淺談無人值守系統(tǒng)在污水處理廠的應(yīng)用

郝 華，孫海波，馬建彬，宋 頡

（中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津300381）

目前，污水處理廠的自動化運行程度越來越高，很多大型的污水處理廠已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動檢測、控制、調(diào)節(jié)和保護。這在提高生產(chǎn)力、提高管理水平、降低人工成本等方面起到了決定性作用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，在自動化運行基礎(chǔ)上逐漸增加了無人值守系統(tǒng)。無人值守系統(tǒng)通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的整合，經(jīng)過二次開發(fā)使得辦公逐漸無紙化，值班人員只需通過手機App便能對現(xiàn)場情況一目了然，系統(tǒng)自動運算能夠做到提前預(yù)判，預(yù)防不必要的風(fēng)險；實現(xiàn)設(shè)備的集中、高效管理，解決設(shè)備管理多雜、分散的困境；規(guī)范統(tǒng)計設(shè)備基本信息、存量等，使得設(shè)備統(tǒng)一管理、調(diào)配；定時提醒設(shè)備維修、養(yǎng)護工作規(guī)劃的制定，提高工作效率；視頻移動偵測及時發(fā)現(xiàn)入侵并報警[1-3]。整個系統(tǒng)可以自動操作、分析和打印，大大減少了人為因素造成的錯誤，為業(yè)主節(jié)省人工勞動成本，提高了生產(chǎn)效率。在此介紹無人值守系統(tǒng)在污水處理廠的應(yīng)用。

1 無人值守系統(tǒng)描述

無人值守系統(tǒng)要求：現(xiàn)場工藝設(shè)備可靠運行，故障率低；全部工藝設(shè)備必須采用電動裝置可遠(yuǎn)控；自控儀表系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施健全，所有現(xiàn)場檢測儀表及設(shè)備數(shù)據(jù)能夠上傳至中央控制系統(tǒng)，并且能夠?qū)υO(shè)備發(fā)出控制命令；安防系統(tǒng)健全，能夠?qū)崟r上傳監(jiān)控數(shù)據(jù)。

污水處理廠的無人值守系統(tǒng)硬件和軟件是根據(jù)項目現(xiàn)場實際情況提出的。它整合全廠自控儀表系統(tǒng)、工藝建模與優(yōu)化及精確曝氣控制系統(tǒng)、趨勢及報表系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、突發(fā)情況和故障處理預(yù)案系統(tǒng)、報警系統(tǒng)的綜合監(jiān)管系統(tǒng)。該系統(tǒng)能將人工工作量降到最低，從而實現(xiàn)污水處理廠無人化管理。

通過對各子系統(tǒng)的整合，無人值守系統(tǒng)實現(xiàn)了強大的容錯能力。在污水處理廠生產(chǎn)過程中發(fā)生各種故障或緊急或重大事件時，系統(tǒng)能夠第一時間響應(yīng)并自動給出合理解決策略，從而保障污水處理廠生產(chǎn)的平穩(wěn)性，并達(dá)到無人或者少人值守功能。

常規(guī)的污水處理廠基本運行和監(jiān)控軟件功能已健全，下面詳述在無人值守的要求下，新增的硬件系統(tǒng)和軟件功能目標(biāo)。

1.1 移動App及巡檢系統(tǒng)

開發(fā)移動App應(yīng)用，可以在移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)、歷史曲線的查看，功能包括工藝監(jiān)控查看、歷史數(shù)據(jù)、能耗分析等。系統(tǒng)應(yīng)基于移動巡檢終端和無線傳輸技術(shù)，對巡檢人員在指定巡檢位置的巡檢行為進行記錄。企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)及相關(guān)負(fù)責(zé)人，可通過管理終端第一時間收到巡檢記錄；實時跟蹤巡檢軌跡，查看每日巡檢記錄，并查看巡檢人員的周/月考勤表，巡檢人員的績效對比結(jié)果等。保證巡檢人員及時，合規(guī)完成巡檢任務(wù)，保障系統(tǒng)的正常運行。

當(dāng)設(shè)備和工況發(fā)生報警時，系統(tǒng)同時將以短信的形式發(fā)送給運行人員和主要管理人員，方便及時了解運行狀況，使相關(guān)人員第一時間了解報警信息，及時處理問題。報警可以單獨設(shè)置值班人員、報警重復(fù)次數(shù)、報警延時、報警間隔等。

1.2 值班運行人員移動終端

當(dāng)值班運行人員離開中控室，在各車間現(xiàn)場巡查時，可以手持移動終端，隨時隨地了解全廠的運行工況情況。該系統(tǒng)在全廠運行監(jiān)控范圍內(nèi)需配置內(nèi)部私網(wǎng)無線AP，并增配幾臺移動終端iPad，可以通過無線的方式登錄定制的監(jiān)控畫面，方便操作人員實時實地監(jiān)測全廠運行工況，掌握全廠情況，并可以操作和控制各個設(shè)備的開停。同時，在iPad上還可以隨時接受報警信息，便于緊急處理。

1.3 遠(yuǎn)程登錄

Web服務(wù)器提供用戶認(rèn)證及用戶認(rèn)證訪問權(quán)限，使高級管理人員無論是在家里還是出差在外，都可以遠(yuǎn)程登錄訪問到監(jiān)控系統(tǒng)界面，了解生產(chǎn)運行情況。非注冊用戶無權(quán)登錄到Web服務(wù)器，注冊用戶權(quán)限分3級：管理員、控制員、一般用戶。管理員有權(quán)發(fā)送定值命令對現(xiàn)場設(shè)備的參數(shù)進行設(shè)置，并能夠增刪用戶；控制員有權(quán)發(fā)送控制命令對現(xiàn)場設(shè)備進行控制；一般用戶能夠登錄到運行界面，對現(xiàn)場設(shè)備進行實時狀態(tài)監(jiān)測。遠(yuǎn)程登錄系統(tǒng)是利用公網(wǎng)，考慮到安全性，一般只容許監(jiān)視，不做控制。

1.4 預(yù)處理系統(tǒng)的提前預(yù)判軟件

通過對各污水處理廠的調(diào)研，許多污水處理廠經(jīng)常會有突發(fā)的、大量的高濃度污水混入管道中，進水污水處理廠，嚴(yán)重超出污水處理廠設(shè)計處理能力。運行人員不易監(jiān)管到，對預(yù)處理系統(tǒng)和生化池運行造成重大影響，如果格柵機等預(yù)處理設(shè)備正常工況在運行，就會造成粗格柵底部被大量淤泥堵塞，使格柵機無法運行，只能采用后續(xù)的人工挖泥方法清除淤泥。

為解決這一現(xiàn)實問題，特增加了預(yù)判軟件。即在進水速閉閘的前段增加一臺污泥濃度計，信號接入PLC系統(tǒng)。當(dāng)污泥濃度儀穩(wěn)定檢測到來水污泥濃度持續(xù)增加或突然增加時，則發(fā)出分級報警信號，對預(yù)處理系統(tǒng)自動采取以下分級運行措施：

第1級報警污泥濃度高于平常值，但低于設(shè)計值，增加預(yù)處理各設(shè)備的運行數(shù)量。

第2級報警污泥濃度高于設(shè)計值，但低于上限值，各設(shè)備全力運行，防止污泥沉積，同時關(guān)小進水閘口。

第3級報警污泥濃度高于上限值，超出污水處理廠設(shè)計能力和工藝現(xiàn)實，關(guān)閉進水速閉閘。

1.5 綜合生產(chǎn)成本管理分析

目前，很多污水處理廠均以商業(yè)投資的形式或者BOT形式運行，需要對污水處理廠處理成本及財務(wù)狀況實施有效的管控。

運行成本主要構(gòu)成包括總電量、加藥量、總進水水量、總出水水量等，這些數(shù)據(jù)在現(xiàn)有的系統(tǒng)里均已經(jīng)采集到。增加綜合成本管理分析，對這些數(shù)據(jù)進行收集、分析、計算、匯總，形成班、日、月、年的報表，同時進行數(shù)據(jù)曲線對比記錄，從而作為管理人員的一個有效管理手段。它是在線的成本管理分析軟件，非財務(wù)級別，不包含人工費用，適用于同口徑長期對比。

1.6 精確曝氣系統(tǒng)專項管理分析

精確曝氣系統(tǒng)的目的是節(jié)省電費和優(yōu)化生物曝氣。由精確曝氣流量控制系統(tǒng)控制柜、系統(tǒng)控制軟件（由曝氣量計算、曝氣量分配、鼓風(fēng)機控制、信號處理等模塊構(gòu)成），對鼓風(fēng)機和受控曝氣單元的氣量分配進行自動調(diào)節(jié)。實際需氣量由現(xiàn)場每個受控曝氣單元根據(jù)溶解氧探測儀、污泥濃度計、液位、進水流量、COD，NH4-N等信號進行計算；總曝氣量由鼓風(fēng)機控制模塊向鼓風(fēng)機主控柜MCP或者控制鼓風(fēng)機的PLC站發(fā)出指令進行調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)能夠適用于多個流量調(diào)節(jié)閥門的同時調(diào)節(jié)，使受控曝氣單元達(dá)到按需曝氣，節(jié)約鼓風(fēng)機電耗。

1.7 化驗管理功能

化驗管理功能模塊依據(jù)實際中化驗管理的流程，通過使用該模塊提供的功能，實現(xiàn)化驗工單電子化管理。該模塊由以下幾部分組成：化驗?zāi)K配置、化驗計劃、化驗單流轉(zhuǎn)、化驗單批量審核、未完成化驗單、已完成化驗單和化驗報表。

化驗管理的操作流程如下：

1）配置化驗?zāi)０?不同的模板對應(yīng)一系列采樣數(shù)據(jù)，即首先要確定化驗分析需要采集那些數(shù)據(jù)。

2）發(fā)布化驗計劃 選定化驗?zāi)０澹催x定已配置好的待采樣數(shù)據(jù)，設(shè)置采樣周期及時間間隔，自動生成化驗工單進入化驗工單流轉(zhuǎn)，選擇頻率周期為“單次”即立即生成工單，其它情況系統(tǒng)每間隔多少日執(zhí)行一次工單自動生成操作。

3）化驗單流轉(zhuǎn) 運行流程是化驗員分析水質(zhì)，在系統(tǒng)中填入經(jīng)化驗得出的數(shù)據(jù)結(jié)果；復(fù)核人復(fù)核已填寫的化驗單，檢查無誤則復(fù)核通過；審核人審核已通過復(fù)核的化驗單，審核無誤則審核通過該化驗單，即完成整個流轉(zhuǎn)過程，該化驗單生成。

其它功能還有系統(tǒng)提供批量審核已復(fù)核的化驗工單功能；可查閱未完成和已完成化驗單，查看化驗報告。

1.8 報警管理系統(tǒng)和水質(zhì)管理信息化

報警管理系統(tǒng)實現(xiàn)工藝運行過程各種異常報警和智能維保預(yù)警，并通過短信、微信等多種方式實現(xiàn)報警信息的推送，能夠使相關(guān)負(fù)責(zé)人員盡早發(fā)現(xiàn)異常狀況，采取預(yù)防措施，避免重大事故發(fā)生。進水設(shè)立 COD，NH3-N，TP，SS，PH 等監(jiān)控儀表，中間提升泵房設(shè)立SS計，高效沉淀池后設(shè)立TP計，定時采集數(shù)據(jù)并上傳至中控，每天生成生產(chǎn)水質(zhì)報表。如果出現(xiàn)水質(zhì)異常情況則馬上報警，并自動采取對應(yīng)問題的應(yīng)急操作聯(lián)動，當(dāng)班人員接到報警后核實異常情況是否屬實，若屬實上傳異常數(shù)據(jù)到上級報告，若誤報則可發(fā)送指令恢復(fù)正常運行。

2 無人值守系統(tǒng)對安防系統(tǒng)、工控系統(tǒng)的要求

一個完善的無人值守系統(tǒng)在很大程度上依賴于安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)劃和布局，安防系統(tǒng)應(yīng)做到全廠無死角。

2.1 周界報警視頻和電子圍欄系統(tǒng)升級優(yōu)化

傳統(tǒng)的紅外對射僅具有報警功能，而沒有阻擋功能。入侵者往往能毫無阻擋地跨越警戒線。當(dāng)有人入侵時，在系統(tǒng)發(fā)生報警之前，就可能已經(jīng)進入安防區(qū)域。電子脈沖圍欄系統(tǒng)在防區(qū)的周邊架設(shè)了一道電子圍欄。如果有人企圖入侵，首先看到掛在圍欄上的“小心電子圍欄”警示牌，給予心理上的威懾感。如果企圖跨越當(dāng)觸及圍欄，便給予電擊，使之退縮離開，且不敢再次觸及。一旦強行攀登則系統(tǒng)發(fā)出報警。再則，電子圍欄采用了帶有彈性的掛線桿。當(dāng)入侵者企圖跨越時，撓性的圍欄不給予支持力，使入侵者無法跨越。電子圍欄具有有效阻擋功能，而傳統(tǒng)的紅外對射則沒有此類功能。

2.2 工控報警信號的視頻聯(lián)動軟件

工控系統(tǒng)和視頻信號系統(tǒng)是相對獨立的系統(tǒng)，將二者進行軟件鏈接，提升管理效能。當(dāng)污水處理廠中某臺設(shè)備發(fā)生報警信號時，攝像機將在第一時間對準(zhǔn)該設(shè)備，同時其設(shè)備畫面將在中控室自動地以單幅大畫面的方式彈出，有助于運行人員快捷地觀察設(shè)備情況。

視頻監(jiān)控平臺采用開放的通訊接口：

①在視頻業(yè)務(wù)對接方面，提供開放接口，可提供給第三方系統(tǒng)用于開發(fā)視頻相關(guān)的功能（如實時預(yù)覽、錄像查詢和回放、云臺控制、報警接受等）；

②在聯(lián)網(wǎng)協(xié)議對接方面，支持GB/T28181—2011或DB33/T629—2011標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)網(wǎng)協(xié)議進行通信對接。自控系統(tǒng)設(shè)備提供設(shè)備報警信號，視頻監(jiān)控平臺通過協(xié)議接口接入，聯(lián)動相關(guān)設(shè)備視頻監(jiān)控圖像，可實時觀察設(shè)備運行狀況，第一時間收集有效的信息，針對無人值守項目提供很大的便利，減少人員現(xiàn)場設(shè)備管理，準(zhǔn)確判斷現(xiàn)場設(shè)備報警信息。

2.3 視頻移動偵查軟件

由于廠區(qū)工作人員極少，當(dāng)有人進入房間時或者室外攝像區(qū)域，攝像機可自動啟動移動偵測，彈出畫面，提示運行人員。對防止外來異常人員闖入，可以第一時間偵測到。

視頻移動偵測，也稱運行檢測，常用于無人值守監(jiān)控錄像和自動報警。通過現(xiàn)場攝像頭按照不同幀率采集得到的圖像，會被CPU按照一定算法進行計算和比較，當(dāng)畫面有變化時，如有人走過、鏡頭被移動，計算比較結(jié)果得出的數(shù)字會超過閥值，且指示系統(tǒng)自動作出相應(yīng)的處理。

視頻移動偵測可以降低污水處理廠的人工監(jiān)控成本，并且避免人員長期值守疲勞導(dǎo)致的監(jiān)察失誤，可以極大地提高監(jiān)控效率和監(jiān)控精度。移動偵測技術(shù)是運動檢測錄像技術(shù)的基礎(chǔ)，現(xiàn)已被廣泛使用于網(wǎng)絡(luò)攝像機。常見的移動偵測系統(tǒng)還允許使用者可以自由設(shè)置布防撤防時間、偵測的靈敏度、探測區(qū)域。當(dāng)觸發(fā)時應(yīng)可聯(lián)動錄像、聯(lián)動報警輸出、聯(lián)動攝像機轉(zhuǎn)到相應(yīng)的預(yù)置位，可及時對闖入人員進行分析管理，有效提供重點場所的監(jiān)管，可第一時間對非法闖入人員進行處理。

2.4 對工控系統(tǒng)的要求

隨著自動化行業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)在所有的污水處理廠基本上已經(jīng)達(dá)到所有數(shù)據(jù)上傳及中央控制，技術(shù)已經(jīng)完全成熟，已經(jīng)能夠滿足開發(fā)無人值守系統(tǒng)，此處不再列舉。

3 結(jié)語

無人值守系統(tǒng)結(jié)合工控系統(tǒng)、安防系統(tǒng)穩(wěn)定運行。對突發(fā)事故提前做出預(yù)警，及時通知工作人員。在滿足工藝要求的前提下低功耗運行，節(jié)省成本。安防系統(tǒng)自動報警，可以降低污水處理廠的人工監(jiān)控成本，能夠避免人員長期值守疲勞導(dǎo)致的監(jiān)察失誤，可以極大地提高監(jiān)控效率和監(jiān)控精度。

無人值守系統(tǒng)已經(jīng)在一些污水處理廠中得到了部分實施，正在朝著無人或少人值守方向邁進。無人值守系統(tǒng)前期投資小，隨著自動化行業(yè)的不斷發(fā)展，在未來的污水處理廠建設(shè)中，無人值守作為自動化行業(yè)發(fā)展的一個趨勢。

[1]袁木林，汪艷紅.無人值守自動化系統(tǒng)在小水電站的應(yīng)用探討[J].吉林水利，2013，33（8）：60-64.

[2]張寶華，李靜，孫毅.無人值守變電站綜合監(jiān)控系統(tǒng)[J].電力科學(xué)與工程，2009，25（9）：76-78.

[3]趙生崗，鮑惠，趙建立.網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)通信，2007，28（5）：10-14.