基于互联网的村镇污水站集群中控模式的探索

李广杰

摘 要：为了探寻村镇污水处理项目长期可持续的建设运营模式，本文根据村镇污水站处理规模小、站点多、分布分散的特点，在污水站控制系统的架构方面进行了的探索尝试，将现代工业自动化技术与当前快速发展日益成熟的互联网技术结合，针对这类分散分布的小型污水站集群，提出了一种新的“基于互联网的集散型中央控制系统”的架构方案，并且介绍了方案涉及到的关键技术问题和解决方法。依托此技术，在村镇污水站运营管理上探索推行“无人值守、区域中控、巡回检查、专业化支持”的集约化管理模式，以提高小型分散污水处理项目的生产自动化水平和运行管理水平。

关键词：村镇污水站集群;互联网技术;中控系统

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）06-0032-02

0 引言

传统污水处理项目建设的做法是设立一个项目运营公司，配备经理、工艺、设备、化验、财务等管理和技术人员，下设运行值班班组。但村镇污水站处理规模小、而且布点分散，其处理水量一般只有每天几百立方米，最大每天几千立方米，如果按照传统污水处理厂模式进行设计建造，会造成人工成本过高，恶化项目投资收益指标。而且这类点源往往地处偏远，难以吸引和留住高水平值守操作人员，给运行稳定造成挑战。探索推进村镇污水处理的无人化管理运营模式成为研究关注的方向。

村镇污水排放的特点是排放的间歇性和水量波动大，污水处理工艺以生化过程为主的特点，决定了大量关键的和主要的工艺过程指标仍然需要依靠实验室化验的方式取得，目前并无成熟的自动化检测技术和传感器产品，也没有公认成熟的自动化控制算法模型。因此污水处理装置如果设计为完全自主的自动控制方式运行，没有人为干预操作，工艺指标的稳定是难以保证的，从而会带来出水水质频繁超标的问题。这对于出水直接排放至自然水体的项目从环保风险控制角度是不可接受的。这个也是污水处理行业自动化程度落后于制造行业的原因。

这样就造成了村镇污水处理项目实际落地过程中，独立的村镇污水处理站面临负责任的运维方案收益指标难以吸引投资和低成本运维方案稳定达标排放风险难以接受的两难境地。

为了突破这一难题，探寻村镇污水处理项目长期可持续的运营管理模式，受小流域治理点源监管和一些厂家利用互联网实现设备远程技术支持的启发，探索将现代工业自动化技术“集中管理、分散控制”的控制系统构建理念与当前快速发展日益成熟的互联网技术结合，设计构架“基于互联网的中央控制系统”方案，打破传统工厂级中央控制系统的地域空间限制，将若干个地理位置上分散分布的村镇污水处理站，通过互联网组成为一个虚拟的污水处理工厂，建设统一的中央控制系统，各个村镇污水处理站的就地控制系统作为中央控制系统的分布式控制站，虚擬工厂涵盖的地理空间范围为巡查人员利用交通工具每日巡回检查可以覆盖的几十公里区域。

1 基于互联网的集散型中央控制系统架构方案

现代的污水处理工厂普遍使用DCS集散型中央控制系统提高过程控制的自动化水平和运行管理信息化水平，DCS系统采用“危险和控制分散、操作和管理集中”的基本设计思想，采用多层分级、合作自治的结构形式。基本组成部分包括过程控制层、过程管理层以及将它们连接起来的通讯网络。

传统的工业集散型或分布型控制系统，依赖专门的工业现场总线网络。正是现场总线技术的不断发展，使得监控层和控制层实现了空间的上分离，更进一步发展出分布式就地控制站，这些空间上的分离还只是局限在工厂范围内。传统的远程监控即远程调度和遥控系统基于专线通讯网络实现，专线通讯网络建设需要巨额的投资和漫长的建设周期。工业以太网技术的出现和互联网技术的发展成熟，使得DCS系统监控层与控制层实现突破工厂围墙的空间分离，利用互联网构建低成本的工业以太网，实现远程中控室成为可能。

实现“基于互联网的集散型中央控制系统”方案的关键就是解决利用互联网构建工业以太网的实时性和确定性、可靠性、安全性问题。包括互联网可能受到的非法入侵，网络攻击、病毒感染造成的网络堵塞，互联网使用高峰的网络拥堵问题等。

以太网的实时性主要是由以下几点来保证：限制通信负荷、提高带宽、采用交换式以太网技术和全双工通信方式屏蔽固有的CSMA/CD机制。要集散型中央控制系统保证高可靠性主要靠三方面措施：一是应用高可靠性的硬件设备;二是广泛采用冗余技术;三是在软件设计上广泛实现系统的容错技术、故障自诊断和自动处理技术等。

污水处理工艺中最基本的生化过程其控制模型的特征是一个大延时系统，故其对于调节的响应没有很高的实时性要求，互联网的数据传送延时可以满足远程工艺调整对操作响应时间的要求。这是我们在风险可控的情况下探索污水处理远程中控新模式的根本条件。小型污水站集群“基于互联网的集散型中央控制系统”架构为：监控层（位于小型污水站集群区域服务中心的中控室上位机SCADA系统）、控制层（各污水站就地控制系统）和VPN工业以太网。

1.1 冗余的VPN网络

在互联网上采用VPN技术构建连接区域中控室和各污水站的冗余的VPN网络。中控室一侧的互联网接入方式采用光纤宽带，需要考虑引入段光纤存在的可靠性风险。通过采用同时接入2家电信运营商的宽带网络，配置冗余的终端路由、交换设备，服务器通讯接口冗余，实现网络接入端的物理冗余。污水站一侧如果采用4G/5G无线网络接入，考虑到基站冗余，不需要额外考虑接入段冗余。电信公网的建设中已经广泛采用了冗余技术，依托电信公网构建的冗余VPN工控网有不错的冗余性能。相对于自行建设维护的专网，公网因为依托更加强大、专业的电信运营商团队，可靠性保障更高，故障恢复更迅速。

VPN网络采用MPLS和IPsec融合的组网模式，实现MPLS对等模型的带宽优先权和QoS保证能力与IPsec的认证、数据的完整性和机密性、安全通信能力的优势互补，以最大限度提升VPN工业以太网的实时性、可靠性、安全性。

1.2 分布式数据采集

采用分布式数据采集技术使得SCADA服务端与数据采集端实现分离，IOBox技术将分布式数据采集端软件封装在工业物联网网关内，IOBox网关分别部署在各分布式控制站，实现了工业级免维护部署。

分布式数据采集端软件是一组独立的应用程序，核心是针对各种设备的IO驱动。通过IO驱动与控制层设备（可编程程逻辑控制器、分布式控制系统等）或现场层设备（回路控制器、远程终端单元、智能仪表、板卡、变频器等）采用约定的串口或工业现场总线协议进行通讯，实现数据采集和控制。分布式采集软件进行数据过滤、聚合、整理和标准化处理，通过基于TCP的Sorba内部通讯协议与SCADA服务端进行数据信息交换。监控层网络上实现了统一协议传输，避免了多种协议混合造成的通讯不均衡，提高了数据通信性能。

分布式数据采集软件具有本地缓存、断点续传的功能，可以避免因网络不稳定造成历史数据的缺失。

1.3 就地控制站的自动控制和容错设计

就地控制系统设计了包括工艺过程的全自动控制模式，以及防误操作、安全应急联锁等容错手段，即使网络受到攻击，通讯受到干扰，无法与远程上位机通讯，也可以保证污水站就地控制系统不受影响，工艺过程不会失控和因为控制错误导致超标排放事故。

1.3.1 就地全自动控制

污水处理站的自动化程度要达到工艺运行过程完全没有就地人工操作，在中控完成工艺配方和工艺参数设定后，按全自动控制模式运行。每个污水处理站现场控制站都是完全独立的就地控制系统，在中控通讯中断情况下，控制程序会按既定的工艺参数继续自动控制运行，工艺过程不受影响。在增加根据工艺条件变化选择工艺配方的智能化能力后，可以实现一定程度上的自主运行。

在控制站还设置就地操作触摸屏或操作接口，用于就地应急操作。

1.3.2 中控指令的再次确认策略

就地控制系统的PLC程序收到中控发出的操作或修改参数指令后，会返回一个要求再次确认的应答信号，得到再次确认，修改和操作才会被执行，有效防范网络问题引起控制错误的风险。

1.3.3 就地安全连锁逻辑

就地控制系统的PLC程序中编写专门的安全连锁逻辑，包括通过对参数正常范围的限定，拒绝不正确的参数修改;严密的操作条件限定拒绝错误操作指令;应急安全连锁逻辑在检测到系统异常时，强制停止排水等。

1.4 入侵防范

对污水站就地控制系统的PLC程序采取CPU程序存储区读写密码保护和程序代码加密的双重保护措施，有效防止PLC控制程序被非法获取和修改，保证污水站就地控制系统的安全。

采用防火墙、绑定IP地址和MAC地址等技术手段屏蔽来自VPN外部网络的非法访问，SCADA服务器和操作站计算机只允许安装工控软件，不使用的端口和服务全部关闭，防范对SCADA服务器和操作站计算机的端口入侵。使用访问控制技术严格限制SCADA服务器和网络视频服务器的访问。

1.5 远程视频监控

远程网络视频监控是实现基于互联网的集散型中央控制系统的重要支撑手段。在污水站全部需要巡检、监视的工艺环节和部位设置全天候高清晰网络视频摄像机，就地录像，远程监视，用于辅助巡检和辅助操作。远程网络视频系统需单独建设一个宽带线路架构的专门视频监控网络。

通过SCADA系统监控画面显示的运行参数，结合远程实时视频，中控值班人员可以及时发现和核实工艺过程出现的问题，以弥补现场巡检频次少的不足。中控远程操作时，除了通过SCADA系统的信号反馈进行操作结果监视外，借助实时视频画面还可以及时获得现场的直观反馈。

2 结语

基于互联网的村镇污水站集群中央控制系统的运行方式为“污水站就地自主全自动运行、远程集中监控操作+远程视频监视、云端平台支持”。

以此为技术依托，在村镇污水处理项目推行“无人值守、区域中控、巡回检查、专业化支持”的集群管理模式。按运营和监管隶属关系，将村镇污水处理站组成的一个个区域集群，集中设立区域监控、管理、服务机构，设置中控室，各污水站不再配置人员值守，在区域中控室集中优秀的运行值班团队，24小时倒班运行负责各污水站远程监控操作，结合安排工艺、机电保障人员定期到各站现场巡查，执行化验采样、设备检查维护等工作，确保各污水站生產运行连续可靠、工艺调整及时准确，将出水水质稳定达标率提升到大中型市政污水处理厂的水平。

村镇污水处理站集群的中控系统还将接入集团互联网远程数据中心，总部远程运营支持平台依托专家资源和大数据分析技术构建工艺及工艺流程的仿真算法模型，在大量数据积累统计分析基础上形成工艺配方库，并不断进行动态的补充优化，提升污水站就地控制系统的智能化水平，使得污水站自主运行更稳定可靠。

参考文献

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