基于云平臺的污水處理廠遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

邱勝朋，王文成，姚金峰，張 寒

（桂林理工大學(xué) 機械與控制工程學(xué)院，桂林 541006）

污水處理是使污水達(dá)到排水某一水體或再次使用的水質(zhì)要求，并對其進(jìn)行凈化的過程。污水處理廠在城市中扮演著重要角色，然而，目前國內(nèi)大量鄉(xiāng)鎮(zhèn)級中小型污水處理點，數(shù)量多，分布廣，選址較為偏僻，不同地區(qū)水質(zhì)差別較大，處理工藝類以及設(shè)備選型不一，基層運營維修人員缺少充分的技術(shù)培訓(xùn)和專業(yè)化知識。這些問題均給污水廠的高效運行和管理造成困難[1]。

近年來，依托各種形式的智能設(shè)備以及4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及應(yīng)用，云平臺以及物聯(lián)網(wǎng)在各行各業(yè)得到了廣泛的普及和應(yīng)用，面向各行各業(yè)的專業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)云平臺也層出不窮（軟件服務(wù)，SAAS）。文獻(xiàn)[2]研究了專用物聯(lián)網(wǎng)平臺在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和生態(tài)檢測領(lǐng)域的案例，探討了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用的特點和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；消防云平臺提供了“互聯(lián)網(wǎng)+火控”的協(xié)同管理模式，實現(xiàn)了消防救援的科學(xué)調(diào)度、精確指揮[3]；基于云平臺的FORECAST智能虛擬輔導(dǎo)系統(tǒng)，為癌癥患者帶來福音[4]。“智慧城市”的概念更是隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及逐漸開始改變?nèi)祟惖纳罘绞絒5]。因此，基于云平臺的污水處理系統(tǒng)設(shè)計，不僅是工業(yè)化和信息化進(jìn)程中的有力結(jié)合，同時也響應(yīng)國家綠色發(fā)展理念，對于開創(chuàng)社會主義生態(tài)文明新時代具有極大的意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于云平臺設(shè)計的污水監(jiān)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括遠(yuǎn)端管理軟件、系統(tǒng)通信服務(wù)器、智能控制等，實現(xiàn)了將傳感器、數(shù)據(jù)庫、云計算、服務(wù)器等技術(shù)相融合，同時結(jié)合污水處理的實際要求，從運行、維護(hù)、管理等角度出發(fā)，實現(xiàn)對污水處理過程的實時監(jiān)控和精細(xì)管理。文中深入研究了云平臺技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)模型，并以太平鎮(zhèn)污水廠建設(shè)為例，自下而上詳細(xì)探討了污水云平臺監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建過程。

圖1 基于云平臺的污水監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of sewage monitoring system based on cloud platform

在基于云平臺的污水監(jiān)控系統(tǒng)中，首先需要現(xiàn)場設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實現(xiàn)在智能控制器中進(jìn)行存儲，同時與工業(yè)通信服務(wù)器進(jìn)行通信，之后將信息傳遞給云平臺，云平臺接收到信息后傳送給遠(yuǎn)程服務(wù)終端，此時監(jiān)控設(shè)備的工業(yè)信息可以及時反饋給工程師，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程維護(hù)的目標(biāo)。該系統(tǒng)支持基于智能手機的移動端應(yīng)用，管理人員通過Web網(wǎng)頁或App對監(jiān)控數(shù)據(jù)的實時便捷訪問，可以使用戶靈活地在遠(yuǎn)程獲知各地的設(shè)備運行狀態(tài)，進(jìn)而對現(xiàn)場狀況進(jìn)行判斷，做出最優(yōu)決策。

2 系統(tǒng)設(shè)計

污水云平臺監(jiān)控系統(tǒng)的最終目的是對設(shè)備及處理工藝工程進(jìn)行智能和精細(xì)化的管理，同時加強對設(shè)備的故障檢測、有效處理，以及工藝參數(shù)的精確調(diào)整。該系統(tǒng)可分為應(yīng)用配置層、認(rèn)知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、智能感知層等5個方面。通過安裝無線智能終端設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)智能節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這些數(shù)據(jù)，包括傳統(tǒng)控制方案中現(xiàn)場控制器PLC采集到過程量、重要設(shè)備的診斷信息，以及攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過預(yù)處理和時間標(biāo)定后通過現(xiàn)場上位機或物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點上傳到云服務(wù)器中，服務(wù)器完成數(shù)據(jù)的集成、分析、存儲并提供用戶遠(yuǎn)程訪問界面和終端分析工具的數(shù)據(jù)交互接口。

2.1 污水現(xiàn)場處理工藝

系統(tǒng)涉及的污水點包括建設(shè)中項目和運營中的改造升級項目，文中以太平污水點為例做詳細(xì)介紹。太平污水點占地666.67 m2，屬小型污水廠，處理對象主要是太平鎮(zhèn)居民區(qū)及小型作坊產(chǎn)生的生活污水，針對當(dāng)?shù)氐奈鬯攸c，采用了活性污泥處理工藝，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。污水由1 km外的泵站增壓引入污水廠，污水處理過程全封閉。由于污水廠選址較為偏僻，其運維方式為無人值守、定期檢查。現(xiàn)場控制器為S7-1214PLC，人機界面選用威綸通MT8102IE，現(xiàn)場不配備PC上位機。

圖2 污水處理工藝Fig.2 Sewage treatment process

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

反應(yīng)污水狀態(tài)的變量主要包括進(jìn)出水流量、pH值、氣流量，溶氧量、溫度、COD等。污水處理過程數(shù)據(jù)由現(xiàn)場安裝的各類傳感器進(jìn)行采集，通過Modbus總線或者4~20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流傳送到PLC中，在PLC中完成數(shù)據(jù)的簡單預(yù)處理，轉(zhuǎn)化為標(biāo)量整數(shù)或浮點數(shù)，由于網(wǎng)絡(luò)延遲可能造成的數(shù)據(jù)序列間隔不一致性，被發(fā)送到云數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)幀應(yīng)該含有時間標(biāo)記，根據(jù)不同數(shù)據(jù)源的要求傳送周期為5 s~1 min。重要的無線節(jié)點配有網(wǎng)絡(luò)的熱冗余切換，但仍需考慮不可測情況下可能造成的網(wǎng)絡(luò)中斷，PLC控制器中應(yīng)含有一個基本的邏輯控制程序，主要完成現(xiàn)場設(shè)備周期性啟停、故障保護(hù)，以及在網(wǎng)絡(luò)故障條件下完成的基本過程控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由于PLC內(nèi)存容量、刷新速率以及網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的有限性，針對攝像頭采集的數(shù)字圖像、監(jiān)控錄像，以及通過輔助檢測模塊采集的重要設(shè)備電流、電壓以及重要的高頻信息，通過配置獨立的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 云平臺網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

污水廠區(qū)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集主要使用屏蔽雙絞線連接傳感器到PLC和綜合采集模塊，除此之外，系統(tǒng)還包括內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)。遠(yuǎn)程泵站中的主要設(shè)備包括一用一備2臺潛水泵、流量計、液位計和1臺智能電表；不配備可編程設(shè)備及其他種類的控制器，由1個液位分段智能控制的繼電器回路控制泵的啟停，通過工業(yè)ZigBee-串口/485集成模塊將監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)送到主污水點PLC中。

3 服務(wù)器平臺部署

3.1 服務(wù)器結(jié)構(gòu)

服務(wù)器使用B/S結(jié)構(gòu)，針對訪問端具有良好的兼容性。服務(wù)器環(huán)境為Windows Server 2012 R2，Apache+Tomcat，Mssql 2012，PHP 5.6，phpMyAdmin 2.92。服務(wù)器完成數(shù)據(jù)收集，分析存儲和動態(tài)界面的外部訪問，結(jié)構(gòu)分為Web前臺、后臺服務(wù)、中間3部分。

前臺程序為Web客戶端訪問提供訪問支持，對于污水處理平臺，其中包含基本的面板和相關(guān)對象節(jié)點快速配置等，組態(tài)完成的訪問界面應(yīng)該和現(xiàn)場工藝相統(tǒng)一。

Web后臺完成HTTP交互相應(yīng)，WebSocket的連接請求以及數(shù)據(jù)傳輸，以及數(shù)據(jù)壓縮存儲查詢等有關(guān)數(shù)據(jù)庫的操作。

服務(wù)器中間件提供各模塊通訊API，對第三方軟件提供OPC數(shù)據(jù)訪問，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和有計劃的控制任務(wù)。使用基于PHP的Laravel進(jìn)行管理系統(tǒng)的開發(fā)，除了上述的功能模塊，還包含一個完整的用戶管理系統(tǒng)。為不同的用戶類型分配不同的管理權(quán)限，保障系統(tǒng)的安全訪問。服務(wù)器的組結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 Network structure of system

3.2 測試與實現(xiàn)

該污水處理廠水質(zhì)執(zhí)行GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的二級排放標(biāo)準(zhǔn)，其污染物的最高允許排放濃度為：生化需氧量（BOD5）≤30 mg/L；化學(xué)需氧量（COD）≤100 mg/L；懸浮物（SS）≤30 mg/L；氨氮（以 N 計）≤25（30）mg/L；總磷（以P計）≤3 mg/L。由于污水中主要污染物質(zhì)為易生物降解的有機污染物，因此污水廠采用二級生物處理的方法來進(jìn)行處理。生產(chǎn)環(huán)節(jié)控制設(shè)備見表1。

表1 重要的控制設(shè)備Tab.1 Main control equipment

通過云平臺實現(xiàn)對于整個污水處理廠的監(jiān)控。可以通過手機App軟件或者是Web服務(wù)器實現(xiàn)對于云平臺的訪問，云平臺Web端的監(jiān)控畫面如圖4所示。云平臺實時顯示正在運行的污水處理設(shè)備狀態(tài)和整體情況。

3.3 基于云的高級應(yīng)用

圖4 云平臺Web端的監(jiān)控畫面Fig.4 Monitoring screen at the web end of cloud platform

傳統(tǒng)的污水控制系統(tǒng)，由于缺少互聯(lián)網(wǎng)支持和硬件限制，大量的實時運行數(shù)據(jù)僅作為系統(tǒng)運行中的邏輯判斷標(biāo)準(zhǔn)，僅有少量必要的工藝的數(shù)據(jù)被報表保存。這些數(shù)據(jù)數(shù)量龐大，對系統(tǒng)運行參數(shù)調(diào)整和控制過程的預(yù)測診斷具有重要意義。保存在云端數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，可以直接服務(wù)器中按照預(yù)定的程序進(jìn)行固定的分析處理，也可由服務(wù)器提供的API接口在終端機中使用第三方軟件工具進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。一周內(nèi)的污水流量記錄如圖5所示。

圖5 一周內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)Fig.5 Historical data within a week

使用徑向基網(wǎng)絡(luò)（如圖6所示）預(yù)測每個周期內(nèi)的污水處理量：

式中：x1為降水量Q；x2為氣溫J；x3為河道流浪L；x4為區(qū)域人流量R。系統(tǒng)5次預(yù)測值與實測值的對比如圖7所示。

在獲得流量預(yù)測之后，可以提前調(diào)整污水處理的相關(guān)參數(shù)，提高污水廠的適應(yīng)能力。除此之外，還可以使用專家系統(tǒng)、多元回歸方程等方式預(yù)測分析COD和溶氧量等其他參數(shù)，提高污水處理效益。生物法污水處理工藝較為復(fù)雜，涉及大量的物理和化學(xué)反應(yīng)過程，當(dāng)檢測到出水口水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，運行參數(shù)異常時往往很難確定故障環(huán)節(jié)，基于云服務(wù)使用各種診斷系統(tǒng)，同樣可以幫助運維人員更快更準(zhǔn)確地定位偏離參數(shù)和故障設(shè)備。

圖6 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.6 Neural network structure

圖7 預(yù)測對比曲線Fig.7 Forecast contrast curve

4 結(jié)語

污水云平臺監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了實時監(jiān)控遠(yuǎn)程設(shè)備，及時跟蹤污水處理廠的生產(chǎn)信息，有效地保證了系統(tǒng)的高效運行，進(jìn)一步提升了污水處理廠的生產(chǎn)效率以及運營管理方面的綜合實力。污水云平臺監(jiān)控系統(tǒng)能夠穩(wěn)定高效地實現(xiàn)，不僅提升了設(shè)備管理的信息化水平，是工業(yè)化和信息化進(jìn)程中的有力措施，同時也響應(yīng)國家綠色發(fā)展理念，為建設(shè)美麗中國貢獻(xiàn)力量。