村镇污水处理设施远程监控系统设计与实现

引 言

我国村镇污水处理设施规模小、数量多、分布广，普遍存在专业运行人员缺乏、运行管理不到位的问题，加之位置偏远、分散，往往不能派遣人员长期驻守去监管污水处理站的运行情况，发生运行故障和突发事故时难以得到及时反馈和应对，导致大部分现有村镇污水处理设施的实际运行状况达不到预期效果 [1-3]。

远程监控系统是实现设施无人值守的有效途径。我国应用于城镇污水处理厂的实时监控技术和经验已较为成熟，而针对村镇地区较为分散的小型污水处理设施的远程监控尚处于起步发展阶段。随着无线通信网络技术的高速发展，以物联网技术和网络通信技术为核心的远程监控技术在环保行业得到广泛应用 [4-5]，特别是地理位置偏远、地形条件复杂的村镇地区，远程监控系统的采用可以提高污水处理设施的运营管理效率，有效保障设施的长效稳定运行，同时有利于实现集约式运维管理，降低运营成本 [6]。以我国华北地区某村镇污水处理设施为对象，构建基于 GPRS（通用分组无线服务） 和Internet 网络平台的远程监控系统。

1 系统网络架构

GPRS 网络覆盖范围广、数据传输速度快，是目前国内工业级应用的主要通信传输手段之一，被广泛应用于污水处理领域中远程监控系统的构建。基于 GPRS 的远程监控系统可充分利用现有网络建设且按流量计费，实施方便、建设和运行成本低 [7-9]，非常适合于村镇地区污水处理设施的运行监管。

根据研究对象的特点，建立村镇污水处理站远程监控系统网络架构，如图 1 所示。远程监控系统具有如下主要功能 ：

(1) 可以通过终端设备远程实时监控站点运行情况 ；

(2) 对污水处理站点的数据进行采集、记录、监测、报警；

(3) 根据监测反馈信息，对运行工况进行远程操作、控制。

监控系统可分为三层 [10-11] ：

(1) 信息感知层：采用现场监测仪器仪表，对流量、水温、水质、视频信息等进行实时信息采集。

(2) 网络通信层 ：采集后的信号以标准工业电信号上报综合信息采集器。综合信息采集器可外接多路模拟量、数字量传感器探头，通过协议转换，最终将水量、水质、水温等监测信号和设备状态信号、电力信号等通过无线通信网络传输至监控管理服务器。

(3) 监控应用层 ：管理人员利用智能手机、平板电脑、笔记本电脑、PC机等电子设备，通过互联网或移动互联网随时可接入系统服务器，接收现场信息，进行远程实时数据和实时曲线图查看、历史数据查询等操作，了解掌握设施运行情况。根据设施运行状况，在需要时适时调整工艺设备运行工况。同时根据反馈的报警、提醒等信息，远程控制现场设备停止运行或启动备用设备运行。

在上述网络构架下，运行管理人员和站点设备仪表之间通过计算机网络相联，通过集中运营监控平台可以实现多站点的集约式运维管理。污水处理站可按自动化模式运行，除定期进行巡检和对设备进行常规检测维护外，平时可无人值守。由一家专业运营机构采用集约式运维管理模式管理几个甚至几十个污水处理站，可以更加充分地整合人力资源、技术资源和物资资源，在人员管理、生产管理和物品管理等环节提升水平和效率 [6]。

2 硬件设备配置

2.1 系统硬件组成

污水处理站远程监控系统的硬件组成如图 2 所示，可分为站点现场硬件和远程监控中心硬件两部分。安装在污水处理站现场的硬件设备主要包括输出开关信号的设备运行状态监测仪和输出模拟信号的流量计、水位计、温度计等监测仪以及自动控制设备和信息采集与传输设备。一个功能齐全的监控管理中心机房需要配置服务器、计算机等硬件设备。

                                                                                                                                                                图 2 远程监控系统硬件组成

近年来，一些高科技公司依靠其在信息技术和大数据处理方面的强大能力，以在线公共服务的方式提供公有云服务。相比自建监控中心机房，此方式投入成本低、实施快，但在运行安全性、长效性等方面可能存在一定的风险。如果没有条件或经济实力建设独立的村镇污水处理站监控中心机房，可以采用此类提供公共服务的云计算平台，监控中心只需配置常规的计算机和移动设备等终端设备即可。

2.2 站点硬件设备

实施远程监控的污水处理站点需要具备数据信息的监测、监控与采集，以及 GPRS 组网等方面的功能。相应需要的硬件设备主要有：主控模块、信息传输模块、开关量输入输出模块、现场仪表、摄像头监控设备等。

2.2.1 可编程控制器

PLC 是远程监控系统中监控站点需设置的主控模块设备。PLC 是专门设计用于工业自动化控制的数字运算操作电子系统，其结构与微型计算机相同，由电源单元、中央处理器单元（CPU）、存储器单元、输入输出单元（I/O）、功能模块和通信模块组成。在 PLC 上融合了继电器、接触器控制技术与微型计算机技术，可以编制程序，存储执行逻辑运算、顺序运算、算术运算及计时、计数等操作指令，同时可以从现场接收开关量和模拟量信号，按照控制功能进行运算，通过数字量或模拟量的输入、输出对工艺运行过程进行控制 [12]。

污水处理站采用 PLC 不仅可实现逻辑和顺序控制、模拟控制、信号联锁等功能，还可作为下位机，与数据采集和无线传输设备通信，通过数据处理和信息交互并上传监控云平台， 实现对运行过程的远程信息控制和管理。

2.2.2信号采集模块和 GPRS无线传输模块

信号采集模块可用于采集现场仪表的监测信息和现场设备的运行信息数据，并将采集到的数据按照自定义协议格式以数据包的形式发送给 GPRS 无线传输模块。GPRS 无线传输模块是一种工业级无线数据通信终端，内嵌 TCP/IP 协议，利用GSM 移动通信网络的短信息和 GPRS 业务为用户提供超远距离的数据传输。GPRS 无线传输模块将采集到的数据上传到监控中心服务器，同时也接收服务器下发的指令，回传到站点主控模块，实现对站点运行情况的远程监控。监控中心服务器可根据每个 GPRS 无线传输模块内含的ID，判断数据的来源 [8]，据此，监控人员可以实时掌握多个站点信息。

2.2.3 现场仪器和设备

(1) 监测仪器

村镇污水处理站需要从工艺技术选择、运行过程控制和设施建设角度出发，充分考虑村镇所处的经济基础和环境条件以及人力、物力因素，特别是村级污水处理站，现场监控仪器仪表的设置不易过繁过多。根据工艺和管理要求的不同， 每个污水处理站配置的现场监控仪器仪表有所不同。通常设置有进出水流量计、液位计、温度计。其他高标准的配置有DO仪、水质监测仪（COD、氨氮等常规指标）等。

(2) 运行设备

不同的污水处理站有不同的处理工艺技术路线和单元模块配置。根据工艺的不同，每个污水处理站配置的设备也不同，通常有水泵、风机、搅拌器、电动阀门等。

2.2.4 监控摄像头

目前，监控摄像技术和设备较为成熟，费用不高。从辅助工艺运行调控和安全生产的角度出发，在有条件的污水处理站点可设置监控摄像头。监控摄像头的选择需要考虑的因素包括监控场所和被摄物体大小、放置地点环境条件、对成像清晰度的要求、使用场所安装条件及安装方式等。

2.3 控制与通信系统配置实例

华北地区某村镇污水处理站建设远程监控系统，主控模块采用标准 ModbusRTU 协议的 PLC 模块。PLC 选用 DVP- 08SM，自带 4 个模拟量输入，分别接入流量计信号和温度信号。开关信号分别接自进水泵、曝气池风机、反应池搅拌器、电动阀等设备。图 3 所示为 PLC 程序设计梯形图。

采用 GPRS 网络通信系统实现数据传输工作。污水处理站的现场仪表输出信号有 RS 485 信号和 4 ～20 mA 电流信号， 因为需要与现场的仪表通信，故在底层执行端中配置了与现场仪表通信接口相同的信号接口。同时，预留一个脉冲信号接口和一个RS 232 接口，以匹配不同的仪器仪表。

选用iWaterBox 传输模块，其规格和性能参数如图4 所示。该传输模块支持主流品牌 PLC 常用公有协议和 Modbus 协议， 通过以太网将现场采集的数据主动传回指定的公网服务器，同时也可以接收服务器端下发的控制指令传回给 PLC 或者单片机，实现远程控制。iWaterBox 可以匹配采集多种控制器（不同品牌 PLC、单片机等）数据，做到数据采集标准化、模块化安装，且支持后续增加支持类型。

当后台数据中心的服务器发生故障或网络发生故障时， 设置在站点的通信设备能持续采集数据并暂存在通信设备的存储器内，可存储约 3 个月的数据，存储量可通过增加存储卡扩充。

3 运行过程控制

保持污水处理站的正常稳定运行需要对工艺运行的各个环节进行综合调节和控制，涉及对污水处理过程的实时监控和调度管理。技术力量薄弱的村镇地区实现污水处理系统的自动化、程序化运行，可以很大程度上降低人为操作对工艺稳定运行的影响，实现无人值守下的精细化管理。

污水处理站的运行自动控制主要通过 PLC 主控模块、信息采集传输模块、电源模块、开关量输入输出模块、现场监测仪器仪表等设备，依据一定的时间顺序和逻辑关系实现。对于规模较小的污水处理设施而言，特别是建于村镇地区的污水处理设施，不可能设置过多的在线监测仪表，控制系统中开关量多、模拟量少，过程控制以逻辑程序控制为主，闭合回路控制为辅。以达到预期的处理效果和出水水质要求为目标，建立工艺运行过程控制策略，使污水处理站在正常状态下正常运行，实现自动操作和自动调节；在非正常状态下自动报警和自动保护。通过设置污水处理站自动控制系统，可以实现现场 /远程操作控制、故障报警、信息或信号显示、数据管理等功能。

在远程监控系统设计和实施中考虑了远程与现场控制的切换。远程通过网络给 PLC 输入控制信号控制设备开停或调整控制参数范围，现场通过面板按钮给 PLC 输入控制信号控制设备开停或设置控制参数。为防止远程 / 现场同时操控造成控制逻辑混乱，设计一个远程控制阻断开关，现场操作时，将远程控制阻断开关设为开，则无法向 PLC 输入控制信号 ；待现场操作完毕后，远程阻断开关设为关，此时可以控制设备开停。远程控制阻断开关不影响反馈信号的传输，远程终端始终可以监视设备状态。

4 结 语

远程监控系统整合了现场数据采集、无线远程传输、数据存储、运行控制、APP 客户端等功能，可实现污水处理站专业化、规范化的运营管理，除定期或不定期巡查外，平时无需人值守，大大节约了人力成本。

远程监控系统可与处理设施第三方运营相结合，形成集约化运营管理模式。将多个相邻污水处理站交由同一家专业运营机构进行统一管理，可实现人力资源、技术资源和物质资源共享，达到提高运维效率、降低运行成本的目的，是提升村镇污水处理站运行管理水平、保持污水处理设施长效运行的有效途径。