中小污水厂无人值守控制系统建设方案分析

苏炜 陈好学 曹立业

摘要：中小型污水处理厂为了降低运营成本会采用“无人值守、定时巡检”的模式来运维。而要实现“无人值守”，就对自动控制系统提出了新的要求，应按“信号可知、画面可看、智能可控、系统可靠、权限可设”的原则配置系统，多个污水厂设置一个监控中心，通过专线网络监控所有厂站的所有设备;相应地，软、硬件也要根据功能适应这种配置要求。

关键词：无人值守;污水处理厂;自控系统;PLC;智慧水务

0    引言

分布式污水处理系统大多为一体化小型装置，这种小型污水处理装置虽然能节省管网等建设投资，但也存在水量不稳定导致运行不连续、出水达标不稳定等诸多问题，而且由于其数量巨大，带来的运维及管理问题层出不穷。因此，就近建设管网，将污水收集后输入规模稍大的污水厂进行处理，在一个片区（区县域）内将数量众多的一体化装置变成数座或数十座具有一定规模的中小型污水处理厂，应该说是个两全的方案。

对于此类规模的小厂，一般采用“无人值守、定时巡检”的模式来运维。由于这类厂的系统远比一体化污水处理装置复杂且规模大、设备多，但规模又小于一般的城市污水厂，其控制系统如果采用传统污水厂自控系统配置思路将无法满足“无人值守”的要求。针对这种情况，其自控系统的建设应遵循下文所述思路进行。

1    系统方案

无人值守污水厂的控制系统整体架构如图1所示。

总的来说就是：设置一个监控中心，通过专线网络监控所有厂站的所有设备。也就相当于把传统污水厂的中控室集中到一个地方来进行监控。现场人员采用巡检的方式，利用手机移动App、工业Pad等设备也可实现移动端的监控。

远程运维及监控平台是由上位远程监控系统和各厂站PLC自控系统通过专线网络联网组成的。各厂站自控系统是各站点的PLC控制系统，完成各污水处理厂的自动运行控制;使用统一的网络接口设备接入运维平台的数据库，并可在监控中心的人机交互画面中监控。各污水厂的视、音频上传至监控中心，可作为远程监控的辅助措施，既可以独立显示也可以嵌入到监控组态画面中，这样可以使远程操作直观、安全、可靠。

各厂站自控系统应实现如下功能：

（1）无需专守：设备配备智能化控制系统并可接入远程运维平台，无需增派专人值守。

（2）自动运行：自动控制系统可确保设备全自动运行。

（3）远程视频巡检：运维人员可以在控制室通过访问数据中心的视频数据库监看各站点的视频影像。

（4）定期巡检：由运行单位定期对设备进行巡检和预警，能够确保污水处理厂站设备的运行高效、正常。所有巡检任务可由监控中心通过手机App下发，巡检记录等均可通过手机App填报上传，实现高效无纸化办公。

2    控制系统的配置原则

对于中小型污水厂的无人值守监控系统除了要实现传统的控制目标之外，还应按“信号可知、画面可看、智能可控、系统可靠、权限可设”的原则配置系统。

（1）信号可知：信号采集要全面，全面感知污水厂运行状态。

一般大型污水厂会一直有人值守，故其自控系统对于一些非主要设备的信号或参数采集不是很全面，也不会影响其正常运行。而无人值守污水厂虽然有监控中心远程监控，但由于一般不会一对一配置监控人员，而且没有人及时巡视设备和水质，所以需要完整、全面地采集所有设备的工作状态及工艺参数，并根据这些参数实现自动决策控制、自动上报，大部分情况可以自动处理，自控系统无法判断的可以由监控值班人员根据上传的信号进行人工决策。

对于重要设备应当配置马达综合监测仪，并以通信方式全面采集设备运行参数，自动分析设置好报警值。电力系统、UPS系统的信息也应以通下方式采集至自控系统。

（2）画面可看：增加工艺系统视频监控，实现所有设备实时监看。

在有人值守的情况下，一般污水厂的视频监控系统配置往往比较稀疏，且多为枪机，只有视频而无音频信息，设备的状态往往由于视角太大无法在视频图像中看清楚。而无人值守污水厂的中心监控画面除了要有能够反映全部数据的综合监控数据画面及独立的视频系统之外，所有设备都应有高清云台摄像机监看，软件平台中可以做报警联动，即设备运行状态改变或出现故障，摄像头应自动对焦该设备，并在运行监控的组态画面中插入以弹窗形式出现的设备信息及现场视频和音频，这样可以确保设备运行状态改变及故障时第一时间了解现场情况。组态画面的设备操作画面中需要显示实时视频及音频，这在一些设备进行遠程启停时尤为必要，可有效避免一些安全事故的发生。图2为一个设备子画面（设备标签页）的样例，App和Pad上画面内容相同，但操作需要授权。同时，由于厂站数量多，设备数量巨大，设备标签页还应有按钮链接设备资料信息（设备档案），同时可在监控中心或移动端查看，包括设备图纸、维保信息、说明书、生产厂商信息等，便于运维人员现场维护。

（3）智能可控：工艺设备全部可自控，实现全工艺流程控制，底层控制软件应具有智能故障处理功能。

对于不经常使用的工艺设备如一些闸门、事故水泵、换气扇甚至照明等，传统污水厂自控系统为了节省投资往往只有手动控制，但在无人值守的情况下把这些设备的控制接入自控系统尤为重要。

由于各厂站大多会采用单元化、模块化设备，每个单元或模块会配置控制器，因此可以在每个厂站设置一个或数个PLC站点，通过现场工业通信网络连接。每个厂站配置一台上位机或基于Windows平台的工业PC，预装组态系统并与监控中心连接，可以实现对于本厂站的全部监控功能，与操作员在监控中心的界面一致。

工艺设备全部自控的情况下对于传统常用的一些控制方式也需要做一些调整：对于底层的控制站点控制程序应具备一定的故障诊断及自主处置能力，为了防止设备或系统出现问题时人员无法及时到达现场，必须依靠自控系统完成一些基本的故障处置。同时由于每个操作员面对的是数量相对巨大的设备和厂站，因此一些需要随时调整的工艺运行控制也必须一定程度上智能化，实现自主调整运行。

例如：污水厂的鼓风机系统历来是耗能大户，有经验的操作人员可以在确保出水达标的前提下，通过频繁改变风机的运行台数、频率等方式实现节能。但在操作人员数量少、面对的厂站数量多的情况下实现频繁操作几乎是不可能的，采用“精确曝气”等智能化控制算法，通过数据积累，可以利用中心服务器的强大运算能力进行大数据分析，得出日益优化的运行控制参数，从而使系统的运行“越来越节能”。

（4）系统可靠：系统需响应迅速、运行稳定、动作可靠。

控制系统的可靠性和稳定性是基本要求，但对于无人值守污水厂来说，尤其要关注的是电气控制回路的可靠性和通信系統的稳定可靠。

传统的自控电路一般在自控模式下采用单点保持型输出控制，在这种控制模式下，设备的运行是靠自控系统的单点信号输出保持的，由于这种控制方式下PLC的输出继电器是一直通电运行的，极易发生损坏或“闪断”，导致设备停机甚至损坏。如果自控系统发生掉电等故障使输出丢失，在大量设备自控运行的情况下，会导致全部设备突然停止运行，引发事故。

采用双点脉冲输出的方式控制设备启动和停止可以避免以上问题，在这种控制模式下，设备的启动和停止是由两个输出点的脉冲输出分别控制的，这样即使控制系统故障，设备也会保持原有的运行状态，极大地提高了系统的可靠性。

通信系统是无人值守污水厂的神经系统，其可靠性和稳定性直接影响着系统的安全。

对于通信系统整体架构来说，由于每个厂站的视频信号传输要求较高，因此各厂站应有专线光纤接入，以保证足够的带宽及安全性;较大规模的重要站点，应考虑双运营商接入或无线网络接入的备份网络架构。

对于场内的通信系统来说，从节约投资的角度考虑，控制系统可不采用冗余配置，但是对于较大的厂站，现场通信网络宜采用冗余环网结构。同时，厂区可覆盖Wi-Fi信号，便于运维人员使用移动设备，但要做好网络安全工作。

PLC控制系统及视频、网络系统UPS应采用在线式，并确保一定的续航能力。

（5）权限可设：统一的监控平台系统需实现多点、多平台部署，分权限分层级操作。

远程运维及监控平台的建设思路如下：资源共享，分级授权，对于不同的运维人员分层级设置不同的权限。这样可以使平台的监管、操作、维护以及整体的运营模式都统一到一个平台上来，不仅可以确保系统安全稳定，还大大节约了投资。

运维人员按权限可以分为工程师、远程操作员、移动操作员。工程师可以配置系统的所有权限，并可以对操作员权限进行配置;远程操作员可以对各厂站的设备进行远程操作及远程巡检;移动操作员可以对各厂站的设备按条件（比如定位到厂站后或进入厂站Wi-Fi后）进行操作。对于移动操作员，按职责又可设定不同权限，比如班组长可以使用移动设备进行控制，其余人员只能查看，或使用工业Pad时可以拥有高一些的权限等。

3    监控及数据中心平台建设方案

监控及数据中心是无人值守污水厂系统的大脑，其重要性绝不仅仅是一个放大了的污水厂中控室，其软硬件配置及运行是决定整个系统是否可以正常运行的关键。

3.1    监控中心平台

统一建设一个集中监控中心平台系统，将所属站点的数据信息及监控画面进行统一展示及管理。各厂站的运行数据和监控数据以及视频、音频一并通过统一网络传输至监控中心，进行实时监控、调阅、备份。

监控中心机房可采用自建服务器或租用商用云服务器，所有数据存储于该中心服务器，针对不同用户可以由管理员根据需要设置不同权限，便于统一维护和管理。

监控中心设置至少2台工程师站、数台操作员站以及实时数据库服务器、管理服务器等，根据厂站数量分组，一般应配置N（分组数）×2台操作员站。每台工程师站可对整套系统进行修改或设置权限，每台操作员站亦均可监控全部系统内的设备，这样可以互为备份。但实际使用时，为确保职责明确，可以由工程师站进行权限设置，不同的操作员可以按分组只能操作指定的厂站。

为使系统具有良好的可扩展性与可维护性，平台接入使用统一的安全策略和统一的地址分配，便于以后增加站点或增加检测点位。

监控中心需配置必要的防火墙、网关等设备。

3.2    监控软件的访问权限

整个监控平台按权限可以划分为四层：

第一层：工程师账户，可以监看和修改全部各站点的所有数据或设置分配权限;

第二层：操作员账户，可以监控其辖区内站点所有数据;

第三层：移动端账户，可以监控其所负责运维的站点设备运行状态及数据，可利用口令进行一定范围的操作;

第四层：浏览账户，只可查看系统内数据，不可操作。

在系统办公网络和互联网中，终端用户（管理人员、运行人员等）凭借密码和权限远程Web访问查看数据中心内数据服务器的数据。

4    结语

综上所述，无人值守污水厂的自控系统不但会大大降低管理成本，降低运维人员数量及工作强度，还可以带来降低系统运行能耗、药耗，预防事故发生，延长设备寿命等一系列效益，这对于整个污水处理行业的发展具有重大意义。

[参考文献]

[1] 郑作全.污水处理机电设备的安装与运维[J].河南建材，2019（2）：242-243.

[2] 张守伟，段丽霞.污水处理自动化仪表设计与应用[J].制造业自动化，2011（6）：164-166.

收稿日期：2020-04-21

作者简介：苏炜（1972—），男，山东临朐人，工程师，研究方向：工业自动化。