反應器有曝氣池，氧化溝等，生物膜法包括生物濾池、生物轉盤、生物接觸氧化法和生物流化床)，生物處理設備的出水進入二次沉淀池，二沉池的出水經過消毒排放或者進入三級處理，三級處理包括生物脫氮除磷法，混凝沉淀法，砂濾法，活性炭吸附法，離子交換法和電滲析法。二沉池的污泥一部分回流至初次沉淀池或者生物處理設備，一部分進入污泥濃縮池，之后進入污泥消化池，經過脫水和干燥設備后，污泥被最后利用。

污水處理廠需要保持24 h不間斷運行，污水處理各類建筑物分布區域較廣，因此，污水處理數據采集采用“集中管理、分散控制”的原則控制布局，前端通過PLC采集各區域的數據信息，如粗格柵、提升泵、曝氣池等，并最終匯到監控中心進行集中管理。針對污水處理工藝，主要監控數據如表1所示。

表1 污水處理工藝監控參數

3.2 生產監控

目前很多大型的污水處理廠內部都存在著信息孤島的問題，格柵井、沉沙池、生化池、二沉池、污泥回流池、高密沉淀池、消毒池、脫泥間、風機組、加藥間、清水池等每個工藝流程的信息化都是獨立存在的，并沒有統一的平臺將其整合。

WTSmart系統采用B/S架構，系統以污水處理企業現有或新建的自動化控制系統中的生產運行數據為采集源，通過數據采集平臺以及數據傳輸網絡從前端各區域PLC中自動、實時地將生產運行數據傳輸到監控中心。

3.2.1 組態監控

WTSmart系統采用上位機組態監控污水處理工藝流程的各個區域，通過組態監控軟件對整個污水處理系統中各生產流程、各工藝設備節點的所有動態進行畫面與數據的集中可視化展示；異常報警給后臺監控人員以及管理人員進行展示。

整個污水處理系統工藝中有格柵井、沉沙池、生化池、二沉池、污泥回流池、高密沉淀池、消毒池、脫泥間、風機組、加藥間、清水池等處理單元，包括機械格柵、提升泵、攪拌機、羅茨鼓風機、加藥泵、溶藥裝置、污泥螺桿泵等電機設備，有近20個變量；在上位機組態監控界面中在可視化展示、報警展示功能應用的情況下還可以進行設備控制、實時數據顯示、歷史數據及曲線、報表輸出等多個功能的開發與應用，并實現重點能耗管控的功能。XXX城市污水處理廠組態監控如圖2所示。

圖2 XXX城市污水處理廠組態監控

3.2.2 系統特點

WTSmart系統完成生產過程主要參數（不同污水水源下的含量、各種能耗、物耗和進、出廠水流量的計量和累計、生產過程設備工況和工藝流程狀況監測等）的采集；使企業各級人員隨時掌握生產運行情況。

? 自動采集、實時存儲和監控污水企業自控系統中的在線儀表、設備的運行數據；

污水處理廠通過PLC系統采集和控制均質調節池、再生池、沉淀池、水解池、好氧池、二沉池、污泥脫水、消毒、一級處理的所有設備及傳感器。PLC間數據通過總線進行數據交換，實現數據共享。操作人員通過組態軟件向PLC發出相應的控制指令后，由PLC對現場進行直接控制。此時即便上位機出現故障（如死機、掉電等），也不會影響系統的正常工作，這樣做大大提高了系統的安全穩定性。圖3污水處理工藝流程圖。

圖3 污水處理工藝流程圖

? 企業生產運行情況實時圖形化展示，可通過網絡遠程查看；系統采用B/S架構，可通過Web瀏覽器直接訪問。如圖4為污水處理提升泵運行狀態圖。

圖4 污水處理提升泵運行狀態圖

? 歷史生產運行數據可隨時進行快速查找和查看，并具有報表自動生產功能；

? 生產運行數據可通過柱狀圖、餅圖、曲線圖等效果進行直觀對比；圖5為污水處理生產運行總成本核算圖。

圖5 污水處理生產運行總成本核算圖

? 自動監視各類生產運行數據，發現異常實時報警；

? 報警處理過程及處理結果可進行跟蹤和記錄；

? 歷史報警信息可進行查詢、匯總及統計分析；

? 可編寫報警處理預案，為報警處理提供參考，提高處理效率；

? 生產運行報表信息統計功能，如不同污水水源下的含量、各種能耗、物耗和進、出廠水流量的計量和累計、生產過程設備工況和工藝流程狀況監測報表等；

5 結束語

本文重點介紹了WTSmart污水處理智能管控系統中的生產監控功能模塊，并通過組態直接展示污水處理各個工藝流程，解決污水處理信息傳遞脫節，運營管理水平不一，重點單元能源消耗大等問題，實現了污水處理過程的快速處理，以及生產管理水平的快速提升。

WTSmart污水處理智能管控系統不僅適用于大型的水務集團公司，也適用于各個污水處理廠，該系統通過物聯網、云技術以及大數據挖掘技術，將各個污水處理廠前端的各個污水處理工藝的運行情況集中在云平臺上進行綜合運維分析處理，最終實現污水處理工藝的優化調整，解決實際生產中的問題，降低水廠運行成本，提高污水處理達標率。

[1] 吳光軍, 檀晨, 毛軍軍, 李小民. 工業生產過程智能系統IPES的研究及應用[J]. 數碼設計, 2016, 5(2):52-55.

[2] 檀朝東, 楊若谷等. 油氣水井生產物聯網系統iPES的技術研究[J]. 中國石油與化工，2012, 3, 64-67.

[3] 檀朝東, 張恒汝, 馬永忠, 楊兵, 王輝萍. 油氣生產大數據挖掘系統的研究及應用[J]. 數碼設計, 2016, 5(1): 49-52.

[4] 羅印升, 李人厚等. 復雜工業過程中數據挖掘模型研究[J]. 信息與控制.2003, 32(1):35-31.

[5] 廖俊. 基于B/S模式的遠程監控系統的研究及軟件實現[D].西南交通大學, 2006.

[6] 李玉梅. 動態WEB數據庫應用研究[D]. 昆明理工大學, 2001.

[7] 喻火亮. 智慧污水管理綜合應用平臺的構想和實現[J]. 科技創新導報, 2015,(30):162-163.

[8] 李彥, 馬麗輝. 污水處理企業信息化建設淺析[J]. 西南給排水, 2009, (02): 40-43.

[9] 楊斌. 信息化管理技術提高污水處理企業運營管理水平[A]. 全國給水排水技術信息網. 2011全國給水排水技術信息網年會暨技術交流會論文集[C]. 全國給水排水技術信息網:, 2011:3.

[10] 高峰. 污水處理信息綜合管理系統設計方案[J]. 城鄉建設, 2008, (10): 69-70.

[11] 葛守飛, 濮文虹, 李振宇, 王璐瑋. 污水處理工藝選擇決策支持系統的開發與應用[J]. 工業用水與廢水, 2005, (05): 9-12.

IOT Related Production Monitoring System of Sewage Treatment

YANG Jiancun1, WU Guangjun2*, LIU Ping2, LI Xiaoming3, QIU Xingxing3

(1. Sinopec Shengli Oilfield Branch, Shangdong Dongying 257061; 2. China; Beijing SmartCon Technology Research Institute Co., Ltd, Beijing 102249, China; 3. Anhui FirstCon Instrument Co., Ltd, Anhui 247210, China)

For the current situations of non-effective supervision, low operation efficiency and extensive running mode in water group companies, the system structure and system functions of WTSmart is expounded in this system. We focus on using the functions of data acquisition and production monitoring in WTSmart system to solve the problems such as disconnection in information transfer, different levels in operation management and large energy consumption in key units and to realize the water treatment passing rate improved, the operation cost of the sewage plan reduced and the level of production management enhanced.

sewage treatment; smart monitoring and control; production monitoring; system structure

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.01.10

X799.3

A

1672-9129(2017)01-0037-04

2017-01-09；

2017-01-18。

楊建村，男，中石化勝利油田分公司，東辛采油廠，營二作業區。吳光軍（1985-），男，安徽池州，安徽理工大學自動化專業，研究方向：工業生產過程及自動化控制。劉萍（1991-），女，湖北荊門，研究方向：大數據挖掘應用。李小民（1985-），男，安徽安慶，安徽農業大學，研究方向：工業生產過程及自動化控制。仇興興（1989-），男，安徽安慶，黃山學院，研究方向：工業生產過程及自動化控制。E-mail：541403412@qq.com