村鎮(zhèn)污水處理設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引 言

我國(guó)村鎮(zhèn)污水處理設(shè)施規(guī)模小、數(shù)量多、分布廣，普遍存在專業(yè)運(yùn)行人員缺乏、運(yùn)行管理不到位的問題，加之位置偏遠(yuǎn)、分散，往往不能派遣人員長(zhǎng)期駐守去監(jiān)管污水處理站的運(yùn)行情況，發(fā)生運(yùn)行故障和突發(fā)事故時(shí)難以得到及時(shí)反饋和應(yīng)對(duì)，導(dǎo)致大部分現(xiàn)有村鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的實(shí)際運(yùn)行狀況達(dá)不到預(yù)期效果 [1-3]。

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)設(shè)施無人值守的有效途徑。我國(guó)應(yīng)用于城鎮(zhèn)污水處理廠的實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)已較為成熟，而針對(duì)村鎮(zhèn)地區(qū)較為分散的小型污水處理設(shè)施的遠(yuǎn)程監(jiān)控尚處于起步發(fā)展階段。隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為核心的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)在環(huán)保行業(yè)得到廣泛應(yīng)用 [4-5]，特別是地理位置偏遠(yuǎn)、地形條件復(fù)雜的村鎮(zhèn)地區(qū)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的采用可以提高污水處理設(shè)施的運(yùn)營(yíng)管理效率，有效保障設(shè)施的長(zhǎng)效穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)有利于實(shí)現(xiàn)集約式運(yùn)維管理，降低運(yùn)營(yíng)成本 [6]。以我國(guó)華北地區(qū)某村鎮(zhèn)污水處理設(shè)施為對(duì)象，構(gòu)建基于 GPRS（通用分組無線服務(wù)） 和Internet 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

GPRS 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸速度快，是目前國(guó)內(nèi)工業(yè)級(jí)應(yīng)用的主要通信傳輸手段之一，被廣泛應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域中遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建?；?GPRS 的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)建設(shè)且按流量計(jì)費(fèi)，實(shí)施方便、建設(shè)和運(yùn)行成本低 [7-9]，非常適合于村鎮(zhèn)地區(qū)污水處理設(shè)施的運(yùn)行監(jiān)管。

根據(jù)研究對(duì)象的特點(diǎn)，建立村鎮(zhèn)污水處理站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖 1 所示。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有如下主要功能 ：

(1) 可以通過終端設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控站點(diǎn)運(yùn)行情況 ；

(2) 對(duì)污水處理站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、記錄、監(jiān)測(cè)、報(bào)警；

(3) 根據(jù)監(jiān)測(cè)反饋信息，對(duì)運(yùn)行工況進(jìn)行遠(yuǎn)程操作、控制。

監(jiān)控系統(tǒng)可分為三層 [10-11] ：

(1) 信息感知層：采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器儀表，對(duì)流量、水溫、水質(zhì)、視頻信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)信息采集。

(2) 網(wǎng)絡(luò)通信層 ：采集后的信號(hào)以標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電信號(hào)上報(bào)綜合信息采集器。綜合信息采集器可外接多路模擬量、數(shù)字量傳感器探頭，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換，最終將水量、水質(zhì)、水溫等監(jiān)測(cè)信號(hào)和設(shè)備狀態(tài)信號(hào)、電力信號(hào)等通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控管理服務(wù)器。

(3) 監(jiān)控應(yīng)用層 ：管理人員利用智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、PC機(jī)等電子設(shè)備，通過互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)可接入系統(tǒng)服務(wù)器，接收現(xiàn)場(chǎng)信息，進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)曲線圖查看、歷史數(shù)據(jù)查詢等操作，了解掌握設(shè)施運(yùn)行情況。根據(jù)設(shè)施運(yùn)行狀況，在需要時(shí)適時(shí)調(diào)整工藝設(shè)備運(yùn)行工況。同時(shí)根據(jù)反饋的報(bào)警、提醒等信息，遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備停止運(yùn)行或啟動(dòng)備用設(shè)備運(yùn)行。

在上述網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架下，運(yùn)行管理人員和站點(diǎn)設(shè)備儀表之間通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)，通過集中運(yùn)營(yíng)監(jiān)控平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)的集約式運(yùn)維管理。污水處理站可按自動(dòng)化模式運(yùn)行，除定期進(jìn)行巡檢和對(duì)設(shè)備進(jìn)行常規(guī)檢測(cè)維護(hù)外，平時(shí)可無人值守。由一家專業(yè)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)采用集約式運(yùn)維管理模式管理幾個(gè)甚至幾十個(gè)污水處理站，可以更加充分地整合人力資源、技術(shù)資源和物資資源，在人員管理、生產(chǎn)管理和物品管理等環(huán)節(jié)提升水平和效率 [6]。

2 硬件設(shè)備配置

2.1 系統(tǒng)硬件組成

污水處理站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成如圖 2 所示，可分為站點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)硬件和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心硬件兩部分。安裝在污水處理站現(xiàn)場(chǎng)的硬件設(shè)備主要包括輸出開關(guān)信號(hào)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀和輸出模擬信號(hào)的流量計(jì)、水位計(jì)、溫度計(jì)等監(jiān)測(cè)儀以及自動(dòng)控制設(shè)備和信息采集與傳輸設(shè)備。一個(gè)功能齊全的監(jiān)控管理中心機(jī)房需要配置服務(wù)器、計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)備。

                                                                                                                                                                圖 2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成

近年來，一些高科技公司依靠其在信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理方面的強(qiáng)大能力，以在線公共服務(wù)的方式提供公有云服務(wù)。相比自建監(jiān)控中心機(jī)房，此方式投入成本低、實(shí)施快，但在運(yùn)行安全性、長(zhǎng)效性等方面可能存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。如果沒有條件或經(jīng)濟(jì)實(shí)力建設(shè)獨(dú)立的村鎮(zhèn)污水處理站監(jiān)控中心機(jī)房，可以采用此類提供公共服務(wù)的云計(jì)算平臺(tái)，監(jiān)控中心只需配置常規(guī)的計(jì)算機(jī)和移動(dòng)設(shè)備等終端設(shè)備即可。

2.2 站點(diǎn)硬件設(shè)備

實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控的污水處理站點(diǎn)需要具備數(shù)據(jù)信息的監(jiān)測(cè)、監(jiān)控與采集，以及 GPRS 組網(wǎng)等方面的功能。相應(yīng)需要的硬件設(shè)備主要有：主控模塊、信息傳輸模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、現(xiàn)場(chǎng)儀表、攝像頭監(jiān)控設(shè)備等。

2.2.1 可編程控制器

PLC 是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)控站點(diǎn)需設(shè)置的主控模塊設(shè)備。PLC 是專門設(shè)計(jì)用于工業(yè)自動(dòng)化控制的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)與微型計(jì)算機(jī)相同，由電源單元、中央處理器單元（CPU）、存儲(chǔ)器單元、輸入輸出單元（I/O）、功能模塊和通信模塊組成。在 PLC 上融合了繼電器、接觸器控制技術(shù)與微型計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以編制程序，存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算及計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等操作指令，同時(shí)可以從現(xiàn)場(chǎng)接收開關(guān)量和模擬量信號(hào)，按照控制功能進(jìn)行運(yùn)算，通過數(shù)字量或模擬量的輸入、輸出對(duì)工藝運(yùn)行過程進(jìn)行控制 [12]。

污水處理站采用 PLC 不僅可實(shí)現(xiàn)邏輯和順序控制、模擬控制、信號(hào)聯(lián)鎖等功能，還可作為下位機(jī)，與數(shù)據(jù)采集和無線傳輸設(shè)備通信，通過數(shù)據(jù)處理和信息交互并上傳監(jiān)控云平臺(tái)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行過程的遠(yuǎn)程信息控制和管理。

2.2.2信號(hào)采集模塊和 GPRS無線傳輸模塊

信號(hào)采集模塊可用于采集現(xiàn)場(chǎng)儀表的監(jiān)測(cè)信息和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行信息數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)按照自定義協(xié)議格式以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給 GPRS 無線傳輸模塊。GPRS 無線傳輸模塊是一種工業(yè)級(jí)無線數(shù)據(jù)通信終端，內(nèi)嵌 TCP/IP 協(xié)議，利用GSM 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的短信息和 GPRS 業(yè)務(wù)為用戶提供超遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。GPRS 無線傳輸模塊將采集到的數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心服務(wù)器，同時(shí)也接收服務(wù)器下發(fā)的指令，回傳到站點(diǎn)主控模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)站點(diǎn)運(yùn)行情況的遠(yuǎn)程監(jiān)控。監(jiān)控中心服務(wù)器可根據(jù)每個(gè) GPRS 無線傳輸模塊內(nèi)含的ID，判斷數(shù)據(jù)的來源 [8]，據(jù)此，監(jiān)控人員可以實(shí)時(shí)掌握多個(gè)站點(diǎn)信息。

2.2.3 現(xiàn)場(chǎng)儀器和設(shè)備

(1) 監(jiān)測(cè)儀器

村鎮(zhèn)污水處理站需要從工藝技術(shù)選擇、運(yùn)行過程控制和設(shè)施建設(shè)角度出發(fā)，充分考慮村鎮(zhèn)所處的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和環(huán)境條件以及人力、物力因素，特別是村級(jí)污水處理站，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控儀器儀表的設(shè)置不易過繁過多。根據(jù)工藝和管理要求的不同， 每個(gè)污水處理站配置的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控儀器儀表有所不同。通常設(shè)置有進(jìn)出水流量計(jì)、液位計(jì)、溫度計(jì)。其他高標(biāo)準(zhǔn)的配置有DO儀、水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀（COD、氨氮等常規(guī)指標(biāo)）等。

(2) 運(yùn)行設(shè)備

不同的污水處理站有不同的處理工藝技術(shù)路線和單元模塊配置。根據(jù)工藝的不同，每個(gè)污水處理站配置的設(shè)備也不同，通常有水泵、風(fēng)機(jī)、攪拌器、電動(dòng)閥門等。

2.2.4 監(jiān)控?cái)z像頭

目前，監(jiān)控?cái)z像技術(shù)和設(shè)備較為成熟，費(fèi)用不高。從輔助工藝運(yùn)行調(diào)控和安全生產(chǎn)的角度出發(fā)，在有條件的污水處理站點(diǎn)可設(shè)置監(jiān)控?cái)z像頭。監(jiān)控?cái)z像頭的選擇需要考慮的因素包括監(jiān)控場(chǎng)所和被攝物體大小、放置地點(diǎn)環(huán)境條件、對(duì)成像清晰度的要求、使用場(chǎng)所安裝條件及安裝方式等。

2.3 控制與通信系統(tǒng)配置實(shí)例

華北地區(qū)某村鎮(zhèn)污水處理站建設(shè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，主控模塊采用標(biāo)準(zhǔn) ModbusRTU 協(xié)議的 PLC 模塊。PLC 選用 DVP- 08SM，自帶 4 個(gè)模擬量輸入，分別接入流量計(jì)信號(hào)和溫度信號(hào)。開關(guān)信號(hào)分別接自進(jìn)水泵、曝氣池風(fēng)機(jī)、反應(yīng)池?cái)嚢杵?、電?dòng)閥等設(shè)備。圖 3 所示為 PLC 程序設(shè)計(jì)梯形圖。

采用 GPRS 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸工作。污水處理站的現(xiàn)場(chǎng)儀表輸出信號(hào)有 RS 485 信號(hào)和 4 ～20 mA 電流信號(hào)， 因?yàn)樾枰c現(xiàn)場(chǎng)的儀表通信，故在底層執(zhí)行端中配置了與現(xiàn)場(chǎng)儀表通信接口相同的信號(hào)接口。同時(shí)，預(yù)留一個(gè)脈沖信號(hào)接口和一個(gè)RS 232 接口，以匹配不同的儀器儀表。

選用iWaterBox 傳輸模塊，其規(guī)格和性能參數(shù)如圖4 所示。該傳輸模塊支持主流品牌 PLC 常用公有協(xié)議和 Modbus 協(xié)議， 通過以太網(wǎng)將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)主動(dòng)傳回指定的公網(wǎng)服務(wù)器，同時(shí)也可以接收服務(wù)器端下發(fā)的控制指令傳回給 PLC 或者單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。iWaterBox 可以匹配采集多種控制器（不同品牌 PLC、單片機(jī)等）數(shù)據(jù)，做到數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化安裝，且支持后續(xù)增加支持類型。

當(dāng)后臺(tái)數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器發(fā)生故障或網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)， 設(shè)置在站點(diǎn)的通信設(shè)備能持續(xù)采集數(shù)據(jù)并暫存在通信設(shè)備的存儲(chǔ)器內(nèi)，可存儲(chǔ)約 3 個(gè)月的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)量可通過增加存儲(chǔ)卡擴(kuò)充。

3 運(yùn)行過程控制

保持污水處理站的正常穩(wěn)定運(yùn)行需要對(duì)工藝運(yùn)行的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)和控制，涉及對(duì)污水處理過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)度管理。技術(shù)力量薄弱的村鎮(zhèn)地區(qū)實(shí)現(xiàn)污水處理系統(tǒng)的自動(dòng)化、程序化運(yùn)行，可以很大程度上降低人為操作對(duì)工藝穩(wěn)定運(yùn)行的影響，實(shí)現(xiàn)無人值守下的精細(xì)化管理。

污水處理站的運(yùn)行自動(dòng)控制主要通過 PLC 主控模塊、信息采集傳輸模塊、電源模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器儀表等設(shè)備，依據(jù)一定的時(shí)間順序和邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)。對(duì)于規(guī)模較小的污水處理設(shè)施而言，特別是建于村鎮(zhèn)地區(qū)的污水處理設(shè)施，不可能設(shè)置過多的在線監(jiān)測(cè)儀表，控制系統(tǒng)中開關(guān)量多、模擬量少，過程控制以邏輯程序控制為主，閉合回路控制為輔。以達(dá)到預(yù)期的處理效果和出水水質(zhì)要求為目標(biāo)，建立工藝運(yùn)行過程控制策略，使污水處理站在正常狀態(tài)下正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作和自動(dòng)調(diào)節(jié)；在非正常狀態(tài)下自動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)保護(hù)。通過設(shè)置污水處理站自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng) /遠(yuǎn)程操作控制、故障報(bào)警、信息或信號(hào)顯示、數(shù)據(jù)管理等功能。

在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施中考慮了遠(yuǎn)程與現(xiàn)場(chǎng)控制的切換。遠(yuǎn)程通過網(wǎng)絡(luò)給 PLC 輸入控制信號(hào)控制設(shè)備開停或調(diào)整控制參數(shù)范圍，現(xiàn)場(chǎng)通過面板按鈕給 PLC 輸入控制信號(hào)控制設(shè)備開?；蛟O(shè)置控制參數(shù)。為防止遠(yuǎn)程 / 現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)操控造成控制邏輯混亂，設(shè)計(jì)一個(gè)遠(yuǎn)程控制阻斷開關(guān)，現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，將遠(yuǎn)程控制阻斷開關(guān)設(shè)為開，則無法向 PLC 輸入控制信號(hào) ；待現(xiàn)場(chǎng)操作完畢后，遠(yuǎn)程阻斷開關(guān)設(shè)為關(guān)，此時(shí)可以控制設(shè)備開停。遠(yuǎn)程控制阻斷開關(guān)不影響反饋信號(hào)的傳輸，遠(yuǎn)程終端始終可以監(jiān)視設(shè)備狀態(tài)。

4 結(jié) 語

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整合了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、無線遠(yuǎn)程傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)行控制、APP 客戶端等功能，可實(shí)現(xiàn)污水處理站專業(yè)化、規(guī)范化的運(yùn)營(yíng)管理，除定期或不定期巡查外，平時(shí)無需人值守，大大節(jié)約了人力成本。

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可與處理設(shè)施第三方運(yùn)營(yíng)相結(jié)合，形成集約化運(yùn)營(yíng)管理模式。將多個(gè)相鄰污水處理站交由同一家專業(yè)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一管理，可實(shí)現(xiàn)人力資源、技術(shù)資源和物質(zhì)資源共享，達(dá)到提高運(yùn)維效率、降低運(yùn)行成本的目的，是提升村鎮(zhèn)污水處理站運(yùn)行管理水平、保持污水處理設(shè)施長(zhǎng)效運(yùn)行的有效途徑。