荊州市紅光污水處理廠二期數字化設計與實現

摘" 要：推行污水廠數字化建設，實現污水廠數字化管理，是荊江環境科技有限公司發展過程中實現節約投資、降低成本、優化用工、提高勞動生產率、提高生產安全性的有效手段。荊州市紅光污水處理廠二期作為荊江環境科技有限公司下屬的污水處理項目，在“數字化管理、市場化服務”的模式下，不斷開展技術創新、科技創新、管理創新，致力于建設一座智能化污水處理廠。文章介紹了紅光污水廠二期的數字化系統，按照工藝流程和生產管理的要求，用數字化、信息化管理手段，通過儀表、電動執行機構、氣動執行機構、遠程監控模塊（RTU）、冗余光纖環網（RFOR）、SCADA系統、PKS操作系統等技術建立了一套覆蓋整個廠區的生產、處理全過程的數字化系統，完成數據采集、過程監視與控制、動態分析，達到過程監控、節約增效、安全生產的目標。

關鍵詞：紅光污水處理廠二期;數字化;PLC;自動控制;信息化;工業4.0

中圖分類號：X703" " " 文獻標志碼：A" " " " "文章編號：2095-2945（2021）13-0099-03

Abstract： The digitized construction and management of the sewage treatment plant is an effective means to save investment， reduce cost， optimize employment， improve labor productivity and improve production safety in the development stage of Jingjiang Environmental Science and Technology Co.， Ltd. The Jingzhou Hongguang Sewage Treatment Plant Phase II， as a sewage treatment project under Jingzhou Environmental Science and Technology Co.， Ltd.， continues to carry out technological innovation， scientific innovation and management innovation under the mode of \"digitized management and market-oriented service，\" for the sake of construction of an intelligent sewage treatment plant. This paper introduces the digital system of the second phase of Hongguang Sewage Treatment Plant. According to the requirements of technological process and production management， by means of digital and information management， a set of digital system covering the whole process of production and treatment in the whole plant area is established by means of instrument， electric actuator， pneumatic actuator， remote terminal unit （RTU）， redundant fiber optic ring （RFOR） network， SCADA system， PKS operating system and so on， so as to complete data acquisition， process monitoring and control， and dynamic analysis， thus achieving the goal of process monitoring， saving and efficiency， and production safety.

Keywords： Hongguang Sewage Treatment Plant Phase II; digitization; PLC; automatic control; informatization; Industrial 4.0

荊江環境科技有限公司順應時代發展需求，響應國家號召，積極參與環保建設，主導建設三座污水處理廠。目前已完成荊州市紅光污水處理廠二期（以下簡稱“紅光二期”）的數字化建設。涵蓋生產數據采集、廠區實時監控、數據分析整合、數據共享等內容，實現“同一平臺、信息共享、多級控制、分散控制”，在實現本廠數字化的基礎上，亦為智慧水務大數據系統夯實了基礎。

1紅光二期當前自動化實現的功能

1.1實時數據監控

實時數據監控主要包括廠區內各生產車間所有電氣設備、通用設備運行數據的監視與控制。涵蓋各種風機、泵、格柵、閥、成套設備等的啟、停、頻率調節、狀態反饋等信號。各信號均通過在廠區分散設置的IO站DI/DO/AI/AO等通道接入PLC自控系統。在中控室設置1臺工程師（Engineer Sation）站和2臺操作員站（OS），工程師站可對所有工藝流程和監控界面進行組態編輯下載，對應結果均顯示在操作員站上。

1.2水質在線檢測

水質在線檢測系統主要包括進、出水質檢測及生產水質檢測兩部分。其中生產水質包括各種COD、懸浮SS、MLSS、TP/TN、溫度、壓力等信號數據。進出水質檢測主要用于生產結果的對比。對于室外露天安裝的設備均設置了隔離安全柵IS和浪涌保護器SPD進行通道保護，確保設備和自控系統的安全。

1.3視頻監控系統

按照“全方位，多點面”的原則，整個廠區包括生產車間、道路、進出口、各重要設備均安裝了網絡云臺攝像頭，實現了全方位無死角的布設。在中控室設置單獨的視頻監控電腦用于實時視頻和歷史視頻的查閱。在機房設置網絡硬盤錄像機對歷史視頻數據進行RAID5冗余存儲，存儲時間大于30d。

1.4周界安防

通過在廠區院墻上設立周界報警系統及紅外對射系統進行廠區安防系統監控，對于非法入侵進行監視。本系統提供RS485接口接入自控系統，通過GIS（地理信息系統）來展示相關安全信息。

1.5全廠環網通信

廠內主干網為萬兆多模光纖（MMSC）以太網。其中控制網絡采用100Mbps光纖網絡，視頻及其他系統運行在1Gbps光纖以太網絡。通過VLan劃分確保各系統互不干涉。通過環網確保網絡出現斷點時，不會影響各系統運行。

2 紅光二期數字化的設計與實現

2.1 信息化系統

（1）紅光污水廠二期自控系統優化思路。紅光污水處理廠二期在現有PLC自控基礎上設立優化后的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）控制系統來優化整個廠區內各個生產車間及各系統的監視、控制和管理，使各獨立的系統有機地整合在一起。

（2）建立全廠設備運行數據庫。根據歷史運行數據及設備生命期自動生成擬合曲線，并在設備維護界面展示，對擬合后產生的設備維護預警進行提示，并可通過移動訊息進行下發，方便運維人員進行維護，提高了運維主動性和時效性。

（3）SCADA系統與視頻系統的結合。污水處理廠的常規自控系統與視頻系統是兩個獨立的系統。在當前大數據的大環境下，怎樣將兩個獨立系統有機結合在一起，提高設備利用率和生產效率，減少生產事故是一個課題。由于是兩個不同的系統，在結合的過程中需要跨專業的人才。常規自動化操作員站的監控界面中通常僅顯示工藝流程及其相關生產數據，沒有可反映生產現場的實時視頻數據，或者實時視頻數據在其他專有系統如監控系統中，并沒有與自控系統進行有機結合。

以往的操作習慣是當操作員想查看生產數據時，在操作員站上查看;當操作員想查看現場實時視頻時，需要到視頻專用電腦臺位上查看，而監控臺位于其它位置。增加了事件處理繁瑣程度，造成效率和時效性低下。為此，考慮在操作員站自控界面中增加對應視頻監控畫面，用于監視生產環境，確保生產安全有序進行。在正常生產或發生故障及其他情況下能第一時間獲知現場情況。

當自控與視頻結合在一起后，會產生新的需求如效率提升后操作簡化的改變。故此，在自控視頻中提供了對攝像頭的關鍵操作如上、下、左、右、遠、近、最大化等操作。在最大化界面上點擊鼠標右鍵將會切換至視頻窗口。

自控視頻監控僅提供實時生產的視頻數據，并不取代整個視頻系統。歷史記錄仍存儲于網絡硬盤錄像機或其他存儲設備上，不會對現有各系統造成擾動，也不會造成成本增加。實現在工業4.0對信息流的快速流通和處理。

另外，根據當前主流的技術進步情況，引入了人臉識別系統。通過對當前視頻流中人臉的識別自動進行巡廠記錄和打卡記錄，去掉了以往RFID打卡系統的成本投入和繁瑣運維。

為實現以上目的，根據監控組態軟件和海康視頻監控系統的情況，組織編寫了專門的.Net控件用于實現此目的。

（4）SCADA系統與周界安防系統的結合。所有安防報警信息如攝像頭報警信息及周界報警信息均接入自控系統。當有報警發生時，攝像頭報警信息將會傳輸至自控界面顯示。報警信息按級別分為關鍵、重要、提示三個級別。關鍵報警信息產生時，生產界面將會自動跳轉至信息所屬工藝界面，對應數據會閃爍，且會進行聲光報警，提醒操作人員盡快處理。重要信息會在界面底部以紅色顯示。提示信息會在界面底部報警欄以黃色提示。

（5）生產安全的提升。對整個廠區進行了相關安全性分析并做出相關處理。重要位置如格柵機等因設備裸露，在無預警情況下啟動可能造成人身安全事故。故在此增加了聲光報警器。自控系統會在全自動生產模式和手動生產模式等所有模式下，在啟動設備前進行聲光報警10秒，提示附近人員注意回避，避免人身意外事故產生。配電間因可能存在短路爆炸的情況，配備了熱成像攝像頭用于監測關鍵設備的溫升情況，并在SCADA系統中提供運行情況和預警。

（6）冗余功能。對所有IO站的模塊和光纖網環進行冗余設計。對IO站模塊均進行通道冗余，在單一模塊出現偶發故障的情況下，冗余系統會自動更正此故障并在SCADA系統中進行報警提示更換，避免生產中斷。冗余環網確保單一環網出現故障時所有通信不會中斷，使廠區整體性能由SIL0級提升至SIL1級。

（7）能耗系統（ES）。整個廠區各生產車間和重要設備的配電柜均配備電參表，通過RS485總線及Modbus RTU協議就近接入各IOStation。相關參數如總功率、有功功率、無功功率、視在功率、電壓、電流等參數均通過IO站到達SCADA系統。界面上按區域顯示整體容量及當前已使用容量的百分比，超過預設容量會產生界面變化及警示內容。為分析運營成本和降低能耗提供決策依據。

（8）一鍵啟停。在分析整個工藝流程和現有自控系統的基礎上，結合單級PID（比例/差分/微分）及多級PID控制，對自動化控制程度進行了提升。將之前各生產車間獨立無聯系的控制模塊進行了有效結合，提供一鍵啟動和停止，有效降低了工作強度和復雜程度。

（9）移動辦公系統。提供移動端的web界面，滿足了移動辦公需求及無紙化辦公需求。提供各種數據的歷史報表查詢和導出。預留了ERP系統接口。

（10）環保數據上傳。按國家環保標準要求，通過對進出水儀表間的改造，增加數采儀對出水儀表數據上傳至環保專網，滿足了環保要求。

（11）信息化系統結構框圖（如圖1）

2.2 智慧水務大數據系統

智慧水務是遵循荊州市“智慧城市”發展規劃，通過完善荊州市城區水務信息化基礎實施，構建的重點智慧應用系統，目的是提升水務信息化監管能力，促進水務資源信息共享，增加公眾服務透明度，豐富城區水環境保護管理手段。智慧水務系統建設的主要目標包括：

（1）加強水務信息感知采集建設，夯實應用基礎。信息感知采集設備是數據和應用建設的基礎，項目建設覆蓋荊州市城區的水文、水質、閘泵監控前端設備，實現城區水信息的全面感知，為智慧水務管理提供基礎數據支撐。

（2）以管水需要為導向，構建“廠、網、河”一體化管控的智慧化業務應用。將荊州市城區水環境治理、保護、管理需求放在首位，積極推動信息化技術在城區水務管理領域的應用，不斷完善信息化功能，提高“廠、網、河” 一體化運營管理信息化應用水平。

（3）促進水務數據整合共享，業務協同。按照“互聯網+”的思路，充分考慮信息技術的發展趨勢，促進全市城區水務管理相關信息的資源整合、業務協同、信息共享等多方面互聯互通。

（4）統一部署，分級應用。項目充分借助荊州市政務云平臺——“荊楚云”大數據平臺建設的信息化公共基礎設施和相關行業的信息資源，實現應用系統的集中部署，便于集中維護和資源共享。針對不同等級用戶進行分權分域設置，滿足不同用戶訪問需求和訪問權限。智慧水務工程總體框架由感知采集層、傳輸網絡層、基礎設施層、數據資源層、支撐平臺層、業務應用層、用戶層等7個層次構成，根據整體規劃，污水處理廠屬于智慧水務系統的子項，而智慧水務屬于環境治理的子項，屬于智慧水務的數據資源層，是智慧水務的重要數據支撐，荊江環境科技有限公司將建立相關的垂直整體生產指揮系統PKS。據此，在自控系統中預留了大數據接口，以便為上層PKS系統提供數據監視控制接口。其中生產數據（含周界報警信息等）以SCADA系統中的OPC（OLE for Process Control）Server及Modbus TCP Server和SQL數據庫鏈表形式對外提供，具備完整的可擴展性，滿足未來數據要求。視頻碼流以流媒體服務器形式提供，使帶寬降到可接受的合理范圍。

由于智慧水務生產指揮系統與紅光污水處理廠二期位于不同的物理地點，雙方通信需通過廣域網（WAN）進行。為保證系統和數據的安全性，在機房設置獨立的防火墻，所有未經授權的訪問均會被攔截。智慧水務系統通過各種采集方式來采集荊州市內數百個實時水質、水量及泵站等相關數據，獲得的大數據經過對應大數據分析系統分析后得到整個荊州市水質情況的實時匯總報表及推薦處理方案。自動執行制定的相關預案，達到對水質、排污、泄洪的自動調節，進一步提升水質及避免城區在雨季內澇。對于不能自動執行的情況，系統自動提交人工處理。整個系統基于“荊楚云”大數據平臺，所有生產數據均保存于“荊楚云”上，確保了數據的實時性、安全性和系統的擴展靈活性，并提供了良好的移動拓展性。為領導決策層提供實時有效的決策依據。

3 紅光二期數字化實施的成果

紅光污水處理廠二期數字化設計與實現的本質，就是將自動化監控與勞動組織框架和生產工藝流程優化相結合，通過較低資金的投入，提高了自動化程度，優化了系統結構，增加了系統穩定性，培訓了人員思想，從軟硬件兩方面加速了信息的采集、處理和流通過程，最大限度地減輕崗位員工的勞動強度，提升了勞動生產率和生產安全性，降低了人力資源成本和生產營運成本。

紅光污水處理廠二期數字化建設帶來的管理模式的變革，結合大數據平臺，大大提高了每一個生產環節的管理效率，既滿足了當前大數據的時代要求，也滿足了環保理念發展要求，更向工業4.0和“中國制造2025”的目標邁進了堅實的一步。

參考文獻：

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