污水处理智能控制平台关键技术研究

位 刚

1. 中煤科工集团重庆研究院有限公司 重庆 400039

2. 中煤科工集团重庆智慧城市科技研究院有限公司 重庆 401133

我国水污染治理行业起步较晚，市场竞争激烈，集中度较低，行业内企业参差不齐，技术水平差异较大，很大程度还处于人工干预的阶段。未来我国污水处理行业的发展趋势是朝着规模化、高效化、智能化、资源化的方向发展的。其中，智能化技术将会成为污水处理的重要趋势之一，因此研究污水处理智能监控系统势在必行，通过智能化技术，可以实时监测和调节污水处理系统，提高处理效率和处理质量，实现污水资源化利用，减少成本支出。

与传统的污水处理技术相比，污水处理智能监控系统能够有效减少资源的使用，促进污水处理的自动化、智能化程度的提高，还能大大的缓解人力的投入，降低运营成本，还能实现污水监测的实时化，真实地反映出了污水厂的处理情况，能有效避免意外事件的发生和提升对意外事件的响应解决速度，并且污水处理的运行费用是庞大的、长期的，如果通过有效的控制能将城市污水处理厂的运行费用节省1%，也是个天文数字[1]。由此可见，加强城市污水处理系统智能控制的研究非常必要。

本文介绍该控制系统采用智能化技术手段，利用3D可视化技术构建污水处理工艺流程，结合物联网、大数据等先进技术，开发一套污水处理智能监控系统[1]，研究污水处理设备能节能降本的控制技术，实现污水处理厂的实时监测、远程控制、智能调节、分析决策、数据存储等综合管理功能。一站式呈现全厂运营态势，提高污水处理系统智能化监控水平，提升污水处理能效，全方面的提高污水处理厂的运营管理效率。

1 技术先进性

（1）污水处理智能监控系统平台采用模块化结构，能对水务行业的各个环节进行全面的信息化管理和监控，集成了水务行业相关的数据、设备和系统，通过数据分析和查询，提供决策支持和业务优化，系统也具有很强的扩展性和兼容性。

（2）平台智能化设计，开发画面采用2.5D/3D模型，用户可直观的了解水厂的整体布局及设备的安装位置，系统平台能够智能提示设备运行情况和故障信息，让用户准确的解决问题，满足无人值班的要求；根据需要还可实现图像远程监控。

（3）多水泵均衡负载轮换技术，免去了人工值守和操作，解放了劳动力，保证了水厂精准的控制和稳定的运行。

2 控制系统技术路线与研究

结合基于现有的国内污水处理技术和自动化程度现状，采用理论分析，现场试验相结合的方法，通过PLC控制器和计算机scada软件平台相融合，开发一套集中式污水处理智能监控系统。采用自动控制技术、在线水质监测传感设备和先进的信息技术手段、多项物联网技术与人工智能技术的应用，通过以太网或OPC等方式与各污水处理子系统通信连接，用于采集各分散污水处理设施的各项运行指标，包括进水水量、出水水量、进水(PH、DO、SS、温度、COD、氨氮、TN、TP、浊度、电导率)、出水进水(PH、DO、SS、温度、COD、氨氮、TN、TP、浊度、电导率)、耗电量、风机电流、电压、电流、设备供电状态，实现全流程污水数据采集分析、实时监测、智能化处理、数据查询等功能[2]。

污水处理智能监控系统由数据采集适配、数据存储、应用服务和平台应用四部分组成，结构上遵循统一的架构和接口。系统结构如图1所示。

2.1 数据采集适配

该部分负责从硬件采集数据，并进行逻辑分析处理，然后存入实时、历史数据库；数据采集的驱动适配支持多种数据源的采集，包括TCP/IP通讯、OPC服务采数等，可根据业务需要扩展通讯方式和协议[3]。这些模块采用插件方式设计，遵循统一的接口规范，方便对未知数据源，未知通讯方式的数据采集的扩展。

逻辑处理是对原始采集数据的处理，主要包括报文分析、数值分级报警分析、设备配置参数下发等。

远程监控主要是在远程模式下，通过自动或手动控制操作对设备进行远程的控制命令下发。

2.2 数据存储

提供实时数据库，以便提高数据分析和处理的效率；提供历史数据库，将分析处理数据持久化，以便后期的统计查询、数据分析等业务的应用。

2.3 应用服务

该部分提供统一的接口，为业务应用提供远程控制服务、数据管理/查询服务和数据共享服务。

远程控制服务，提供规范的控制接口和命令格式，为自动控制和手动控制提供基础，并具有安全验证机制。

数据管理/查询服务，提供数据插入、删除、修改的接口规范，隔离业务应用和数据库，保证数据的一致性、完整性和安全性。

数据共享服务，通过向集成平台、第三方提供数据共享接口。

2.4 业务应用

该部分主要包括设备管理、图形组态、实时报警、远程监控、运维管理和查询统计6大部分。

设备管理提供对污水厂站设备进行新增、删除、修改等配置操作的功能，可以设置监测参数的报警阀值、报警级别，选择相应报警的策率。

通过图形组态模块，可以实时的、直观的浏览查看整个系统、局部设备的运行情况、参数实时值、监测点的报警状态，并且可以对图形进行编辑管理。

实时报警实时以文本、声音的方式提醒，以便尽快了解和处理报警事件。

远程控制管理功能，可以预设多种情况下的报警联动方式。

运维管理提供故障处理提示、系统运行参数管理、定期巡检等管理功能。

3 污水处理智能监控平台开发

采用国内主流的上位机软件，开发一套完整的污水处理工艺流程，采用多台服务器集群和B/S 架构，数据与应用分离的部署方式，利用数字孪生技术，通过对传统二维的水厂组态图进行重构设计，对再生水厂厂区内的主要工艺流程进行2D/2.5D 可视化设计，根据业务单元进行分类设计，结合接入测点后监测到的实时数据，直观呈现工艺流程和工艺设备的运行状态，把污水处理厂各单元过程信息进行数字化处理，显示在三维立体视图中，这使得操作人员能够更加清晰地了解生产数据，便于发现和解决问题。

图2 监控平台开发图例

图3 监控平台开发图例

3.1 数据采集

数据采集是污水处理平台建设的核心之一，主要实现污水水质信息、流量信息、设备状态、报警信息等工艺数据实时采集、存储以及对数据进行管理、分析、查询等。通过在生产装置、检测设备、监测仪器等关键位置部署传感器设备，实时监测污水处理过程中的各个参数，采集大量数据并存储，并进行实时告警、事故预案智能提示，系统还支撑平台其他模块的应用和服务。

3.2 功能设计

趋势曲线开发：根据数据库绘制实时曲线图和历史趋势曲线图。

自动报表生成：根据需要按不同的时间周期生成日、月、年报表，也可按参数名称自动生成报表。对污水厂的液位、流量、设备运行状态、电能、设备故障状态、动力设备等信息中心自动汇总生成日报表、周报表和月报表，也可以自定义设定报表类型。

历史数据存储功能：①历史数据存储时间可组态，如定时存盘时间间隔可在1分钟、10分钟、30分钟、1个小时之间选择。

②具有数据导入、导出功能，便于系统进行数据备份、恢复和进行数据对比分析。

③支持断点续传和数据缓存、补调功能：对网络故障、设备通讯失败等异常情况导致数据缺失进行数据补调，保持历史数据完整。

④查询功能：可以对实时/历史趋势查询、实时/历史数据查询、实时/历史报警等信息以时间段、监控区域、监控点位、监控数值为条件查询，历史数据以表格和曲线图输出。

远程控制功能：软件上可以对各污水厂进行控制，例如开启提升泵，曝气风机等，可以实现手动、自动、远程三种模式运行。

输出、打印功能：各种报表、查询信息、报警信息能在屏幕上显示及打印输出。

工艺仿真：每个处理现场污水处理工艺不同，因此通过采集的实时数据以动画形式展现，虚拟仿真污水处理工艺；如发生故障时，故障设备发出闪烁的红色警示标识，整个污水处理流程通过实时数据驱动工艺流程仿真。

3.3 模块化设计

开发的污水处理监控系统采用平台化、模块化设计，在不影响现有各个子系统和应用软件稳定运行的情况下，进行灵活方便的功能组合和功能扩展。从而顺应水务应用变革与不断发展的需求，长久保护水务信息化建设投资。

4 基于PLC的多水泵均衡负载智能轮换控制技术的研究

多水泵轮换控制技术是通过自动化控制技术和PLC程序计算，根据每台水泵累计运行的时间和启动次数，通过数学函数循环计算和比较，对水泵启停的优先级进行智能排序，实现多台水泵的均衡负载，延长多台水泵的使用寿命，并根据要求排出维修计划[4]。

图4 多水泵轮换控制启动流程示意图

图5 多水泵轮换控制停机流程示意图

水泵均衡自动轮换可以实现多台水泵的统一监控和控制，避免人工干预，提高了水泵的使用效率。通过对不同水泵的分配和轮换，可以有效避免单一水泵长时间使用而导致设备过早损坏和影响使用寿命。同时，水泵自动轮换还能够提高系统的可靠性和安全性，确保系统长期稳定地运行。该技术可以为工业生产和城市供水等领域提供更加安全、可靠和高效的水泵控制方案，在实际应用中起到了重要的作用。

5 结论

智慧水务是国家发展的重要战略，污水处理厂自动化、信息化及智能化技术应用的市场空间巨大。随着大数据技术、物联网技术和人工智能的发展，污水处理行业正走向生产智能化、工艺装备化、设备集成化、监测数据化和管理信息化的智慧化发展道路。

因此对污水处理厂的智能化处置工艺流程、水泵智能控制技术及控制算法模型展开研究，构建一套统一的污水处理智能监控平台是很有必要的。平台部署便捷，工艺流程和功能控制可在不同水环境项目中移植复用，具有一定的市场应用场景。