污水处理厂控制系统发展前景的思考与探讨

李 滨

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 背景

当前，我们社会正处在一个伟大的技术变革中，新技术、新产品、新经济不断涌现。2017年阿里巴巴 “双11”交易额定格在1 682亿元，1天的交易额超越了世界上100多个国家的GDP，互联网特别是移动互联网成为经济发展的新动力；2017年5月围棋人工智能程序AlphaGo以3:0战胜世界围棋第一人柯洁，在人类最复杂棋类中超越了人类棋手花了漫长时间积累起来的知识体系；2017年10月新版围棋人工智能程序AlphaGo Zero自学3天100：0碾压旧版AlphaGo，代表着人工智能最新成就，人工智能成为技术发展的最大亮点。

对于这次技术变革对工业的带来影响，国际上有两个观点：德国的“工业4.0”，偏重于智能化发展方向；美国的“工业互联网”，偏重于信息化发展方向。

以德国政府为首的欧洲国家认为目前正处在第四次工业革命（工业4.0）中，2013年4月德国政府经济与能源署在汉诺威工业博览会上正式提出工业4.0的概念。他们认为工业1.0为以蒸汽机为代表的机械化革命；工业2.0为以生产流水线为代表的电气化革命；工业3.0为以计算机/PLC为代表的自动化革命；工业4.0为以信息物理融合系统、AI（人工智能）、物联网为代表的智能化革命。工业4.0主要表现在数字化深入生产第一线，以互联网为基础，以人工智能为手段，打造智能工厂，实现智能化生产。

以美国GE公司为首的大企业认为目前的技术变革应该是工业与网络信息技术深度融合，互联网需要进入工业领域，与制造业结合，拉动社会的经济发展。因此美国GE公司提出了“工业互联网”的概念，它将智能设备、人和数据全面连接起来，并以智能的方式利用这些交换的数据。同时，AT&T、思科（Cisco）、通用电气（GE）、IBM、英特尔 (intel)已在美国成立工业互联网联盟（IIC），以期打破技术壁垒，促进“工业互联网”的发展。

在中国，工业体系较为复杂，与发达国家相比，很多产业正处于第二次工业革命及第三次工业革命进程中，因此国家提出了“中国制造2025”产业化方向，从易到难、从简到繁，以现有互联网优势入手，通过“互联网+”行动计划跨界整合形成创新型信息社会，用信息化手段推动工业革命，实现智能制造的工业强国。

2015年3月5 日十二届全国人大三次会议上，李克强总理在政府工作报告中首次提出“中国制造2025”的宏大计划，推动移动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业结合。2015年3月25日李克强总理组织召开国务院常务会议，审议通过了“中国制造2025”，用信息化和工业化两化深度融合来引领和带动整个制造业的发展，实现智能制造升级。2016年4月李克强总理主持召开国务院常务会议，会议通过了《装备制造业标准化和质量提升规划》，要求强化对接《中国制造2025》。

由此可见，不管从国际上还是从中国政府层面，信息化、智能化是本次技术变革的两个最主要方向[1-5]。

2 污水处理厂控制系统及设计发展历程

1923年中国建成第一座污水处理厂-由英国人投资建设的上海北郊污水处理厂，那时污水厂没有自控系统，纯粹靠手动控制。

二十世纪六、七十年代，国内污水处理厂才开始设置了一些简单的检测仪表如液位计、压力表、溶解氧测量仪等，对污水处理过程进行监视。同时为了设计这些内容，部分大型市政设计院成立了自控仪表专业。

二十世纪八十年代改革开发后，由于国内建设资金短缺，污水处理厂开始大规模利用欧洲政府贷款、世行贷款、日本协力基金贷款等国外资金进行建设。这些国外贷款项目自动化控制系统均由国外工程公司进行设计建设。国外资金建设项目带来了先进的自控设计理念，国内设计院在和国外工程公司合作的基础上，逐步学习和掌握了污水处理厂控制系统设计。

到了二十世纪九十年代未，随着中国国内经济实力逐步增强，采用国外资金建设污水处理厂的方式逐步退出市场，改为由政府、企业等出资进行污水厂建设，由国内设计院主导来设计的污水处理厂控制系统。

至今，国内污水处理厂控制系统设计及设备配置与国外同行业相比已经不相上下，处于同等水平。随着技术变革的来临，我们需要一些设计观念的转变和突破，来实现超越，使国内设计理念及控制系统配置达到世界领先水平。

目前，污水处理厂控制系统以自控系统为主，以视频监控、周界报警系统为辅，采用的是以“分散控制，集中管理”为原则，具有分层递阶结构的分布式集散型PLC控制系统。

3 污水处理厂控制系统新趋势

近年来，随着电子信息技术及社会经济的迅猛发展，污水处理厂控制系统的设计和实施也正处于一个技术变革的时期，对控制系统的需求、设计、结构以及控制要求出现了一些新趋势：

（1）减少人力成本，向“少人（无人）值守”方向发展

随着各地经济发展越来越富裕、人力成本越来越高，污水处理厂需要考虑降低人力成本，提高劳动生产率，因此要求污水处理厂工艺机械设备均可实现就地自动控制，中控室远程监控。这就需要增加多种智能化检测手段并能进行智能化判断，减少操作人员的工作强度，达到正常运行时现场少人（无人）值守，操作人员定时巡检。

（2）降低能耗，采用精细化智能控制

一直以来污水处理厂能耗大的问题重视不够，随着经济的发展，排放标准的提升，污水处理厂能耗越来越大，这使得污水处理厂能耗的问题越来越受到重视。目前常规的自动化控制手段还比较粗放，对电耗、药耗控制不够精细化，导致能耗较高，需要采用精细化智能控制手段来有效的降低能耗。譬如曝气鼓风机是电耗大户，占污水处理厂用电成本一半左，若采用基于模型算法的智能曝气控制系统的话，可节能电耗10%~20%左右。

（3）加强管理决策，提高信息化管理手段

随着现代企业制度的建立，污水处理厂对管理决策的需求也越来越高，需要对全厂进行实时地、动态地监视，用信息化的手段，科学合理、经济有效的方法，达到管理、调度、控制的目的，为运行管理决策提供依据，实现社会效益的最大化，因此需要建立厂级信息化管理平台。

（4）保障人员安全，增加智能化检测方法

污水处理厂会产生有毒有害气体，及易造成人员伤害，例如地下式污水处理厂生物反应池盖板下观察生物反应池水面曝气状况，目前只能采用目视观察法观察生物反应池水面曝气状况，会增加了操作人员的工作强度及危险性。因此需要增加智能化检测手段来代替人工，对污水处理厂进行监视。

综上所述，污水处理厂控制系统不仅仅要满足生产控制的要求，还需要进行管理决策，减少人力成本，节能降耗，保障人员安全。因此污水处理厂控制系统除常规的自动化系统外，还需要增加智能化、信息化管控手段，来实现智慧控制的目的。

4 污水处理厂智慧控制系统

污水处理厂控制系统应该积极吸取工业4.0、工业互联网的先进理念，对接《中国制造2025》，采用先进的信息化、智能化技术，结合自动化技术，三化融合建设高度现代化的污水厂智慧控制系统，见图1。

图1 智慧控制系统框架

污水处理厂智慧控制系统由自动化检测控制系统、智能化监控系统、信息化管理系统组成。自动化检测控制系统是生产控制的基础，检测是排水工程的“眼睛”、自动化控制是污水处理厂基础的控制手段；智能化监控系统是自动化检测控制系统重要的补充，拓展了污水处理厂控制系统观察、控制手段的广度；信息化管理系统是对自动化检测控制系统、智能化监控系统的生产信息进行挖掘，同时纳入了经营管理决策的内容，增加了污水处理厂生产管理的深度。

（1）自动化

自动化检测控制系统一直是污水处理厂控制系统最重要的部分，也是发展最成熟的部分，它包括自动化检测仪表、自动化控制系统两块内容，能监视与控制全部工艺流程及设备的运行，对主要生产过程实现自动控制，提供实时数据传输、图形显示、控制设定调节、趋势显示、超限报警及制作报表等功能。

在智慧控制系统的框架内，自动化检测控制系统是变动最小的部分，主要对其进行优化，针对生产控制、运行管理需要在原有基础上补充完善自动化检测仪表、自动化控制装置，达到污水处理厂遥测、遥讯、遥控和遥调的要求，在中控室进行远程控制的目的。

（2）智能化

智能化监控系统包括安全防范系统、智能化应用系统、智能化集成平台等。安全防范系统是通过视频及其他的技防、物防等手段，保障污水处理厂的生产运行安全和人员安全，包括视频监控系统、周界报警系统、门禁系统、电子巡更系统、人员定位系统、火灾报警系统等；智能化应用系统是对自动化控制系统增加智能检测和控制手段，达到节能降耗和现场无人化监控，包括智能曝气控制系统、智能加药控制系统、智能照明系统、智能巡检机器人系统等；智能化集成平台是对智能化系统进行集成，具有信息采集、数据通信、综合分析处理、可视化展现等功能。

原有污水处理厂控制系统中智能化监控系统只有部分内容，主要为视频监控系统、周界报警系统，其余部分均不全。在智慧控制系统的框架内，智能化监控系统在原有的基础上增加了许多新内容，它与自动化检测控制系统结合，可以实现污水厂现场真正无人化值守的目的。

（3）信息化

信息化管理系统包括信息化基础设施建设、企业生产管理信息平台等。信息化基础设施建设是以信息网络为基础，利用先进的信息化手段和工具，建立信息化基础服务硬件平台，包括信息网络系统、无线通信网络系统（WIFI）、物联网通信系统、移动APP应用等，地下式污水处理厂还包括移动通信室内信号覆盖系统和无线对讲系统等；企业生产管理信息平台侧重于软件方面，它将生产监控与运行决策管理有机地结合起来，在企业管理层和现场自动化控制层之间起到了承上启下的作用，实现指导生产运行调度、统计报表、管理设备、成本分析、计划管理、企业体系管理、提升厂级生产管理效率和运营水平信息化管理目标。

原有污水处理厂控制系统中信息化管理系统基本没有这部分内容或很少。在智慧控制系统的框架内，信息化管理系统应与污水处理厂管理体系、管理机制相匹配，聚合污水处理厂各类信息，为政府、厂级管理层、现场操作人员乃至社会公众提供生产管理信息化服务，实现污水厂的整体调度、智能监管、信息展示等智慧功能。

5 结语

随着社会进步及科技发展，污水处理厂控制系统应顺应技术变革的潮流，吸收国际上工业4.0、工业互联网的先进理念，紧跟《中国制造2025》国家政策，采用自动化、智能化、信息化技术，三化融合建设污水厂智慧控制系统，促进污水处理厂控制技术、生产管理及信息服务水平的提高，保证污水处理厂运行安全可靠，改善劳动条件，工艺运行稳定，出水达标排放。