污水处理设备的故障诊断与远程维护系统研究

龚瑞昆，张文庆，龚雨含，周国庆

（1.华北理工大学 电气工程学院，唐山063210；2.唐山工业职业技术学院 自动化工程系，唐山063210）

市政污水处理厂是我国对城市环境，生态文明建设和水质量环境改善的一项重大的民生工程。 随着国家对污水处理的重视，我国污水处理厂的数量越来越多，污水处理的能力也越来越强[1]。 但是，我国的污水处理系统还存在许多严峻的问题，系统的不正常运行，污水处理水质不达标，设备故障等现象较为常见。 但是由于污水处理过程复杂，影响因素较多，故障诊断较难，而且由于污水处理厂的操作人员专业素质可能有所不足，对于故障设备也不能及时处理发现，这样不仅仅影响污水处理效率，在运营管理上也会受到影响，造成资源浪费，成本提高。 随着物联网技术的发展，将“工业4.0”智能生产理念与传统污水处理厂的控制系统相结合具有一定的研究价值和意义，因此对污水处理厂进行故障诊断和对设备的远程维护管理是十分必要的。

1 污水处理故障诊断方法研究现状

我国早在80年代就开始对故障诊断进行研究，并取得了一系列的研究成果，传统上由简单的状态监测向故障诊断和预测方向发展，并且随着现代化技术的发展，诊断技术由同步到不同步，由人工诊断到自动诊断[2-3]。 故障诊断方法越来越多，优点和缺点相应的也暴露出来，污水处理的故障诊断方法如表1所示。

表1 污水处理故障诊断方法表Tab.1 Sewage treatment fault diagnosis method

利用现有污水处理的数学模型或者仿真软件对污水处理工艺运行状况进行诊断优化，精度较高。 但是对于操作人员的操作要求较高，过程复杂。

利用专家系统故障诊断方法在污水处理中开展应用研究已在国外开展多年，得出在污水处理系统过程评价、自动控制等方面具有良好的应用前景。

2 污水处理远程维护与故障诊断系统

随着现代科学技术进步与发展，污水处理系统自动化集成度越来越高，设备技术含量也就越来越高，结构复杂，导致故障诊断难度与维修越来越难，对故障不能及时处理和维修将带来时间和生产成本的损失。 实时的故障诊断和定位问题成为远程维护的关键，远程维护系统的研究意义重大，可以形成产品服务一体化，可以为公司解决不必要花费。 建立远程维护与故障诊断系统是解决问题的有效举措。

远程维护与故障诊断通过设备诊断技术与计算机网络技术相结合，利用物联网技术实现远程控制监测[4-5]。 远程维护系统可以使公司在多个地点进行操作，从而更快、更有效地访问、分析和响应来自污水处理厂的信息。 故障诊断系统，能实现预知维修，及早发现故障隐患，定位问题设备，提高维修的准确性和实时性，降低服务费用，提高经济效益。 在污水处理厂中实现远程维护和故障诊断相结合[6-9]，必定会给这一行业带来巨大的经济效益。

2.1 远程维护和故障诊断系统体系结构

远程维护与故障诊断系统可以作为物联网架构中的一个子系统，实现对设备性能的保障。 利用不同类型的传感器组成一个信号采集子系统，对分散于水厂中的设备数据信息进行采集，通过网络传输的方式进行数据的传输，将采集得到的数据存储在数据库服务器，用户可以对数据进行分析诊断。并可通过终端电脑对现场故障进行诊断处理，下发指令实现远程维护[10]。 系统结构如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 System structure diagram

2.2 远程维护与故障诊断系统特点

考虑在任何基于网络的应用程序中，网络时间延迟都是最大的障碍之一，特别是在涉及实时批量数据传输的情况下[11]。 远程维护系统需要从实时控制过程中收集数据，正确实时传输数据对于确保任何远程维护系统及时响应非常重要。 如果所有的计算都在偏远的地方进行，可能会产生巨大的网络流量，并造成不可接受的时间延迟。 因此可根据数据的大小将数据分为重数据和轻数据，重数据在本地站点进行处理，只将提取出的重数据特征（如所识别模型的参数）传输到本地站点，并在本地站点设计了一个后端系统来执行所有繁重的计算，在远程端设计了一个前端系统来实现远程维护控制系统。这样不仅可以解决网络延迟所带来的时间差，还可以及时排除故障，保障设备的正常运行。 远程维护与故障诊断系统主要特点如图2所示。

图2 远程维护与故障诊断系统特点结构图Fig.2 Structure diagram of remote maintenance and fault diagnosis system

污水处理厂设备正常运行是污水处理的核心要求，实现对故障的预知，可降低生产过程中设备出现的问题隐患，减少停机时间，增加生产效率。 远程服务系统使得企业方便查询设备使用情况，实时跟踪设备使用状态和质量问题，发现薄弱环节，不断提高设备质量。 并且该系统具有自我学习功能，通过不断地丰富知识库从而达到系统的自我完善和进步。

2.3 远程维护系统故障诊断实现方法

根据远程维护和故障诊断体系结构可知，设备采集系统包含PLC 设备、现场监测设备、采集终端以及各类不同传感器等信息采集设备，计量现场监测设备记录了现场排查过程中的数据；而采集终端则将设备的一些数据进行上传。 该类信息采集设备数量多且设备之间存在复杂的交互关系，因此需要对设备采集系统故障进行合理有效的诊断[12]。 污水处理设备采集系统的故障诊断能够快速、准确地查找采集系统故障发生的原因，具体的包括采集系统IO 模板和通道组件的在线故障诊断。设备采集系统的故障诊断硬件配置主要是完成推理和控制策略，其中推理策略主要是分析信息采集过程中所呈现的故障现象和相关联组件之间的复杂逻辑关系，一般方法有演绎推理以及归纳推理。 而控制策略则是整个故障诊断过程中所具有的控制策略，一般方法有正向推理和反向推理。 设备采集系统的故障诊断硬件框图如图3所示。

图3 设备采集系统的故障诊断硬件框图Fig.3 Hardware block diagram of equipment acquisition system for fault diagnosis

该故障诊断系统在对多源信息数据分析处理上，采用专家系统进行诊断推理，使得系统在故障诊断上更加准确。 专家库系统诊断推理具体流程如图4所示。 在专家库诊断系统得出的诊断结果基础上，设计出相应的功能模块实现对故障设备的远程维护。

3 远程维护与故障诊断系统关键技术

3.1 远程维护与故障诊断系统串口通信研究

实现设备远程监控和维护系统关键问题是解决设备间的通信，整体上看，污水处理厂设备状况不一，通讯协议标准往往也就不一致，因此就需要结合设备实际运行状况，制定的通讯协议能实现远程设备控制和维护等功能，并确保在此基础上增加功能扩展模块，以便设备进行功能扩展。 通信协议中需要了解控制设备、监视参数、设置参数等相关内容，以便构建出一个规范的能够满足设备实际状况下的通讯协议[13-15]。 按照通讯协议，往往可分成5种帧结构，不同类型的帧结构与硬件间优化融合需要综合考虑。 设计分析5 种帧结构具体内容如表2所示。

图4 专家库系统诊断推理流程Fig.4 Flow chart of diagnostic reasoning of expert database system

表2 帧结构分类表Tab.2 Frame structure classification

3.2 服务器及云平台的建立

建立服务器采用动态网页架构设计，系统云平台使用B/S 架构，即浏览器和服务器的通信连接模式。

云平台的建立对污水处理厂的管理监控、运维等方面是必不可少的一步，能够实现对污水处理厂内的设备查询、故障诊断、故障报警等统一管理；实现设备状态历史数据存储，远程控制数据值，提供鲜明数据曲线图。 提高企业生产效率，节省企业成本，使效益得到最大化。

3.3 远程控制

对于污水处理厂设备状态，水厂水池液位、压力、电流及电压都将设置一定的阈值，超过限值，都将自动报警。 在服务器中，将采集的各项实时数据根据不同的设施通过不同的算法初步判断出现的故障。 远程控制电动阀进一步判断故障类别、地点和原因，并且进行消息推送，向用户报警。

维护人员可以在服务器发送指令，指令通过DTU 传送到污水处理厂内控制器。 控制器接收到指令后，控制污水处理设备，调节阀门开度，对故障进行隔离或者启用备用设备，以最大程度减少资源、时间的浪费；为维护人员提供详细故障信息以及维护时间，使其尽快保证污水处理运行畅通。

4 设备远程维护和故障诊断系统运行验证

使用 JavaDk1.8+ Eclipse3.0 搭建环境，以及Java 语言来实现云平台的开发。如图5所示为通过remote Access 工具实现网口通信，连接远程网口PLC，实现数据的采集和远程监控的操作。

图5 网口通信连接Fig.5 Network communication connection

数据传输通讯正常后即可将数据传送到服务器及云端，如图6所示，为现场污水处理生产曲线，可清晰的查看到污水生产水质中的数据情况。 无论在什么地方，均可输入IP 进行数据查看及设备监控。

图6 污水处理生产水质数据Fig.6 Water quality data of sewage treatment production

该系统还能实现对污水处理厂整体监控，对现场开关控制的实时数据实现监控上传，还可以将数据转换成图表形式、趋势图形式进行观察，还能够查询现场工艺流程图，可以清晰地反应现场工艺情况，显示故障设备。如图所示7 所示。对报警设备可进行及时处理、实现远程维护等操作。 各个膜池监控状态如图8所示。

图7 污水处理工艺流程界面Fig.7 Interface of sewage treatment process

图8 系统整体监控界面Fig.8 Overall monitoring interface of the system

5 结语

污水处理设备的故障诊断与远程维护系统研究帮助水厂实现统一管理，设备故障诊断，减少维修工程师现场维修方式，不仅能保障产品的使用能力，提高水厂生产效率，维护设备的工作能力。 满足企业未来发展需求，也给其他行业带来新的发展方式。

文中在分析系统的概念及实质的基础上，提出一种基于云平台远程维护与设备诊断系统，阐述了系统关键技术，扩展和完善了系统功能运用，通过系统运行验证，能实现稳定的数据传输，设备故障诊断功能以及远程维护操作。 为实现环保城镇做出巨大贡献，也为其他智能产业的发展打下了良好的基础。