中小污水廠無人值守控制系統建設方案分析

蘇煒 陳好學 曹立業

摘要：中小型污水處理廠為了降低運營成本會采用“無人值守、定時巡檢”的模式來運維。而要實現“無人值守”，就對自動控制系統提出了新的要求，應按“信號可知、畫面可看、智能可控、系統可靠、權限可設”的原則配置系統，多個污水廠設置一個監控中心，通過專線網絡監控所有廠站的所有設備;相應地，軟、硬件也要根據功能適應這種配置要求。

關鍵詞：無人值守;污水處理廠;自控系統;PLC;智慧水務

0? ? 引言

分布式污水處理系統大多為一體化小型裝置，這種小型污水處理裝置雖然能節省管網等建設投資，但也存在水量不穩定導致運行不連續、出水達標不穩定等諸多問題，而且由于其數量巨大，帶來的運維及管理問題層出不窮。因此，就近建設管網，將污水收集后輸入規模稍大的污水廠進行處理，在一個片區（區縣域）內將數量眾多的一體化裝置變成數座或數十座具有一定規模的中小型污水處理廠，應該說是個兩全的方案。

對于此類規模的小廠，一般采用“無人值守、定時巡檢”的模式來運維。由于這類廠的系統遠比一體化污水處理裝置復雜且規模大、設備多，但規模又小于一般的城市污水廠，其控制系統如果采用傳統污水廠自控系統配置思路將無法滿足“無人值守”的要求。針對這種情況，其自控系統的建設應遵循下文所述思路進行。

1? ? 系統方案

無人值守污水廠的控制系統整體架構如圖1所示。

總的來說就是：設置一個監控中心，通過專線網絡監控所有廠站的所有設備。也就相當于把傳統污水廠的中控室集中到一個地方來進行監控。現場人員采用巡檢的方式，利用手機移動App、工業Pad等設備也可實現移動端的監控。

遠程運維及監控平臺是由上位遠程監控系統和各廠站PLC自控系統通過專線網絡聯網組成的。各廠站自控系統是各站點的PLC控制系統，完成各污水處理廠的自動運行控制;使用統一的網絡接口設備接入運維平臺的數據庫，并可在監控中心的人機交互畫面中監控。各污水廠的視、音頻上傳至監控中心，可作為遠程監控的輔助措施，既可以獨立顯示也可以嵌入到監控組態畫面中，這樣可以使遠程操作直觀、安全、可靠。

各廠站自控系統應實現如下功能：

（1）無需專守：設備配備智能化控制系統并可接入遠程運維平臺，無需增派專人值守。

（2）自動運行：自動控制系統可確保設備全自動運行。

（3）遠程視頻巡檢：運維人員可以在控制室通過訪問數據中心的視頻數據庫監看各站點的視頻影像。

（4）定期巡檢：由運行單位定期對設備進行巡檢和預警，能夠確保污水處理廠站設備的運行高效、正常。所有巡檢任務可由監控中心通過手機App下發，巡檢記錄等均可通過手機App填報上傳，實現高效無紙化辦公。

2? ? 控制系統的配置原則

對于中小型污水廠的無人值守監控系統除了要實現傳統的控制目標之外，還應按“信號可知、畫面可看、智能可控、系統可靠、權限可設”的原則配置系統。

（1）信號可知：信號采集要全面，全面感知污水廠運行狀態。

一般大型污水廠會一直有人值守，故其自控系統對于一些非主要設備的信號或參數采集不是很全面，也不會影響其正常運行。而無人值守污水廠雖然有監控中心遠程監控，但由于一般不會一對一配置監控人員，而且沒有人及時巡視設備和水質，所以需要完整、全面地采集所有設備的工作狀態及工藝參數，并根據這些參數實現自動決策控制、自動上報，大部分情況可以自動處理，自控系統無法判斷的可以由監控值班人員根據上傳的信號進行人工決策。

對于重要設備應當配置馬達綜合監測儀，并以通信方式全面采集設備運行參數，自動分析設置好報警值。電力系統、UPS系統的信息也應以通下方式采集至自控系統。

（2）畫面可看：增加工藝系統視頻監控，實現所有設備實時監看。

在有人值守的情況下，一般污水廠的視頻監控系統配置往往比較稀疏，且多為槍機，只有視頻而無音頻信息，設備的狀態往往由于視角太大無法在視頻圖像中看清楚。而無人值守污水廠的中心監控畫面除了要有能夠反映全部數據的綜合監控數據畫面及獨立的視頻系統之外，所有設備都應有高清云臺攝像機監看，軟件平臺中可以做報警聯動，即設備運行狀態改變或出現故障，攝像頭應自動對焦該設備，并在運行監控的組態畫面中插入以彈窗形式出現的設備信息及現場視頻和音頻，這樣可以確保設備運行狀態改變及故障時第一時間了解現場情況。組態畫面的設備操作畫面中需要顯示實時視頻及音頻，這在一些設備進行遠程啟停時尤為必要，可有效避免一些安全事故的發生。圖2為一個設備子畫面（設備標簽頁）的樣例，App和Pad上畫面內容相同，但操作需要授權。同時，由于廠站數量多，設備數量巨大，設備標簽頁還應有按鈕鏈接設備資料信息（設備檔案），同時可在監控中心或移動端查看，包括設備圖紙、維保信息、說明書、生產廠商信息等，便于運維人員現場維護。

（3）智能可控：工藝設備全部可自控，實現全工藝流程控制，底層控制軟件應具有智能故障處理功能。

對于不經常使用的工藝設備如一些閘門、事故水泵、換氣扇甚至照明等，傳統污水廠自控系統為了節省投資往往只有手動控制，但在無人值守的情況下把這些設備的控制接入自控系統尤為重要。

由于各廠站大多會采用單元化、模塊化設備，每個單元或模塊會配置控制器，因此可以在每個廠站設置一個或數個PLC站點，通過現場工業通信網絡連接。每個廠站配置一臺上位機或基于Windows平臺的工業PC，預裝組態系統并與監控中心連接，可以實現對于本廠站的全部監控功能，與操作員在監控中心的界面一致。

工藝設備全部自控的情況下對于傳統常用的一些控制方式也需要做一些調整：對于底層的控制站點控制程序應具備一定的故障診斷及自主處置能力，為了防止設備或系統出現問題時人員無法及時到達現場，必須依靠自控系統完成一些基本的故障處置。同時由于每個操作員面對的是數量相對巨大的設備和廠站，因此一些需要隨時調整的工藝運行控制也必須一定程度上智能化，實現自主調整運行。

例如：污水廠的鼓風機系統歷來是耗能大戶，有經驗的操作人員可以在確保出水達標的前提下，通過頻繁改變風機的運行臺數、頻率等方式實現節能。但在操作人員數量少、面對的廠站數量多的情況下實現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，通過數據積累，可以利用中心服務器的強大運算能力進行大數據分析，得出日益優化的運行控制參數，從而使系統的運行“越來越節能”。

（4）系統可靠：系統需響應迅速、運行穩定、動作可靠。

控制系統的可靠性和穩定性是基本要求，但對于無人值守污水廠來說，尤其要關注的是電氣控制回路的可靠性和通信系統的穩定可靠。

傳統的自控電路一般在自控模式下采用單點保持型輸出控制，在這種控制模式下，設備的運行是靠自控系統的單點信號輸出保持的，由于這種控制方式下PLC的輸出繼電器是一直通電運行的，極易發生損壞或“閃斷”，導致設備停機甚至損壞。如果自控系統發生掉電等故障使輸出丟失，在大量設備自控運行的情況下，會導致全部設備突然停止運行，引發事故。

采用雙點脈沖輸出的方式控制設備啟動和停止可以避免以上問題，在這種控制模式下，設備的啟動和停止是由兩個輸出點的脈沖輸出分別控制的，這樣即使控制系統故障，設備也會保持原有的運行狀態，極大地提高了系統的可靠性。

通信系統是無人值守污水廠的神經系統，其可靠性和穩定性直接影響著系統的安全。

對于通信系統整體架構來說，由于每個廠站的視頻信號傳輸要求較高，因此各廠站應有專線光纖接入，以保證足夠的帶寬及安全性;較大規模的重要站點，應考慮雙運營商接入或無線網絡接入的備份網絡架構。

對于場內的通信系統來說，從節約投資的角度考慮，控制系統可不采用冗余配置，但是對于較大的廠站，現場通信網絡宜采用冗余環網結構。同時，廠區可覆蓋Wi-Fi信號，便于運維人員使用移動設備，但要做好網絡安全工作。

PLC控制系統及視頻、網絡系統UPS應采用在線式，并確保一定的續航能力。

（5）權限可設：統一的監控平臺系統需實現多點、多平臺部署，分權限分層級操作。

遠程運維及監控平臺的建設思路如下：資源共享，分級授權，對于不同的運維人員分層級設置不同的權限。這樣可以使平臺的監管、操作、維護以及整體的運營模式都統一到一個平臺上來，不僅可以確保系統安全穩定，還大大節約了投資。

運維人員按權限可以分為工程師、遠程操作員、移動操作員。工程師可以配置系統的所有權限，并可以對操作員權限進行配置;遠程操作員可以對各廠站的設備進行遠程操作及遠程巡檢;移動操作員可以對各廠站的設備按條件（比如定位到廠站后或進入廠站Wi-Fi后）進行操作。對于移動操作員，按職責又可設定不同權限，比如班組長可以使用移動設備進行控制，其余人員只能查看，或使用工業Pad時可以擁有高一些的權限等。

3? ? 監控及數據中心平臺建設方案

監控及數據中心是無人值守污水廠系統的大腦，其重要性絕不僅僅是一個放大了的污水廠中控室，其軟硬件配置及運行是決定整個系統是否可以正常運行的關鍵。

3.1? ? 監控中心平臺

統一建設一個集中監控中心平臺系統，將所屬站點的數據信息及監控畫面進行統一展示及管理。各廠站的運行數據和監控數據以及視頻、音頻一并通過統一網絡傳輸至監控中心，進行實時監控、調閱、備份。

監控中心機房可采用自建服務器或租用商用云服務器，所有數據存儲于該中心服務器，針對不同用戶可以由管理員根據需要設置不同權限，便于統一維護和管理。

監控中心設置至少2臺工程師站、數臺操作員站以及實時數據庫服務器、管理服務器等，根據廠站數量分組，一般應配置N（分組數）×2臺操作員站。每臺工程師站可對整套系統進行修改或設置權限，每臺操作員站亦均可監控全部系統內的設備，這樣可以互為備份。但實際使用時，為確保職責明確，可以由工程師站進行權限設置，不同的操作員可以按分組只能操作指定的廠站。

為使系統具有良好的可擴展性與可維護性，平臺接入使用統一的安全策略和統一的地址分配，便于以后增加站點或增加檢測點位。

監控中心需配置必要的防火墻、網關等設備。

3.2? ? 監控軟件的訪問權限

整個監控平臺按權限可以劃分為四層：

第一層：工程師賬戶，可以監看和修改全部各站點的所有數據或設置分配權限;

第二層：操作員賬戶，可以監控其轄區內站點所有數據;

第三層：移動端賬戶，可以監控其所負責運維的站點設備運行狀態及數據，可利用口令進行一定范圍的操作;

第四層：瀏覽賬戶，只可查看系統內數據，不可操作。

在系統辦公網絡和互聯網中，終端用戶（管理人員、運行人員等）憑借密碼和權限遠程Web訪問查看數據中心內數據服務器的數據。

4? ? 結語

綜上所述，無人值守污水廠的自控系統不但會大大降低管理成本，降低運維人員數量及工作強度，還可以帶來降低系統運行能耗、藥耗，預防事故發生，延長設備壽命等一系列效益，這對于整個污水處理行業的發展具有重大意義。

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[2] 張守偉，段麗霞.污水處理自動化儀表設計與應用[J].制造業自動化，2011（6）：164-166.

收稿日期：2020-04-21

作者簡介：蘇煒（1972—），男，山東臨朐人，工程師，研究方向：工業自動化。