農村污水處理的管控一體化系統設計及應用

周 非，杜樹新，劉付臣，蘇同輝

（1.湖州師范學院 工學院，浙江 湖州 313000；2.杭州海知慧環境科技有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

隨著農村污水處理站點建設的快速推進，導致污水處理運營監管的難度逐漸加大。傳統的農村污水處理一般采用就地管理模式，當污水處理站點數量逐漸增多時，無法實現污水的高效處理，同時也缺乏對多個站點的集中高效管理。為解決這個問題，逐步形成了“分布控制、集中管理”的農村污水管控模式。

本論文針對“分布控制、集中管理”的農村污水管控模式，設計開發了一套管控一體化系統，實現了對農村污水處理現場設備的自動控制與數據采集，以及多站點的軟件管理，以滿足農村污水處理的運營管理需求。

1 農村污水處理工藝及管控一體化要求

農村污水處理按照工藝劃分為三部分，如圖1所示。包括污水預處理系統、生化處理系統、生態處理系統，每部分都有相應的控制功能，包括對流量的控制、溶解氧風機的控制以及提升泵的控制。系統可以完成污水處理的設備管理、遠程操作、報表生成及事件上報，對實時采集的設備及水質數據進行處理分析與展示等。操作人員可以觀察各處理點各工藝流程段的實時工況、各工藝參數的歷史曲線，能夠及時掌握全區域農村污水處理站點的運行情況。

圖1 農村污水處理基本工藝流程

農村污水處理管控一體化系統基于“分布控制、集中管理”模式，建立了高效、人性化且便于擴展的系統，以便滿足后期業務拓展的需求。要求系統集監測、控制和調度管理于一體，完成對整個工藝過程及全部污水處理設備的監測與自動控制。

2 管控一體化系統設計與開發

2.1 管控一體化系統結構

系統主要分為兩部分，如圖2所示。現場設備的控制主要通過傳感器采集污水處理過程中的生產參數、工藝參數，比如液位、pH值、溶解氧等數據，經過分析處理后，通過PLC對開關閥、提升泵等進行控制和調節。并通過通信模塊定時將現場采集的生產/工藝數據、設備運行狀態數據等上傳到集中管理系統，由集中管理系統進行統一管理與展示。管理系統的開發主要包括對出水水質錄入、設備運行狀態管理、污水處理運維管理過程中事件管理、巡檢管理、圖表分析等功能的開發。

圖2 農村污水處理管控一體化系統結構

2.2 數據庫設計

系統以MySQL作為后臺數據庫，根據系統的實際需求分為基本數據庫、監測數據庫、業務數據庫。

（1）基本數據庫包括登錄人員權限、菜單管理等內容；

（2）監測數據庫負責現場設備上傳的數據存儲；

（3）業務數據庫包括報表管理、事件管理等內容。

根據具體的業務需求將需要設計的功能模塊轉換成對應的數據庫表。數據庫表主要包括農村污水處理各站點信息表、現場被控設備工作狀況信息表、實時污水指標數據表、處理后排放水質數據表、巡檢任務表、事件上報表等。

2.3 管控一體化系統開發

2.3.1 系統核心框架與數據流

管控一體化系統基于前后端分離架構，集成了MySQL數據庫技術。前端以Node.js搭建服務器端運行環境，通過前端框架Vue.js和頁面布局框架Element UI完成系統功能邏輯和模塊界面設計。Vue.js是一種輕量級的前端框架，能夠實現數據的雙向綁定與響應式數據變化，從而實現對初始數據項的觀察，可有針對性的對頁面數據發生的變化進行監聽，在數據交互較大、較多的模塊頁面具有較快的響應速度。能夠對常用的功能模塊進行封裝，以組件的形式在系統任何地方調用。將基于Ajxs的Axios進行二次封裝后調用后端接口，與后臺數據交互。最后借助Nginx進行反向代理，將項目部署到業務服務器上。

后端基于SpringBoot框架開發，通過MyBits實現數據庫的映射與操作，并使用Maven作為項目管理工具完成后臺開發。SpringBoot提供了一系列start pom工具用以對Maven的依賴加載進行簡化，且可通過引入特定語句實現依賴包的自動加載。在加載Spring項目時會根據在類路徑中的jar包自動配置Bean，可大幅減少手動引入的配置操作。

2.3.2 現場設備控制

采用西門子S7-300 PLC對農村污水處理現場設備進行控制，被控設備如閥門、提升泵、風機，以及各類傳感器（液位傳感器、pH傳感器等連接PLC的I/O口）。系統借助PLC通信模塊連通PLC，對現場設備進行數據采集和控制。

2.3.3 集中管理

（1）設備管理

系統通過PLC數據通信模塊獲取控制設備的運行數據，并根據當前的生產要求和控制要求控制設備的啟動和停止。當設備發生故障時停止上下級設備的運行，將故障情況反饋給后臺，派遣相關人員進行修理。

（2）事件管理

事件管理模塊分為事件上報和事件處理兩部分，各站點工作人員將本站點發生的事件新增上報到系統，系統提醒專人對事件進行處理，包括各站點物資的需求以及突發事件。

（3）水質錄入

對各站點不同時間段的進/出水口水質進行檢測，水質數據如pH值、溶解氧等由系統采集并自動錄入，工作人員需確認水質登記表。水質數據錄入到系統，方便后期各污水處理站點對比污水處理成效。

（4）圖表分析

圖表分析指將各站點的進/出水水質通過圖表顯示相應的指標項含量，能有效、直觀地知曉當前各站點的污水處理情況以及污水處理效率，對后期各站點的水處理效率的評估具有重要的參考作用。

（5）巡檢管理

巡檢管理包括巡檢周期、巡檢任務的設定和巡檢信息的錄入。首先由管理人員統一確定巡檢周期，包括日檢、周檢、年檢等，后期生成巡檢任務并計算剩余有效天數，實現定期對相關站點設備、物資等的檢查。巡檢人員在巡檢各站點時，將巡檢信息（如巡檢位置、巡檢設備圖片等）錄入巡檢管理系統中。

3 應用效果

農村污水處理管控一體化系統已投入浙江某農村試點使用，其主要成效包括如下幾方面：

（1）系統建設完成后，運維人員可以觀測到各站點設備的實時工作情況，并能夠遠程控制現場設備，實現對農村污水處理的控制。

（2）農村污水處理的所有報表文件都通過系統線上發送傳遞，降低了紙質文件運輸、保管的成本，提高了工作人員的工作效率。

（3）各類事件提交時，系統會實時給予提示反饋，避免事件被遺漏，提高事件處理效率。

（4）定期對農村污水處理過程中的各類設備及物品進行巡檢，減少設備突發故障的次數，延長設備的使用壽命。

（5）系統對整片區域的污水處理站點進行統一管理，可以收集所有站點運行過程中的數據并進行分析，從而發現農村污水處理的高效運行模式，方便下一步計劃的實施。

圖3所示為農村污水站點分布界面，可通過地圖直觀呈現各分布站點的地理位置。圖4所示為工作人員水質錄入界面，對各站點的進出水水質情況進行統一登記。圖5所示為圖表分析數據可視化界面，設為折線圖和柱狀圖兩種可切換模式，可較為直觀地呈現不同時間段各站點的出水水質情況，以此判斷各站點的工作效率。

圖3 農村污水站點分布圖

圖4 水質錄入界面

圖5 圖表分析界面

4 結 語

農村污水處理的管控一體化系統依據“分布控制、集中管理”的設計模式，分析了農村污水處理過程中的功能需求。運用PLC遠程通信、數據庫、前后端分離技術，根據功能需求設計了事件處理、設備管理、水質錄入、巡檢管理、圖表分析等功能。在實際上線使用中，系統應用效果良好，能夠滿足農村污水處理管理的各種需求，有效實現了對農村污水站點的智能化、信息化管理。同時系統還具備數據分析功能，能夠發現污水處理效率較高的站點，為提高農村地區的污水處理效率提供有力的數據支撐。