村鎮污水處理設施遠程監控系統設計與實現

顏秀勤，韋啟信，楊 超，祝 磊，李鵬峰

（1.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300074；2.江蘇一環集團有限公司，江蘇 宜興 214206）

0 引 言

我國村鎮污水處理設施規模小、數量多、分布廣，普遍存在專業運行人員缺乏、運行管理不到位的問題，加之位置偏遠、分散，往往不能派遣人員長期駐守去監管污水處理站的運行情況，發生運行故障和突發事故時難以得到及時反饋和應對，導致大部分現有村鎮污水處理設施的實際運行狀況達不到預期效果[1-3]。

遠程監控系統是實現設施無人值守的有效途徑。我國應用于城鎮污水處理廠的實時監控技術和經驗已較為成熟，而針對村鎮地區較為分散的小型污水處理設施的遠程監控尚處于起步發展階段。隨著無線通信網絡技術的高速發展，以物聯網技術和網絡通信技術為核心的遠程監控技術在環保行業得到廣泛應用[4-5]，特別是地理位置偏遠、地形條件復雜的村鎮地區，遠程監控系統的采用可以提高污水處理設施的運營管理效率，有效保障設施的長效穩定運行，同時有利于實現集約式運維管理，降低運營成本[6]。以我國華北地區某村鎮污水處理設施為對象，構建基于GPRS（通用分組無線服務）和Internet網絡平臺的遠程監控系統。

1 系統網絡架構

GPRS網絡覆蓋范圍廣、數據傳輸速度快，是目前國內工業級應用的主要通信傳輸手段之一，被廣泛應用于污水處理領域中遠程監控系統的構建?；贕PRS的遠程監控系統可充分利用現有網絡建設且按流量計費，實施方便、建設和運行成本低[7-9]，非常適合于村鎮地區污水處理設施的運行監管。

根據研究對象的特點，建立村鎮污水處理站遠程監控系統網絡架構，如圖1所示。遠程監控系統具有如下主要功能：

（1）可以通過終端設備遠程實時監控站點運行情況；

（2）對污水處理站點的數據進行采集、記錄、監測、報警；

（3）根據監測反饋信息，對運行工況進行遠程操作、控制。

圖1 遠程監控系統網絡架構

監控系統可分為三層[10-11]：

（1）信息感知層：采用現場監測儀器儀表，對流量、水溫、水質、視頻信息等進行實時信息采集。

（2）網絡通信層：采集后的信號以標準工業電信號上報綜合信息采集器。綜合信息采集器可外接多路模擬量、數字量傳感器探頭，通過協議轉換，最終將水量、水質、水溫等監測信號和設備狀態信號、電力信號等通過無線通信網絡傳輸至監控管理服務器。

（3）監控應用層：管理人員利用智能手機、平板電腦、筆記本電腦、PC機等電子設備，通過互聯網或移動互聯網隨時可接入系統服務器，接收現場信息，進行遠程實時數據和實時曲線圖查看、歷史數據查詢等操作，了解掌握設施運行情況。根據設施運行狀況，在需要時適時調整工藝設備運行工況。同時根據反饋的報警、提醒等信息，遠程控制現場設備停止運行或啟動備用設備運行。

在上述網絡構架下，運行管理人員和站點設備儀表之間通過計算機網絡相聯，通過集中運營監控平臺可以實現多站點的集約式運維管理。污水處理站可按自動化模式運行，除定期進行巡檢和對設備進行常規檢測維護外，平時可無人值守。由一家專業運營機構采用集約式運維管理模式管理幾個甚至幾十個污水處理站，可以更加充分地整合人力資源、技術資源和物資資源，在人員管理、生產管理和物品管理等環節提升水平和效率[6]。

2 硬件設備配置

2.1 系統硬件組成

污水處理站遠程監控系統的硬件組成如圖2所示，可分為站點現場硬件和遠程監控中心硬件兩部分。安裝在污水處理站現場的硬件設備主要包括輸出開關信號的設備運行狀態監測儀和輸出模擬信號的流量計、水位計、溫度計等監測儀以及自動控制設備和信息采集與傳輸設備。一個功能齊全的監控管理中心機房需要配置服務器、計算機等硬件設備。

圖2 遠程監控系統硬件組成

近年來，一些高科技公司依靠其在信息技術和大數據處理方面的強大能力，以在線公共服務的方式提供公有云服務。相比自建監控中心機房，此方式投入成本低、實施快，但在運行安全性、長效性等方面可能存在一定的風險。如果沒有條件或經濟實力建設獨立的村鎮污水處理站監控中心機房，可以采用此類提供公共服務的云計算平臺，監控中心只需配置常規的計算機和移動設備等終端設備即可。

2.2 站點硬件設備

實施遠程監控的污水處理站點需要具備數據信息的監測、監控與采集，以及GPRS組網等方面的功能。相應需要的硬件設備主要有：主控模塊、信息傳輸模塊、開關量輸入輸出模塊、現場儀表、攝像頭監控設備等。

2.2.1 可編程控制器

PLC是遠程監控系統中監控站點需設置的主控模塊設備。PLC是專門設計用于工業自動化控制的數字運算操作電子系統，其結構與微型計算機相同，由電源單元、中央處理器單元（CPU）、存儲器單元、輸入輸出單元（I/O）、功能模塊和通信模塊組成。在PLC上融合了繼電器、接觸器控制技術與微型計算機技術，可以編制程序，存儲執行邏輯運算、順序運算、算術運算及計時、計數等操作指令，同時可以從現場接收開關量和模擬量信號，按照控制功能進行運算，通過數字量或模擬量的輸入、輸出對工藝運行過程進行控制[12]。

污水處理站采用PLC不僅可實現邏輯和順序控制、模擬控制、信號聯鎖等功能，還可作為下位機，與數據采集和無線傳輸設備通信，通過數據處理和信息交互并上傳監控云平臺，實現對運行過程的遠程信息控制和管理。

2.2.2 信號采集模塊和GPRS無線傳輸模塊

信號采集模塊可用于采集現場儀表的監測信息和現場設備的運行信息數據，并將采集到的數據按照自定義協議格式以數據包的形式發送給GPRS無線傳輸模塊。GPRS無線傳輸模塊是一種工業級無線數據通信終端，內嵌TCP/IP 協議，利用GSM 移動通信網絡的短信息和GPRS業務為用戶提供超遠距離的數據傳輸。GPRS無線傳輸模塊將采集到的數據上傳到監控中心服務器，同時也接收服務器下發的指令，回傳到站點主控模塊，實現對站點運行情況的遠程監控。監控中心服務器可根據每個GPRS無線傳輸模塊內含的ID，判斷數據的來源[8]，據此，監控人員可以實時掌握多個站點信息。

2.2.3 現場儀器和設備

（1）監測儀器

村鎮污水處理站需要從工藝技術選擇、運行過程控制和設施建設角度出發，充分考慮村鎮所處的經濟基礎和環境條件以及人力、物力因素，特別是村級污水處理站，現場監控儀器儀表的設置不易過繁過多。根據工藝和管理要求的不同，每個污水處理站配置的現場監控儀器儀表有所不同。通常設置有進出水流量計、液位計、溫度計。其他高標準的配置有DO儀、水質監測儀（COD、氨氮等常規指標）等。

（2）運行設備

不同的污水處理站有不同的處理工藝技術路線和單元模塊配置。根據工藝的不同，每個污水處理站配置的設備也不同，通常有水泵、風機、攪拌器、電動閥門等。

2.2.4 監控攝像頭

目前，監控攝像技術和設備較為成熟，費用不高。從輔助工藝運行調控和安全生產的角度出發，在有條件的污水處理站點可設置監控攝像頭。監控攝像頭的選擇需要考慮的因素包括監控場所和被攝物體大小、放置地點環境條件、對成像清晰度的要求、使用場所安裝條件及安裝方式等。

2.3 控制與通信系統配置實例

華北地區某村鎮污水處理站建設遠程監控系統，主控模塊采用標準ModbusRTU協議的PLC模塊。PLC選用DVP-08SM，自帶4個模擬量輸入，分別接入流量計信號和溫度信號。開關信號分別接自進水泵、曝氣池風機、反應池攪拌器、電動閥等設備。圖3所示為PLC程序設計梯形圖。

圖3 PLC程序設計梯形圖

采用GPRS網絡通信系統實現數據傳輸工作。污水處理站的現場儀表輸出信號有RS 485信號和4～20 mA電流信號，因為需要與現場的儀表通信，故在底層執行端中配置了與現場儀表通信接口相同的信號接口。同時，預留一個脈沖信號接口和一個RS 232接口，以匹配不同的儀器儀表。

選用iWaterBox傳輸模塊，其規格和性能參數如圖4所示。該傳輸模塊支持主流品牌PLC常用公有協議和Modbus協議，通過以太網將現場采集的數據主動傳回指定的公網服務器，同時也可以接收服務器端下發的控制指令傳回給PLC或者單片機，實現遠程控制。iWaterBox可以匹配采集多種控制器（不同品牌PLC、單片機等）數據，做到數據采集標準化、模塊化安裝，且支持后續增加支持類型。

圖4 iWaterBox傳輸模塊規格和性能參數

當后臺數據中心的服務器發生故障或網絡發生故障時，設置在站點的通信設備能持續采集數據并暫存在通信設備的存儲器內，可存儲約3個月的數據，存儲量可通過增加存儲卡擴充。

3 運行過程控制

保持污水處理站的正常穩定運行需要對工藝運行的各個環節進行綜合調節和控制，涉及對污水處理過程的實時監控和調度管理。技術力量薄弱的村鎮地區實現污水處理系統的自動化、程序化運行，可以很大程度上降低人為操作對工藝穩定運行的影響，實現無人值守下的精細化管理。

污水處理站的運行自動控制主要通過PLC主控模塊、信息采集傳輸模塊、電源模塊、開關量輸入輸出模塊、現場監測儀器儀表等設備，依據一定的時間順序和邏輯關系實現。對于規模較小的污水處理設施而言，特別是建于村鎮地區的污水處理設施，不可能設置過多的在線監測儀表，控制系統中開關量多、模擬量少，過程控制以邏輯程序控制為主，閉合回路控制為輔。以達到預期的處理效果和出水水質要求為目標，建立工藝運行過程控制策略，使污水處理站在正常狀態下正常運行，實現自動操作和自動調節；在非正常狀態下自動報警和自動保護。通過設置污水處理站自動控制系統，可以實現現場/遠程操作控制、故障報警、信息或信號顯示、數據管理等功能。

在遠程監控系統設計和實施中考慮了遠程與現場控制的切換。遠程通過網絡給PLC輸入控制信號控制設備開?；蛘{整控制參數范圍，現場通過面板按鈕給PLC輸入控制信號控制設備開停或設置控制參數。為防止遠程/現場同時操控造成控制邏輯混亂，設計一個遠程控制阻斷開關，現場操作時，將遠程控制阻斷開關設為開，則無法向PLC輸入控制信號；待現場操作完畢后，遠程阻斷開關設為關，此時可以控制設備開停。遠程控制阻斷開關不影響反饋信號的傳輸，遠程終端始終可以監視設備狀態。

4 結 語

遠程監控系統整合了現場數據采集、無線遠程傳輸、數據存儲、運行控制、APP客戶端等功能，可實現污水處理站專業化、規范化的運營管理，除定期或不定期巡查外，平時無需人值守，大大節約了人力成本。

遠程監控系統可與處理設施第三方運營相結合，形成集約化運營管理模式。將多個相鄰污水處理站交由同一家專業運營機構進行統一管理，可實現人力資源、技術資源和物質資源共享，達到提高運維效率、降低運行成本的目的，是提升村鎮污水處理站運行管理水平、保持污水處理設施長效運行的有效途徑。