基于VPN 和云平台的污水处理厂无人值守管理系统的开发与应用

吴楚辉，王亚东，张楚蕙

（1.汕头市北轴广业环保有限公司，广东 汕头 515041；2.广州市扬新技术研究有限责任公司，广州 510000）

0 引言

为贯彻落实中央环保督察整改及百日攻坚战行动实施方案工作要求，某地区全面推进PPP项目。该项目包括建设运营分布在区内6 个镇区的6 座污水处理厂、涵盖7 个镇区共24 个农村一体化污水处理站点、11 个厂外提升泵站以及完善城区10 个镇区的污水管网铺设。

项目于2020年基本完成建设并投入运营，由于站点多、分布散和覆盖面积大的特点，项目运营如按照传统人员的管理模式将容易导致运维成本高、管理难度大。因此，需要采用先进的技术手段，以解决污水厂运维人员不足等问题。

无人值守技术基于数字化技术，在各行各业均有应用，如电力行业在21 世纪初就研究无人值守变电站，取得了一些成果；而在污水处理行业，因其工艺过程的复杂性，研究并不多，但也有一些相关的研究。文献［1-2］介绍了一般污水厂基于C／S 架构的控制系统设计，无法实现自动或运程运行，也无法实现无人化；文献［3］阐述了集中控制的管网系统应用与运行管理，大大减少了人力成本；文献［4］介绍了在吉化污水处理厂的无人值守改造过程，取得了较好的效益；文献［5］介绍了基于MQTT协议的数据传输与控制单元，实现了较复杂的单厂无人值守的污水处理厂，并融合了数据存储分析等，具有较强的无人值守效果；文献［6］则综述了中小污水厂无人值守控制系统建设方案和原则，具有较强的指导意义。文献［7］则介绍了基于物联网及云平台的工厂环境远程监控系统，采用了新型的物联网技术，具有一定的借鉴意义。上述文献虽然都阐述了无人值守的方案，但是均有点从原中控出发，未从集团化污水处理厂无人或少人值守方向考虑，因而存在一定问题。

本文将从实际工程项目分析，建立较全面的集团化污水厂无人值守系统，基于日常运行维护的经验，提出相关运营管理要求。最后，针对本系统进行分析，验证其准确性与有效性。

1 系统方案设计

本系统集中运营管理某区域1 座区域中心污水厂、6座镇污水厂、24 个农村站点、11 个泵站以及4 座人工湿地，管网长度约55.2 km。某区厂设计处理量为8 万t／d，其余6座镇级污水厂在1500 ～4 500 t／d之间，因此，无法按原污水厂管理模式，在每个厂安排岗位人员，需要采用信息化的手段。设计在某区厂内设置中心控制室（区域控制中心），其他厂区设置VPN （Virtual Private Network）虚拟专用网，数据上传至中心控制室。

系统总体由现场站点通信层、VNP 专网传输层、系统平台层构成，其中系统平台部署在企业私有云，并可通过网络上传至调度中心。系统结构如图1 所示。

图1 网络架构

图2 EconWorx-SWP软件体系

1.1 现场通信层

现场通信层采用智能网关和VPN专用网络构成，智能网关在云集控平台与现场自控间起承上启下的作用，即通过协议转换实时采集自动控制系统信息（上行信息），并转发至云集控平台；云集控平台操作下发控制命令时，将控制命令转发至自控系统（下行信息），完成云端远程操控。

1.2 VPN专网安全传输层

采用VPN（Virtual Private Network）虚拟专用网，分Client 与Server即在公用网络上建立安全的“加密信道”，通过隧道协议通信，在协议上又分为PPTP、L2TP、IPSec等，连接在Internet上的位于不同地方的两个或多个企业内部网之间建立一条专有的通信线路。本系统中在各项目现场配置VPN路由器（连接智能网关DataHub）作为VPN Client与云VPN服务器进行加密通信，使得传输数据安全可靠、又完全掌握着自己网络的控制权。

1.3 系统平台层

采用工业实时数据库RdbPlus，RdbPlus 是一套工业生产数据信息应用、海量数据的压缩存储和分析系统平台，以实时数据库为核心，可以帮助用户完成底层广泛的生产过程数据整合（I／O Server）、实时数据服务（Rdb Server），海量历史数据存储和检索，生产工况图形组态和WEB 方式发布图形系统。并开放API 和WebSocket接口供第三方访问，便于第三方对工业数据挖掘与分析。IOServer 作为实时库生产数据网关软件，主要用于下层数据采集和控制输出。当运营管控平台向RdbPlus发送控制命令时，RdbPlus经网关IO Server下传到控制系统。

1.4 生产运营管理软件EconWorx-SWP

EconWorx-SWP基于SpringCloud 微服务框架，围绕着各领域业务场景来开发应用服务组件，是EconWorx以分布式实时库RdbPlus 为内核，集成开源分布式数据库Hadoop及关系型数据库构建数据中台，服务平台层基于微服务框架开发管理基础工具箱，应用层调用平台服务API可快速实现专业领域解决方案应用App。EconWorx具有高可靠、高可用、跨平台、易伸缩特性，应用EconWorx可实现对大广域机电系统可视化实时监测、生产调度、节能控制及预防性运维管理。

2 系统功能设计

2.1 监控管理

系统根据污水厂处理过程、工艺流程采集工艺仪表数据、各类型设备运行状态信号和电气数据和其他信息等，自动协调和管理污水处理过程，打印水处理报表、绘制趋势曲线图，报警及事件记录。

生成污水厂的工艺流程、变配电系统实时动态图、实时视频浏览及智能联动功能，给污水厂值班人员提供实用、清晰、友善的中文化的人机界面，生动形象地反映污水处理工艺流程、变配电系统的实时数据、完成报警、历史数据、历史趋势曲线的存储、显示和查询。生成、打印各类水处理运行管理的班报、日报、月报和年报表。对接入系统中的监测点所对应的标签进行管理，通过对标签的报警阈值进行配置，可产生相应的报警事件。

2.1.1 工艺实时监测

以工艺流程图界面的方式，生动形象的将污水处理设施的现场情况展示出来。并在对应位置上展示集成化采集上来的动态实时数据情况，能够一眼明白现场的状况，如图3 所示。

图3 工艺实时监测

2.1.2 辅助决策“一张图”

“一张图”能够展示项目的基本分布情况、处理水质情况、出水量、主要参数指标曲线、处理成效等，使得用户通过一张图全局掌握整体生产情况，如图4 所示。

2.1.3 历史事件、报警功能

结合各污水处理设施的基础数据信息，合理设置对应告警规则，以WEBGIS 的形式展示各污水处理设施的位置，并按照报警规则实时监控各污水处理设施的告警状态，状态包括设备故障报警、工艺运行异常告警、固体药剂量报警、药剂桶内液体药剂量报警、污泥累计量告警等，实现告警监测的及时性、精准性、有效性。同时，针对告警情况，管理员可以进行告警处理流程跟踪。

针对智慧运营管理平台的告警提醒，当告警事项长时间没有解决时，监管平台会逐步提高对巡检人员的提醒频率和强度，直至告警事情被解决。

2.1.4 历史趋势分析

默认情况下，展示各污水处理设施24 h 监测数据曲线。结合数据的曲线情况，判定各项监测指标变化趋势是否正常，有没有出现突发的数据跳变及其他异常，也可以选取特定时间展示。图5 所示为趋势分析。

图5 趋势分析

（1）对常用的、重要的参数曲线进行分类展示；

（2）曲线上展示指定时间段的最大值及最小值；

（3）可以对重要曲线进行配置；

（4）可对重要曲线进行实时展示；

（5）可以自定义同类设备相同的监测量进行同比、环比分析，对同一设备的各个监测量进行简单的趋势进行分析，为后期的大数据分析中的特征量获取提供支撑。

2.1.5 分析报表

用户可按需方便地自定义生产报表及业务经营报表，下载、上传报表，如图6 ～7 所示。

图6 生产报表

图7 经营报表

2.1.6 预案场景全自动化运行

污水厂正常生产运营时，需要运行人员根据相关运行参数对各个设备远程启停，这就需要运维人员了解整个工艺，控制流程不能错乱。系统可设置多个预案系统，通过配置预案任务的触发参数，可以设定的程序、定时顺控启、停整个生产工艺，当工艺段的某个环节出现问题时，系统会按照程序自动停止关联的设备，并发出报警通知相关负责人，负责人通过手机远程调度维修人员进行处理。图8 为工艺运行流程。

图8 工艺运行流程

2.2 远程控制

系统基于B／S 架构，应用PC／APP 基于图形界面和中文提示方式，值班人员在区域控制中心通过计算机开启或停止设备、设定控制调节参数，如图9 所示。

图9 控制及权限校验

2.3 运营管理

2.3.1 设备巡检管理

设备需要日常的巡检和维护，调度人员根据实际情况在系统进行排班，巡检人员进行巡检并在系统填写巡检记录；如在巡检过程中发现设备需要维修，需要巡检人员提交维修计划请求。

（1）工艺巡检

工艺巡检，关注点为各工艺段的运行参数和状态，如水的颜色、污泥颜色、工艺仪表参数等。在巡检过程中，发现问题，可拍照上传系统，并调整相关的工艺设备运行状态。

（2）设备巡检

关注点为各设备的运行参数和状态，巡检中发现生产运行中设备安全和运行异常情况，立即作出相应调整，确保稳定运行，并记录上报相关数据。

（3）视频巡检

视频巡检是在区域控制中心对各厂进行视频巡检，主要对人员和设施的安全、设备的正常状态进行远程视频巡视，及时发现异常情况并进行调度处置或现场跟踪复查。

（4）巡检路线

粗格栅＋调节池＋进水泵房→细格栅＋沉砂池＋进水在线监控→前处理工段（如有）→生化工段＋回流工段＋风机房→脱水间→二沉池→深度处理工段→消毒池＋出水在线监控＋出水口；巡检路线需要权限设定，设定后巡检按路线执行。

（5）巡检计划

系统可根据污水处理厂运维规程，各工艺设备巡检频率、巡检工作内容指定巡检计划及对应巡检项目，如图10 所示。

图10 巡检计划

（6）巡检任务

巡检任务可通过巡检计划周期生成，巡检任务可以指定具体执行人，也可以不指定执行人，当不指定执行人时，该任务可以被所有巡检人看到并领取。在巡检过程中，巡检人可以对每个巡检项检查并确定是否报障。如图11 所示，管理人员可以指派某个巡检任务到具体执行人，当点击某个任务时，可查看到该任务规划的巡检路径及巡检人员的实际巡检路径，通过规划路径与实际路径对比是否重叠，分析巡检任务是否有漏检项。

图11 巡检任务

2.3.2 设备保养管理

设备维护人员制定设备维护保养计划，包括制定维护设备保养的年度计划，月度计划。计划内容包括保养编号、设备编号、设备名称、设备型号、使用部门、保养周期、保养时间、负责人、保养内容。填写数据记录，包括保养记录、保养完成率以及异常情况记录。

（1）保养计划

保养计划如图12 所示。

图12 保养计划

（2）保养任务内容

保养任务内容如图13 所示。

图13 保养内容

2.3.3 设备维修管理

制定设备维修计划，包括制定设备维修的年度计划，月度计划。计划内容包括维修编号、设备编号、设备名称、设备型号、设备所属部门、维修周期、维修计划时间、负责人、维修内容。填写数据记录，包括维修记录、维修完成率以及异常情况记录。

如图14 所示，设备维修模块中的维修任务来源于巡检模块及维保模块的各个巡检项，当巡检人员在对具体设备进行巡检过程中，发现设备的某项有问题时，通过故障描述、故障图片、故障设备、设备位置等信息记录报障信息并上传到调度中心，并由调度人员来确定是否维修，什么时间、什么人对故障进行排除。

2.3.4 库存管理

实现所有操作用户通过系统对全厂的备件清册及材料库存台帐进行查询，备件供应信息，包括备件的入库与出库信息。备件供应信息包括出库时间、入库时间、备件编号、备件名称、备件类型、备件型号、所属部门、入库量、出库量、出库备件领用部门、领用人用户名、领用人密码备件库存额度，包括备件编号ID、名称、类型、规格、型号、所属部门名称（不是部门ID）、最低库存量、现有库存量。备件采购与配送提醒，当库存额度达到最低库存量需要发出备件采购提醒；当现场施工工程中需要发出配送提醒。

3 应用效果分析

3.1 “断点续传”确保系统数据完整性

云实时库采用广播协议与各智能网关周期时钟同步，智能网关与云实时库通讯应用“断点续传”机制确保系统数据完整性，即当现场智能网关检测与云实时库断网离线时，自动启用数据本地缓存；当智能网关检测与云实时库恢复通讯后，自动启用新链路将离线存储数据文件单向推送至云实时库，同时云实时库自动将离线存储数据插写、补录至历史归档库中。系统运行2年多以来，暂未发生因通讯中断而发生的数据丢失情况。

3.2 数据加密传输确保数据安全性

现场智能网关与云实时库通讯协议启用自主加密／解密通讯机制，即智能网关对数据加密后传输，云实时库接收数据后解密后解析应用，且加密算法周期动态变换，总体信息安全可靠。

3.3 设备操控客户端授权管理

由于系统软件架构采用B／S 设计方案，因此客户端仅需要通过PC 浏览器或移动App 登入便可访问系统。出于系统对设备远程操控权限严谨、安全角度考虑，系统需对具备“操控权限”设备作合法授权管理。授权管理合理，确保了系统的安全运行。

3.4 运维任务自动管理

日常的各种运维任务需要人工介入分发任务及执行任务。本方案采用运维系统及知识库，自动制定各种任务计划，周期、定时生成任务，并根据排班系统，直接分发任务给具体工种运维人员。同时采用视频巡检替代人员巡检。利用数据分析对生产设备进行状态评估，改变传统的运维模式，从传统的计划检修升级到状态修，极大的降低了运维强度、难度、成本并有效延长设备寿命、提升系统的可靠性。图15 所示为库存物料管理。

图15 库存物料管理

3.5 无纸化运营

污水厂的运营情况，需要通过人员录入数据到纸质文档中，提供给负责人、决策者，让其了解整个污水厂的运营情况，这会导致信息错误、信息不全的问题。本方案利用报表系统、调度系统、手机App，相关负责人可通过手机，实时知悉整个污水厂的运营情况，包括设备的运行情况、任务、水质等情况。

3.6 无人值守运营

本系统采用了预案场景全自动化运行、工艺实时监控、预案场景顺控、视频监视与联动、智能运维巡检、排班系统、人员考勤、绩效管理、应急指挥及辅助决策等功能模块，贯穿“人机料法环”，通过潮安区智慧运营管控平台，污水处理厂及泵站运行由原来的12 h轮班监控运行制转变为24 h无人值守不间断运行，同时，整体需求人员减少了约10人，镇级污水处理量同比增加约45%。

4 结束语

本系统采用了成熟的智能网关、VPN 专用网络技术和工业实时数据库RdbPlus，数据传输可靠，为实现无人值守提供了良好的网络基础；设计了集中管控系统，对区域内的各厂、各站、各村点集中监管／管控、统一指挥调度，通过集控平台对各个设施点直接远程控制，对各个生产、安全环节直接视频巡视，减少或取消单厂中控运行、安防值班人员，强化项目点的巡检、维护和异常情况处理；通过平台应用，设计了流程管控，巡检、维护、维修实行工单制，工作流程规范高效，时效＋量化管理，系统自动考核评价，激励员工高效工作，进一步优化系统功能和人员配置；通过应用平台，设计了移动管控，所有岗位随时随地24 h通过手机移动终端监控水厂运行、接受派单，随时查询数据、分析数据，做出决策并信息交互。通过应用平台，在潮安PPP项目初步实现了无人值守的污水厂管控系统，减少人力成本，同时也加强了对污水厂的巡检、维护、维修管控，取得了预期成果。