基于物聯網的農村污水處理站運維監管系統構建

摘 要：針對我國農村數量眾多，分散較廣，污水處理站傳統運維模式成本太高的問題，提出基于物聯網的農村污水處理站運維監管解決方案。文中基于Web-SCADA組態軟件、物聯網傳感器、移動通信等技術構建了農村污水處理站運維監管系統。系統實現了農村污水處理站的集中監管和自動化運維，可以根據污水量大小自動控制水泵的啟停，提高了運維效率。

關鍵詞：物聯網；PLC；自動化運維；組態軟件；Web-SCADA；農村污水處理

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）06-0-02

0 引 言

農村人居環境整治的關鍵是農村生活污水、廁所糞污治理水平的提升。國家農業農村部、生態環境部、國家鄉村振興局等部委聯合印發了《農業農村污染治理攻堅戰行動方案（2021—2025年）》，方案[1]要求各地集中整治污水亂倒、污水亂排現象；鼓勵開展農村生活污水治理一體化建設。我國污水處理目前主要采用集中在城市及城市周邊修建大型污水處理廠，通過排水管廊收集污水集中處理的方式。農村污水是指農村地區居民在生活和生產過程中產生的污水[2]，目前我國農村污水治理現狀是農村數量眾多，分布較散，排水量相對較小[3-4]，因此在農村建設小規模生活污水處理站進行分散式污水處理。

農村污水處理站面向農村基層，具有數量多，單站點污水處理量較小，站點群集中管理等特點，若采用傳統運維方式，每個站點安排人員值守，會造成大量人力資源浪費。農村污水處理站運維效率的高低對當地居民的日常生活有極大影響，傳統運維模式不能滿足自動化、及時性、無人監管、低人工成本的需求，亟需采用物聯網、4G/5G通信、云計算等新技術，建立具有在線監測、故障報警、遠程維護等功能的農村生活污水處理站運維監管云平臺[5-7]。

1 系統架構

基于Web-SCADA組態軟件技術[8-9]開發農村污水處理站運維監管系統，通過本地PLC（可編程邏輯控制器）及物聯網網關設備，將傳感器采集的數據利用4G/5G通信傳輸至云平臺服務器，通過瀏覽器訪問進行操作和展示。Web-SCADA技術的優點是與常規B/S架構的組態軟件相比，實時性較高；基于HTML5+CSS技術，臺式電腦、手機、平板等都可以直接進行頁面訪問、系統控制等操作；功能集成度較高，通過模塊的拖拉拽實現組態軟件，無需專業的開發人員，軟件使用和系統部署方便快捷，用戶可自行修改和維護系統。系統架構如圖1所示。

2 系統功能

農村污水處理站運維監管系統主要包括用戶權限管理、自動化運維、虛擬流程仿真、數據可視化、系統安全管理、遠程設備控制、緊急告警等。

2.1 用戶權限管理

基于用戶和角色的權限管理模塊可以設置不同用戶對系統的操作權限，將數據讀寫、頁面訪問、設備操作控制等權限自由組合并分配給用戶，普通用戶只能查看數據，只有擁有管理權限的運維人員可以對設備進行控制。

2.2 自動化運維

通過傳感器與PLC控制污水處理設備實現無人值守自動運行。在調節池安裝液位計，污水量不足時，調節泵不工作；污水液位達到50%時自動啟動1個調節泵；當處于排污高峰期，污水液位達到90%時同時啟動2個調節泵，快速進行污水處理。通過污水量的變化控制調節泵的工作時間，延長泵的使用期限。

2.3 數據采集及可視化

數據可視化模塊可以對接多個污水處理站，將多個站點的污水處理量、設備能耗等數據通過數據大屏展示，方便管理部門對轄區內污水處理站進行統一管理。根據監測指標確定監測方式和監測設備。為監測日處理量，設置日排放量監測指標，在污水處理站進污口和出水（經處理的污水）口安裝流量計，通過移動通信或互聯網網關設備將數據傳輸至運維監管系統，在相關頁面進行數據展示并存入數據庫，用戶可以通過系統查看污水處理站的日處理量及日排放量；設置污泥泵運行狀態監測指標，將污泥泵運行狀態通過監測設備傳輸至運維監管系統，用戶可以通過系統實時查看污泥池中的污泥泵是否正常運行，以便及時進行檢修、維護或更換。通過手機訪問系統頁面如圖2所示。

2.4 虛擬流程仿真

虛擬流程仿真展示即將污水站污水處理工藝流程及設施設備通過圖像建模進行展示，使得非專業技術人員也能了解污水站的運行情況。通過對比農村污水處理站常用的污水處理工藝，如AAO工藝（厭氧-缺氧-好氧法）、MBR工藝（膜生物反應器）、SBR工藝（序批式活性污泥法）、化糞池、一體化處理技術及組合工藝等[10-11]，在污水處理工藝流程適當節點嵌入監測設備，利用Inkscape矢量圖形編輯軟件對污水處理工藝流程中的所有設備進行圖像建模，形成一套與真實污水處理流程相同的虛擬仿真工藝流程，結合實時監測信息，將設備當前運行狀態、污水處理各環節信息等直觀展示在用戶面前，可以降低運維監管單位對工作人員的技術要求。以目前廣泛適用的農村一體化污水處理設備AAO（厭氧-缺氧-好氧法）工藝為例，其流程仿真如圖3所示。

2.5 系統安全管理

云計算平臺的網絡安全尤為重要，因為其不僅涉及生產數據安全，還具有對設備的控制功能。該系統具有基于多層次和基于角色的安全系統，實現了非常靈活的安全管理。來自一個區域的一個操作者僅能夠根據權限來查看和控制對應的設備，實現基于角色權限的安全管理。允許一名工程師在現場登錄時更新設置，但在遠程登錄時只具備監控權限，無法控制設備，以實現基于IP地址的安全管理。兩名工程師同時對一個設備進行控制操作時，權重級別高的工程師的控制操作有效，以實現基于權重的安全管理。同時，有完善的日志系統記錄操作員的所有操作。

2.6 遠程設備控制

遠程設備控制可以遠程控制污水處理設施設備的啟動與停止。農村污水處理站通常較為分散，遠程操控設備可以極大地節省人力物力成本。通過虛擬儀器儀表對污水處理站的設備進行控制，如圖4所示。

2.7 緊急告警

緊急告警模塊可以對污水站設備的水位過高或過低、設備故障等特殊情況進行告警。緊急告警可以通過郵件、短信等方式提醒。告警界面如圖5所示。

3 結 語

文中將傳統適用于大型項目的云計算平臺應用到農村小型污水處理站，基于Web-SCADA組態軟件技術構建小型污水處理站運維監管系統，解決了地方行政區域內多個農村的分散式小型污水處理站自動化運維與監管工作難以落實的問題，通過虛擬流程仿真及數據可視化，讓運維人員對污水處理情況有更直觀、更全面的了解。同時，農村污水處理站運維監管系統可以對污水處理主要設備的運行狀態進行實時監控，對設備故障及時預警，運維工作人員可以通過系統查明故障設備，及時采取有針對性的解決方案，節省人員成本、時間成本，提高運維效率，以更好地推進鄉村振興。

參考文獻

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作者簡介：張 濤（1991—），工程師，碩士在讀，研究方向為軟件工程、物聯網技術。

朱美玲（1960—），教授，博士生導師，研究方向為項目管理、經濟管理。