污水處理智能控制平臺關鍵技術研究

位 剛

1. 中煤科工集團重慶研究院有限公司 重慶 400039

2. 中煤科工集團重慶智慧城市科技研究院有限公司 重慶 401133

我國水污染治理行業起步較晚，市場競爭激烈，集中度較低，行業內企業參差不齊，技術水平差異較大，很大程度還處于人工干預的階段。未來我國污水處理行業的發展趨勢是朝著規模化、高效化、智能化、資源化的方向發展的。其中，智能化技術將會成為污水處理的重要趨勢之一，因此研究污水處理智能監控系統勢在必行，通過智能化技術，可以實時監測和調節污水處理系統，提高處理效率和處理質量，實現污水資源化利用，減少成本支出。

與傳統的污水處理技術相比，污水處理智能監控系統能夠有效減少資源的使用，促進污水處理的自動化、智能化程度的提高，還能大大的緩解人力的投入，降低運營成本，還能實現污水監測的實時化，真實地反映出了污水廠的處理情況，能有效避免意外事件的發生和提升對意外事件的響應解決速度，并且污水處理的運行費用是龐大的、長期的，如果通過有效的控制能將城市污水處理廠的運行費用節省1%，也是個天文數字[1]。由此可見，加強城市污水處理系統智能控制的研究非常必要。

本文介紹該控制系統采用智能化技術手段，利用3D可視化技術構建污水處理工藝流程，結合物聯網、大數據等先進技術，開發一套污水處理智能監控系統[1]，研究污水處理設備能節能降本的控制技術，實現污水處理廠的實時監測、遠程控制、智能調節、分析決策、數據存儲等綜合管理功能。一站式呈現全廠運營態勢，提高污水處理系統智能化監控水平，提升污水處理能效，全方面的提高污水處理廠的運營管理效率。

1 技術先進性

（1）污水處理智能監控系統平臺采用模塊化結構，能對水務行業的各個環節進行全面的信息化管理和監控，集成了水務行業相關的數據、設備和系統，通過數據分析和查詢，提供決策支持和業務優化，系統也具有很強的擴展性和兼容性。

（2）平臺智能化設計，開發畫面采用2.5D/3D模型，用戶可直觀的了解水廠的整體布局及設備的安裝位置，系統平臺能夠智能提示設備運行情況和故障信息，讓用戶準確的解決問題，滿足無人值班的要求；根據需要還可實現圖像遠程監控。

（3）多水泵均衡負載輪換技術，免去了人工值守和操作，解放了勞動力，保證了水廠精準的控制和穩定的運行。

2 控制系統技術路線與研究

結合基于現有的國內污水處理技術和自動化程度現狀，采用理論分析，現場試驗相結合的方法，通過PLC控制器和計算機scada軟件平臺相融合，開發一套集中式污水處理智能監控系統。采用自動控制技術、在線水質監測傳感設備和先進的信息技術手段、多項物聯網技術與人工智能技術的應用，通過以太網或OPC等方式與各污水處理子系統通信連接，用于采集各分散污水處理設施的各項運行指標，包括進水水量、出水水量、進水(PH、DO、SS、溫度、COD、氨氮、TN、TP、濁度、電導率)、出水進水(PH、DO、SS、溫度、COD、氨氮、TN、TP、濁度、電導率)、耗電量、風機電流、電壓、電流、設備供電狀態，實現全流程污水數據采集分析、實時監測、智能化處理、數據查詢等功能[2]。

污水處理智能監控系統由數據采集適配、數據存儲、應用服務和平臺應用四部分組成，結構上遵循統一的架構和接口。系統結構如圖1所示。

2.1 數據采集適配

該部分負責從硬件采集數據，并進行邏輯分析處理，然后存入實時、歷史數據庫；數據采集的驅動適配支持多種數據源的采集，包括TCP/IP通訊、OPC服務采數等，可根據業務需要擴展通訊方式和協議[3]。這些模塊采用插件方式設計，遵循統一的接口規范，方便對未知數據源，未知通訊方式的數據采集的擴展。

邏輯處理是對原始采集數據的處理，主要包括報文分析、數值分級報警分析、設備配置參數下發等。

遠程監控主要是在遠程模式下，通過自動或手動控制操作對設備進行遠程的控制命令下發。

2.2 數據存儲

提供實時數據庫，以便提高數據分析和處理的效率；提供歷史數據庫，將分析處理數據持久化，以便后期的統計查詢、數據分析等業務的應用。

2.3 應用服務

該部分提供統一的接口，為業務應用提供遠程控制服務、數據管理/查詢服務和數據共享服務。

遠程控制服務，提供規范的控制接口和命令格式，為自動控制和手動控制提供基礎，并具有安全驗證機制。

數據管理/查詢服務，提供數據插入、刪除、修改的接口規范，隔離業務應用和數據庫，保證數據的一致性、完整性和安全性。

數據共享服務，通過向集成平臺、第三方提供數據共享接口。

2.4 業務應用

該部分主要包括設備管理、圖形組態、實時報警、遠程監控、運維管理和查詢統計6大部分。

設備管理提供對污水廠站設備進行新增、刪除、修改等配置操作的功能，可以設置監測參數的報警閥值、報警級別，選擇相應報警的策率。

通過圖形組態模塊，可以實時的、直觀的瀏覽查看整個系統、局部設備的運行情況、參數實時值、監測點的報警狀態，并且可以對圖形進行編輯管理。

實時報警實時以文本、聲音的方式提醒，以便盡快了解和處理報警事件。

遠程控制管理功能，可以預設多種情況下的報警聯動方式。

運維管理提供故障處理提示、系統運行參數管理、定期巡檢等管理功能。

3 污水處理智能監控平臺開發

采用國內主流的上位機軟件，開發一套完整的污水處理工藝流程，采用多臺服務器集群和B/S 架構，數據與應用分離的部署方式，利用數字孿生技術，通過對傳統二維的水廠組態圖進行重構設計，對再生水廠廠區內的主要工藝流程進行2D/2.5D 可視化設計，根據業務單元進行分類設計，結合接入測點后監測到的實時數據，直觀呈現工藝流程和工藝設備的運行狀態，把污水處理廠各單元過程信息進行數字化處理，顯示在三維立體視圖中，這使得操作人員能夠更加清晰地了解生產數據，便于發現和解決問題。

圖2 監控平臺開發圖例

圖3 監控平臺開發圖例

3.1 數據采集

數據采集是污水處理平臺建設的核心之一，主要實現污水水質信息、流量信息、設備狀態、報警信息等工藝數據實時采集、存儲以及對數據進行管理、分析、查詢等。通過在生產裝置、檢測設備、監測儀器等關鍵位置部署傳感器設備，實時監測污水處理過程中的各個參數，采集大量數據并存儲，并進行實時告警、事故預案智能提示，系統還支撐平臺其他模塊的應用和服務。

3.2 功能設計

趨勢曲線開發：根據數據庫繪制實時曲線圖和歷史趨勢曲線圖。

自動報表生成：根據需要按不同的時間周期生成日、月、年報表，也可按參數名稱自動生成報表。對污水廠的液位、流量、設備運行狀態、電能、設備故障狀態、動力設備等信息中心自動匯總生成日報表、周報表和月報表，也可以自定義設定報表類型。

歷史數據存儲功能：①歷史數據存儲時間可組態，如定時存盤時間間隔可在1分鐘、10分鐘、30分鐘、1個小時之間選擇。

②具有數據導入、導出功能，便于系統進行數據備份、恢復和進行數據對比分析。

③支持斷點續傳和數據緩存、補調功能：對網絡故障、設備通訊失敗等異常情況導致數據缺失進行數據補調，保持歷史數據完整。

④查詢功能：可以對實時/歷史趨勢查詢、實時/歷史數據查詢、實時/歷史報警等信息以時間段、監控區域、監控點位、監控數值為條件查詢，歷史數據以表格和曲線圖輸出。

遠程控制功能：軟件上可以對各污水廠進行控制，例如開啟提升泵，曝氣風機等，可以實現手動、自動、遠程三種模式運行。

輸出、打印功能：各種報表、查詢信息、報警信息能在屏幕上顯示及打印輸出。

工藝仿真：每個處理現場污水處理工藝不同，因此通過采集的實時數據以動畫形式展現，虛擬仿真污水處理工藝；如發生故障時，故障設備發出閃爍的紅色警示標識，整個污水處理流程通過實時數據驅動工藝流程仿真。

3.3 模塊化設計

開發的污水處理監控系統采用平臺化、模塊化設計，在不影響現有各個子系統和應用軟件穩定運行的情況下，進行靈活方便的功能組合和功能擴展。從而順應水務應用變革與不斷發展的需求，長久保護水務信息化建設投資。

4 基于PLC的多水泵均衡負載智能輪換控制技術的研究

多水泵輪換控制技術是通過自動化控制技術和PLC程序計算，根據每臺水泵累計運行的時間和啟動次數，通過數學函數循環計算和比較，對水泵啟停的優先級進行智能排序，實現多臺水泵的均衡負載，延長多臺水泵的使用壽命，并根據要求排出維修計劃[4]。

圖4 多水泵輪換控制啟動流程示意圖

圖5 多水泵輪換控制停機流程示意圖

水泵均衡自動輪換可以實現多臺水泵的統一監控和控制，避免人工干預，提高了水泵的使用效率。通過對不同水泵的分配和輪換，可以有效避免單一水泵長時間使用而導致設備過早損壞和影響使用壽命。同時，水泵自動輪換還能夠提高系統的可靠性和安全性，確保系統長期穩定地運行。該技術可以為工業生產和城市供水等領域提供更加安全、可靠和高效的水泵控制方案，在實際應用中起到了重要的作用。

5 結論

智慧水務是國家發展的重要戰略，污水處理廠自動化、信息化及智能化技術應用的市場空間巨大。隨著大數據技術、物聯網技術和人工智能的發展，污水處理行業正走向生產智能化、工藝裝備化、設備集成化、監測數據化和管理信息化的智慧化發展道路。

因此對污水處理廠的智能化處置工藝流程、水泵智能控制技術及控制算法模型展開研究，構建一套統一的污水處理智能監控平臺是很有必要的。平臺部署便捷，工藝流程和功能控制可在不同水環境項目中移植復用，具有一定的市場應用場景。