基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村污水處理站運維監(jiān)管系統(tǒng)構(gòu)建

摘 要：針對我國農(nóng)村數(shù)量眾多，分散較廣，污水處理站傳統(tǒng)運維模式成本太高的問題，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村污水處理站運維監(jiān)管解決方案。文中基于Web-SCADA組態(tài)軟件、物聯(lián)網(wǎng)傳感器、移動通信等技術(shù)構(gòu)建了農(nóng)村污水處理站運維監(jiān)管系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了農(nóng)村污水處理站的集中監(jiān)管和自動化運維，可以根據(jù)污水量大小自動控制水泵的啟停，提高了運維效率。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；PLC；自動化運維；組態(tài)軟件；Web-SCADA；農(nóng)村污水處理

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）06-0-02

0 引 言

農(nóng)村人居環(huán)境整治的關(guān)鍵是農(nóng)村生活污水、廁所糞污治理水平的提升。國家農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、生態(tài)環(huán)境部、國家鄉(xiāng)村振興局等部委聯(lián)合印發(fā)了《農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理攻堅戰(zhàn)行動方案（2021—2025年）》，方案[1]要求各地集中整治污水亂倒、污水亂排現(xiàn)象；鼓勵開展農(nóng)村生活污水治理一體化建設(shè)。我國污水處理目前主要采用集中在城市及城市周邊修建大型污水處理廠，通過排水管廊收集污水集中處理的方式。農(nóng)村污水是指農(nóng)村地區(qū)居民在生活和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污水[2]，目前我國農(nóng)村污水治理現(xiàn)狀是農(nóng)村數(shù)量眾多，分布較散，排水量相對較小[3-4]，因此在農(nóng)村建設(shè)小規(guī)模生活污水處理站進行分散式污水處理。

農(nóng)村污水處理站面向農(nóng)村基層，具有數(shù)量多，單站點污水處理量較小，站點群集中管理等特點，若采用傳統(tǒng)運維方式，每個站點安排人員值守，會造成大量人力資源浪費。農(nóng)村污水處理站運維效率的高低對當?shù)鼐用竦娜粘Ｉ钣袠O大影響，傳統(tǒng)運維模式不能滿足自動化、及時性、無人監(jiān)管、低人工成本的需求，亟需采用物聯(lián)網(wǎng)、4G/5G通信、云計算等新技術(shù)，建立具有在線監(jiān)測、故障報警、遠程維護等功能的農(nóng)村生活污水處理站運維監(jiān)管云平臺[5-7]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于Web-SCADA組態(tài)軟件技術(shù)[8-9]開發(fā)農(nóng)村污水處理站運維監(jiān)管系統(tǒng)，通過本地PLC（可編程邏輯控制器）及物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，將傳感器采集的數(shù)據(jù)利用4G/5G通信傳輸至云平臺服務(wù)器，通過瀏覽器訪問進行操作和展示。Web-SCADA技術(shù)的優(yōu)點是與常規(guī)B/S架構(gòu)的組態(tài)軟件相比，實時性較高；基于HTML5+CSS技術(shù)，臺式電腦、手機、平板等都可以直接進行頁面訪問、系統(tǒng)控制等操作；功能集成度較高，通過模塊的拖拉拽實現(xiàn)組態(tài)軟件，無需專業(yè)的開發(fā)人員，軟件使用和系統(tǒng)部署方便快捷，用戶可自行修改和維護系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)功能

農(nóng)村污水處理站運維監(jiān)管系統(tǒng)主要包括用戶權(quán)限管理、自動化運維、虛擬流程仿真、數(shù)據(jù)可視化、系統(tǒng)安全管理、遠程設(shè)備控制、緊急告警等。

2.1 用戶權(quán)限管理

基于用戶和角色的權(quán)限管理模塊可以設(shè)置不同用戶對系統(tǒng)的操作權(quán)限，將數(shù)據(jù)讀寫、頁面訪問、設(shè)備操作控制等權(quán)限自由組合并分配給用戶，普通用戶只能查看數(shù)據(jù)，只有擁有管理權(quán)限的運維人員可以對設(shè)備進行控制。

2.2 自動化運維

通過傳感器與PLC控制污水處理設(shè)備實現(xiàn)無人值守自動運行。在調(diào)節(jié)池安裝液位計，污水量不足時，調(diào)節(jié)泵不工作；污水液位達到50%時自動啟動1個調(diào)節(jié)泵；當處于排污高峰期，污水液位達到90%時同時啟動2個調(diào)節(jié)泵，快速進行污水處理。通過污水量的變化控制調(diào)節(jié)泵的工作時間，延長泵的使用期限。

2.3 數(shù)據(jù)采集及可視化

數(shù)據(jù)可視化模塊可以對接多個污水處理站，將多個站點的污水處理量、設(shè)備能耗等數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)大屏展示，方便管理部門對轄區(qū)內(nèi)污水處理站進行統(tǒng)一管理。根據(jù)監(jiān)測指標確定監(jiān)測方式和監(jiān)測設(shè)備。為監(jiān)測日處理量，設(shè)置日排放量監(jiān)測指標，在污水處理站進污口和出水（經(jīng)處理的污水）口安裝流量計，通過移動通信或互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸至運維監(jiān)管系統(tǒng)，在相關(guān)頁面進行數(shù)據(jù)展示并存入數(shù)據(jù)庫，用戶可以通過系統(tǒng)查看污水處理站的日處理量及日排放量；設(shè)置污泥泵運行狀態(tài)監(jiān)測指標，將污泥泵運行狀態(tài)通過監(jiān)測設(shè)備傳輸至運維監(jiān)管系統(tǒng)，用戶可以通過系統(tǒng)實時查看污泥池中的污泥泵是否正常運行，以便及時進行檢修、維護或更換。通過手機訪問系統(tǒng)頁面如圖2所示。

2.4 虛擬流程仿真

虛擬流程仿真展示即將污水站污水處理工藝流程及設(shè)施設(shè)備通過圖像建模進行展示，使得非專業(yè)技術(shù)人員也能了解污水站的運行情況。通過對比農(nóng)村污水處理站常用的污水處理工藝，如AAO工藝（厭氧-缺氧-好氧法）、MBR工藝（膜生物反應(yīng)器）、SBR工藝（序批式活性污泥法）、化糞池、一體化處理技術(shù)及組合工藝等[10-11]，在污水處理工藝流程適當節(jié)點嵌入監(jiān)測設(shè)備，利用Inkscape矢量圖形編輯軟件對污水處理工藝流程中的所有設(shè)備進行圖像建模，形成一套與真實污水處理流程相同的虛擬仿真工藝流程，結(jié)合實時監(jiān)測信息，將設(shè)備當前運行狀態(tài)、污水處理各環(huán)節(jié)信息等直觀展示在用戶面前，可以降低運維監(jiān)管單位對工作人員的技術(shù)要求。以目前廣泛適用的農(nóng)村一體化污水處理設(shè)備AAO（厭氧-缺氧-好氧法）工藝為例，其流程仿真如圖3所示。

2.5 系統(tǒng)安全管理

云計算平臺的網(wǎng)絡(luò)安全尤為重要，因為其不僅涉及生產(chǎn)數(shù)據(jù)安全，還具有對設(shè)備的控制功能。該系統(tǒng)具有基于多層次和基于角色的安全系統(tǒng)，實現(xiàn)了非常靈活的安全管理。來自一個區(qū)域的一個操作者僅能夠根據(jù)權(quán)限來查看和控制對應(yīng)的設(shè)備，實現(xiàn)基于角色權(quán)限的安全管理。允許一名工程師在現(xiàn)場登錄時更新設(shè)置，但在遠程登錄時只具備監(jiān)控權(quán)限，無法控制設(shè)備，以實現(xiàn)基于IP地址的安全管理。兩名工程師同時對一個設(shè)備進行控制操作時，權(quán)重級別高的工程師的控制操作有效，以實現(xiàn)基于權(quán)重的安全管理。同時，有完善的日志系統(tǒng)記錄操作員的所有操作。

2.6 遠程設(shè)備控制

遠程設(shè)備控制可以遠程控制污水處理設(shè)施設(shè)備的啟動與停止。農(nóng)村污水處理站通常較為分散，遠程操控設(shè)備可以極大地節(jié)省人力物力成本。通過虛擬儀器儀表對污水處理站的設(shè)備進行控制，如圖4所示。

2.7 緊急告警

緊急告警模塊可以對污水站設(shè)備的水位過高或過低、設(shè)備故障等特殊情況進行告警。緊急告警可以通過郵件、短信等方式提醒。告警界面如圖5所示。

3 結(jié) 語

文中將傳統(tǒng)適用于大型項目的云計算平臺應(yīng)用到農(nóng)村小型污水處理站，基于Web-SCADA組態(tài)軟件技術(shù)構(gòu)建小型污水處理站運維監(jiān)管系統(tǒng)，解決了地方行政區(qū)域內(nèi)多個農(nóng)村的分散式小型污水處理站自動化運維與監(jiān)管工作難以落實的問題，通過虛擬流程仿真及數(shù)據(jù)可視化，讓運維人員對污水處理情況有更直觀、更全面的了解。同時，農(nóng)村污水處理站運維監(jiān)管系統(tǒng)可以對污水處理主要設(shè)備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，對設(shè)備故障及時預警，運維工作人員可以通過系統(tǒng)查明故障設(shè)備，及時采取有針對性的解決方案，節(jié)省人員成本、時間成本，提高運維效率，以更好地推進鄉(xiāng)村振興。

參考文獻

[1]生態(tài)環(huán)境部：印發(fā)《農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理攻堅戰(zhàn)行動方案（2021—2025年）》[J].農(nóng)業(yè)機械，2022，65（3）：55.

[2]張瑋，劉瑋，熊峰，等.我國農(nóng)村污水治理技術(shù)與發(fā)展模式展望[J].應(yīng)用化工，2022，51（5）：1396-1402.

[3]王昶，王力，曾明，等.我國農(nóng)村生活污水治理的現(xiàn)狀分析和對策探究[J].農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學報，2022，39（2）：283-292.

[4]彭彬，胡思源，王鑄，等.農(nóng)村生活污水分散式處理現(xiàn)狀與問題探討[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2021，42（2）：242-253.

[5]丁文杰，徐素，張運山，等.農(nóng)村污水處理泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].給水排水，2021，57（S1）：126-128.

[6]陳安瑤，羅安程，梁志偉，等.一種農(nóng)村生活污水流量在線監(jiān)測新方法[J].環(huán)境工程，2021，39（8）：227-233.

[7]郭露，陳偉雄，沈玉東，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)型農(nóng)村污水處理設(shè)施研究及應(yīng)用[J].中國給水排水，2020，36（10）：95-100.

[8]宋云清.基于Web SCADA二次供水上位組態(tài)系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用研究[J].中國設(shè)備工程，2021，37（10）：73-74.

[9]賁道偉，韋燚.基于ZPMC第四代組態(tài)軟件的Web SCADA的研究與開發(fā)[J].新型工業(yè)化，2020，10（8）：10-13.

[10]張?zhí)煲?，王?農(nóng)村分散生活污水一體化處理工程實例[J].水處理技術(shù)，2020，46（11）：129-132.

[11]丁付革，沈志偉，張駿，等.兩級A～（2）/O+磁混凝工藝處理農(nóng)村生活污水工程實例[J/OL].工業(yè)水處理：1-12. [2023-01-22].

作者簡介：張 濤（1991—），工程師，碩士在讀，研究方向為軟件工程、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

朱美玲（1960—），教授，博士生導師，研究方向為項目管理、經(jīng)濟管理。