龔瑞昆，張文慶，龔雨含，周國慶

（1.華北理工大學 電氣工程學院，唐山063210；2.唐山工業職業技術學院 自動化工程系，唐山063210）

市政污水處理廠是我國對城市環境，生態文明建設和水質量環境改善的一項重大的民生工程。 隨著國家對污水處理的重視，我國污水處理廠的數量越來越多，污水處理的能力也越來越強[1]。 但是，我國的污水處理系統還存在許多嚴峻的問題，系統的不正常運行，污水處理水質不達標，設備故障等現象較為常見。 但是由于污水處理過程復雜，影響因素較多，故障診斷較難，而且由于污水處理廠的操作人員專業素質可能有所不足，對于故障設備也不能及時處理發現，這樣不僅僅影響污水處理效率，在運營管理上也會受到影響，造成資源浪費，成本提高。 隨著物聯網技術的發展，將“工業4.0”智能生產理念與傳統污水處理廠的控制系統相結合具有一定的研究價值和意義，因此對污水處理廠進行故障診斷和對設備的遠程維護管理是十分必要的。

1 污水處理故障診斷方法研究現狀

我國早在80年代就開始對故障診斷進行研究，并取得了一系列的研究成果，傳統上由簡單的狀態監測向故障診斷和預測方向發展，并且隨著現代化技術的發展，診斷技術由同步到不同步，由人工診斷到自動診斷[2-3]。 故障診斷方法越來越多，優點和缺點相應的也暴露出來，污水處理的故障診斷方法如表1所示。

表1 污水處理故障診斷方法表Tab.1 Sewage treatment fault diagnosis method

利用現有污水處理的數學模型或者仿真軟件對污水處理工藝運行狀況進行診斷優化，精度較高。 但是對于操作人員的操作要求較高，過程復雜。

利用專家系統故障診斷方法在污水處理中開展應用研究已在國外開展多年，得出在污水處理系統過程評價、自動控制等方面具有良好的應用前景。

2 污水處理遠程維護與故障診斷系統

隨著現代科學技術進步與發展，污水處理系統自動化集成度越來越高，設備技術含量也就越來越高，結構復雜，導致故障診斷難度與維修越來越難，對故障不能及時處理和維修將帶來時間和生產成本的損失。 實時的故障診斷和定位問題成為遠程維護的關鍵，遠程維護系統的研究意義重大，可以形成產品服務一體化，可以為公司解決不必要花費。 建立遠程維護與故障診斷系統是解決問題的有效舉措。

遠程維護與故障診斷通過設備診斷技術與計算機網絡技術相結合，利用物聯網技術實現遠程控制監測[4-5]。 遠程維護系統可以使公司在多個地點進行操作，從而更快、更有效地訪問、分析和響應來自污水處理廠的信息。 故障診斷系統，能實現預知維修，及早發現故障隱患，定位問題設備，提高維修的準確性和實時性，降低服務費用，提高經濟效益。 在污水處理廠中實現遠程維護和故障診斷相結合[6-9]，必定會給這一行業帶來巨大的經濟效益。

2.1 遠程維護和故障診斷系統體系結構

遠程維護與故障診斷系統可以作為物聯網架構中的一個子系統，實現對設備性能的保障。 利用不同類型的傳感器組成一個信號采集子系統，對分散于水廠中的設備數據信息進行采集，通過網絡傳輸的方式進行數據的傳輸，將采集得到的數據存儲在數據庫服務器，用戶可以對數據進行分析診斷。并可通過終端電腦對現場故障進行診斷處理，下發指令實現遠程維護[10]。 系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure diagram

2.2 遠程維護與故障診斷系統特點

考慮在任何基于網絡的應用程序中，網絡時間延遲都是最大的障礙之一，特別是在涉及實時批量數據傳輸的情況下[11]。 遠程維護系統需要從實時控制過程中收集數據，正確實時傳輸數據對于確保任何遠程維護系統及時響應非常重要。 如果所有的計算都在偏遠的地方進行，可能會產生巨大的網絡流量，并造成不可接受的時間延遲。 因此可根據數據的大小將數據分為重數據和輕數據，重數據在本地站點進行處理，只將提取出的重數據特征（如所識別模型的參數）傳輸到本地站點，并在本地站點設計了一個后端系統來執行所有繁重的計算，在遠程端設計了一個前端系統來實現遠程維護控制系統。這樣不僅可以解決網絡延遲所帶來的時間差，還可以及時排除故障，保障設備的正常運行。 遠程維護與故障診斷系統主要特點如圖2所示。

圖2 遠程維護與故障診斷系統特點結構圖Fig.2 Structure diagram of remote maintenance and fault diagnosis system

污水處理廠設備正常運行是污水處理的核心要求，實現對故障的預知，可降低生產過程中設備出現的問題隱患，減少停機時間，增加生產效率。 遠程服務系統使得企業方便查詢設備使用情況，實時跟蹤設備使用狀態和質量問題，發現薄弱環節，不斷提高設備質量。 并且該系統具有自我學習功能，通過不斷地豐富知識庫從而達到系統的自我完善和進步。

2.3 遠程維護系統故障診斷實現方法

根據遠程維護和故障診斷體系結構可知，設備采集系統包含PLC 設備、現場監測設備、采集終端以及各類不同傳感器等信息采集設備，計量現場監測設備記錄了現場排查過程中的數據；而采集終端則將設備的一些數據進行上傳。 該類信息采集設備數量多且設備之間存在復雜的交互關系，因此需要對設備采集系統故障進行合理有效的診斷[12]。 污水處理設備采集系統的故障診斷能夠快速、準確地查找采集系統故障發生的原因，具體的包括采集系統IO 模板和通道組件的在線故障診斷。設備采集系統的故障診斷硬件配置主要是完成推理和控制策略，其中推理策略主要是分析信息采集過程中所呈現的故障現象和相關聯組件之間的復雜邏輯關系，一般方法有演繹推理以及歸納推理。 而控制策略則是整個故障診斷過程中所具有的控制策略，一般方法有正向推理和反向推理。 設備采集系統的故障診斷硬件框圖如圖3所示。

圖3 設備采集系統的故障診斷硬件框圖Fig.3 Hardware block diagram of equipment acquisition system for fault diagnosis

該故障診斷系統在對多源信息數據分析處理上，采用專家系統進行診斷推理，使得系統在故障診斷上更加準確。 專家庫系統診斷推理具體流程如圖4所示。 在專家庫診斷系統得出的診斷結果基礎上，設計出相應的功能模塊實現對故障設備的遠程維護。

3 遠程維護與故障診斷系統關鍵技術

3.1 遠程維護與故障診斷系統串口通信研究

實現設備遠程監控和維護系統關鍵問題是解決設備間的通信，整體上看，污水處理廠設備狀況不一，通訊協議標準往往也就不一致，因此就需要結合設備實際運行狀況，制定的通訊協議能實現遠程設備控制和維護等功能，并確保在此基礎上增加功能擴展模塊，以便設備進行功能擴展。 通信協議中需要了解控制設備、監視參數、設置參數等相關內容，以便構建出一個規范的能夠滿足設備實際狀況下的通訊協議[13-15]。 按照通訊協議，往往可分成5種幀結構，不同類型的幀結構與硬件間優化融合需要綜合考慮。 設計分析5 種幀結構具體內容如表2所示。

圖4 專家庫系統診斷推理流程Fig.4 Flow chart of diagnostic reasoning of expert database system

表2 幀結構分類表Tab.2 Frame structure classification

3.2 服務器及云平臺的建立

建立服務器采用動態網頁架構設計，系統云平臺使用B/S 架構，即瀏覽器和服務器的通信連接模式。

云平臺的建立對污水處理廠的管理監控、運維等方面是必不可少的一步，能夠實現對污水處理廠內的設備查詢、故障診斷、故障報警等統一管理；實現設備狀態歷史數據存儲，遠程控制數據值，提供鮮明數據曲線圖。 提高企業生產效率，節省企業成本，使效益得到最大化。

3.3 遠程控制

對于污水處理廠設備狀態，水廠水池液位、壓力、電流及電壓都將設置一定的閾值，超過限值，都將自動報警。 在服務器中，將采集的各項實時數據根據不同的設施通過不同的算法初步判斷出現的故障。 遠程控制電動閥進一步判斷故障類別、地點和原因，并且進行消息推送，向用戶報警。

維護人員可以在服務器發送指令，指令通過DTU 傳送到污水處理廠內控制器。 控制器接收到指令后，控制污水處理設備，調節閥門開度，對故障進行隔離或者啟用備用設備，以最大程度減少資源、時間的浪費；為維護人員提供詳細故障信息以及維護時間，使其盡快保證污水處理運行暢通。

4 設備遠程維護和故障診斷系統運行驗證

使用 JavaDk1.8+ Eclipse3.0 搭建環境，以及Java 語言來實現云平臺的開發。如圖5所示為通過remote Access 工具實現網口通信，連接遠程網口PLC，實現數據的采集和遠程監控的操作。

圖5 網口通信連接Fig.5 Network communication connection

數據傳輸通訊正常后即可將數據傳送到服務器及云端，如圖6所示，為現場污水處理生產曲線，可清晰的查看到污水生產水質中的數據情況。 無論在什么地方，均可輸入IP 進行數據查看及設備監控。

圖6 污水處理生產水質數據Fig.6 Water quality data of sewage treatment production

該系統還能實現對污水處理廠整體監控，對現場開關控制的實時數據實現監控上傳，還可以將數據轉換成圖表形式、趨勢圖形式進行觀察，還能夠查詢現場工藝流程圖，可以清晰地反應現場工藝情況，顯示故障設備。如圖所示7 所示。對報警設備可進行及時處理、實現遠程維護等操作。 各個膜池監控狀態如圖8所示。

圖7 污水處理工藝流程界面Fig.7 Interface of sewage treatment process

圖8 系統整體監控界面Fig.8 Overall monitoring interface of the system

5 結語

污水處理設備的故障診斷與遠程維護系統研究幫助水廠實現統一管理，設備故障診斷，減少維修工程師現場維修方式，不僅能保障產品的使用能力，提高水廠生產效率，維護設備的工作能力。 滿足企業未來發展需求，也給其他行業帶來新的發展方式。

文中在分析系統的概念及實質的基礎上，提出一種基于云平臺遠程維護與設備診斷系統，闡述了系統關鍵技術，擴展和完善了系統功能運用，通過系統運行驗證，能實現穩定的數據傳輸，設備故障診斷功能以及遠程維護操作。 為實現環保城鎮做出巨大貢獻，也為其他智能產業的發展打下了良好的基礎。