基于物联网的污水处理生产监控系统

杨建村，吴光军*，刘萍，李小民，仇兴兴



基于物联网的污水处理生产监控系统

杨建村1，吴光军2*，刘萍2，李小民3，仇兴兴3

(1. 中石化胜利油田分公司，山东东营，257061；2.北京中控讯智能技术研究院有限公司，北京昌平，102249；3. 安徽中控仪表有限公司，安徽池州，247210)

针对目前污水处理厂缺乏有效监管，运行效率低、运行模式粗放等现状，搭建基于物联网的污水处理智能管控系统。本文阐述了污水处理智能管控系统WTSmart的系统架构及系统功能。重点研究了如何应用WTSmart系统对污水处理厂工艺生产数据的采集，污水处理运行的生产监控，解决污水处理信息传递脱节，运营管理水平不一，重点单元能源消耗大等问题，实现污水处理达标、降低运行成本、生产管理水平提升。

污水处理；智能管控；生产监控；系统架构

1 引言

污水处理行业是国家新兴战略产业之一，随着我国水务环保行业市场化程度的逐步加大，市场涌现出许多全国性和区域性的大型水务集团公司或者大型的污水处理厂。相对大型水务集团公司，其各个污水处理厂地域分布广泛，从而导致集团与厂之间容易产生信息传递脱节，而各厂运营管理水平不一，运营管理人才短缺，且重点单元能源消耗大，这些问题日益突出，从而使得水务集团公司迫切需要进行集约化管理，来实现企业资源的合理配置；针对大型的污水处理厂，如何提高污水处理的运行效率，降低能耗、提高污水的出水达标率是提高污水处理企业市场竞争的一个重要办法。

因此，面对这些严重阻碍集团及各污水处理厂发展的问题，搭建一个污水处理智能管控系统平台，以提高污水处理管理水平为目标，通过对各污水处理厂工艺生产数据的采集，完成污水处理运行的生产监控，实现污水处理工艺的优化调整，解决实际生产中的问题，从而降低水厂运行成本，提高水处理达标率。

2 系统架构

WTSmart污水处理智能管控系统是在工业生产过程智能iPES[1]系统平台上配置的一个行业应用。 WTSmart污水处理智能管控系统围绕数据采集传输（数据源）、数据库、组件配置与数据综合应用三层来构建。该系统是一套以工业生产物联网为基础，以提高污水处理管理水平为目标，通过对污水处理厂工艺生产数据的采集，完成污水处理运行的生产监控，实现污水处理工艺的优化调整，解决实际生产中的问题，从而降低水厂运行成本，提高水处理达标率。该系统集组态监控、生产监控[2]、工程分析、设备管理、生产运维[3]、工况诊断[4]、优化决策、综合评价[4]、专家知识库、智能移动终端等功能于一体，保障污水处理日常运行的的安全、高效、节能、环保。如图1所示，为WTSmart污水处理智能管控系统架构图。

图1 WTSmart污水处理智能管控系统架构图

2.1 数据采集传输层

通过安装在粗格栅、提升泵房、曝气池等工艺区间的机泵、流量计等智能设备并获取电机电流、电压、不同污水水源下的含量、各种能耗、物耗和进、出厂水流量的计量和累计、生产过程设备工况和工艺流程状况监测等，通过数据采集系统将实时数据直接存入系统数据库中。

2.2 数据库、组件配置层

以数据管理、公共组件配置、模块集成、系统部署为步骤进行系统平台搭建，配置的应用系统具有模块高扩展性和应用功能高定制性，既可满足生产监控要求，也可满足不同用户进行深化应用的个性化需求。

2.3 数据综合应用层

应用层是将数据呈现给用户或处理用户输入的应用程序或系统一部分。以提高污水处理生产管理水平为目标，完成集污水生产过程监控、生产参数监控、污水处理能力分析评估、水质达标率分析评估、污水处理工况诊断、工程分析、优化设计、智能控制、设备管理、生产运维、指标评价（KQI）等功能的开发与综合应用，从而保障污水处理的安全、高效、节能、环保。

3 生产监控功能介绍

本文重点介绍WTSmart系统对污水处理厂工艺生产数据的采集，污水处理运行的生产监控，实现污水处理达标、降低运行成本、生产管理水平提升。

3.1 污水处理工艺采集内容及方法

污水处理工艺整个过程为通过粗格栅的原污水经过污水提升泵提升后，经过格栅或者砂滤器，之后进入沉砂池，经过砂水分离的污水进入初次沉淀池，初沉池的出水进入生物处理设备，有活性污泥法和生物膜法，(其中活性污泥法的反应器有曝气池，氧化沟等，生物膜法包括生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法和生物流化床)，生物处理设备的出水进入二次沉淀池，二沉池的出水经过消毒排放或者进入三级处理，三级处理包括生物脱氮除磷法，混凝沉淀法，砂滤法，活性炭吸附法，离子交换法和电渗析法。二沉池的污泥一部分回流至初次沉淀池或者生物处理设备，一部分进入污泥浓缩池，之后进入污泥消化池，经过脱水和干燥设备后，污泥被最后利用。

污水处理厂需要保持24 h不间断运行，污水处理各类建筑物分布区域较广，因此，污水处理数据采集采用“集中管理、分散控制”的原则控制布局，前端通过PLC采集各区域的数据信息，如粗格栅、提升泵、曝气池等，并最终汇到监控中心进行集中管理。针对污水处理工艺，主要监控数据如表1所示。

表1 污水处理工艺监控参数

3.2 生产监控

目前很多大型的污水处理厂内部都存在着信息孤岛的问题，格栅井、沉沙池、生化池、二沉池、污泥回流池、高密沉淀池、消毒池、脱泥间、风机组、加药间、清水池等每个工艺流程的信息化都是独立存在的，并没有统一的平台将其整合。

WTSmart系统采用B/S架构，系统以污水处理企业现有或新建的自动化控制系统中的生产运行数据为采集源，通过数据采集平台以及数据传输网络从前端各区域PLC中自动、实时地将生产运行数据传输到监控中心。

3.2.1 组态监控

WTSmart系统采用上位机组态监控污水处理工艺流程的各个区域，通过组态监控软件对整个污水处理系统中各生产流程、各工艺设备节点的所有动态进行画面与数据的集中可视化展示；异常报警给后台监控人员以及管理人员进行展示。

整个污水处理系统工艺中有格栅井、沉沙池、生化池、二沉池、污泥回流池、高密沉淀池、消毒池、脱泥间、风机组、加药间、清水池等处理单元，包括机械格栅、提升泵、搅拌机、罗茨鼓风机、加药泵、溶药装置、污泥螺杆泵等电机设备，有近20个变量；在上位机组态监控界面中在可视化展示、报警展示功能应用的情况下还可以进行设备控制、实时数据显示、历史数据及曲线、报表输出等多个功能的开发与应用，并实现重点能耗管控的功能。XXX城市污水处理厂组态监控如图2所示。

图2 XXX城市污水处理厂组态监控

3.2.2 系统特点

WTSmart系统完成生产过程主要参数（不同污水水源下的含量、各种能耗、物耗和进、出厂水流量的计量和累计、生产过程设备工况和工艺流程状况监测等）的采集；使企业各级人员随时掌握生产运行情况。

• 自动采集、实时存储和监控污水企业自控系统中的在线仪表、设备的运行数据；

污水处理厂通过PLC系统采集和控制均质调节池、再生池、沉淀池、水解池、好氧池、二沉池、污泥脱水、消毒、一级处理的所有设备及传感器。PLC间数据通过总线进行数据交换，实现数据共享。操作人员通过组态软件向PLC发出相应的控制指令后，由PLC对现场进行直接控制。此时即便上位机出现故障（如死机、掉电等），也不会影响系统的正常工作，这样做大大提高了系统的安全稳定性。图3污水处理工艺流程图。

图3 污水处理工艺流程图

• 企业生产运行情况实时图形化展示，可通过网络远程查看；系统采用B/S架构，可通过Web浏览器直接访问。如图4为污水处理提升泵运行状态图。

图4 污水处理提升泵运行状态图

• 历史生产运行数据可随时进行快速查找和查看，并具有报表自动生产功能；

• 生产运行数据可通过柱状图、饼图、曲线图等效果进行直观对比；图5为污水处理生产运行总成本核算图。

图5 污水处理生产运行总成本核算图

• 自动监视各类生产运行数据，发现异常实时报警；

• 报警处理过程及处理结果可进行跟踪和记录；

• 历史报警信息可进行查询、汇总及统计分析；

• 可编写报警处理预案，为报警处理提供参考，提高处理效率；

• 生产运行报表信息统计功能，如不同污水水源下的含量、各种能耗、物耗和进、出厂水流量的计量和累计、生产过程设备工况和工艺流程状况监测报表等；

5 结束语

本文重点介绍了WTSmart污水处理智能管控系统中的生产监控功能模块，并通过组态直接展示污水处理各个工艺流程，解决污水处理信息传递脱节，运营管理水平不一，重点单元能源消耗大等问题，实现了污水处理过程的快速处理，以及生产管理水平的快速提升。

WTSmart污水处理智能管控系统不仅适用于大型的水务集团公司，也适用于各个污水处理厂，该系统通过物联网、云技术以及大数据挖掘技术，将各个污水处理厂前端的各个污水处理工艺的运行情况集中在云平台上进行综合运维分析处理，最终实现污水处理工艺的优化调整，解决实际生产中的问题，降低水厂运行成本，提高污水处理达标率。

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IOT Related Production Monitoring System of Sewage Treatment

YANG Jiancun1, WU Guangjun2*, LIU Ping2, LI Xiaoming3, QIU Xingxing3

(1. Sinopec Shengli Oilfield Branch, Shangdong Dongying 257061; 2. China; Beijing SmartCon Technology Research Institute Co., Ltd, Beijing 102249, China; 3. Anhui FirstCon Instrument Co., Ltd, Anhui 247210, China)

For the current situations of non-effective supervision, low operation efficiency and extensive running mode in water group companies, the system structure and system functions of WTSmart is expounded in this system. We focus on using the functions of data acquisition and production monitoring in WTSmart system to solve the problems such as disconnection in information transfer, different levels in operation management and large energy consumption in key units and to realize the water treatment passing rate improved, the operation cost of the sewage plan reduced and the level of production management enhanced.

sewage treatment; smart monitoring and control; production monitoring; system structure

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.01.10

X799.3

A

1672-9129(2017)01-0037-04

2017-01-09；

2017-01-18。

杨建村，男，中石化胜利油田分公司，东辛采油厂，营二作业区。吴光军（1985-），男，安徽池州，安徽理工大学自动化专业，研究方向：工业生产过程及自动化控制。刘萍（1991-），女，湖北荆门，研究方向：大数据挖掘应用。李小民（1985-），男，安徽安庆，安徽农业大学，研究方向：工业生产过程及自动化控制。仇兴兴（1989-），男，安徽安庆，黄山学院，研究方向：工业生产过程及自动化控制。E-mail：541403412@qq.com