李廣杰

摘 要：為了探尋村鎮(zhèn)污水處理項目長期可持續(xù)的建設(shè)運營模式，本文根據(jù)村鎮(zhèn)污水站處理規(guī)模小、站點多、分布分散的特點，在污水站控制系統(tǒng)的架構(gòu)方面進行了的探索嘗試，將現(xiàn)代工業(yè)自動化技術(shù)與當(dāng)前快速發(fā)展日益成熟的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，針對這類分散分布的小型污水站集群，提出了一種新的“基于互聯(lián)網(wǎng)的集散型中央控制系統(tǒng)”的架構(gòu)方案，并且介紹了方案涉及到的關(guān)鍵技術(shù)問題和解決方法。依托此技術(shù)，在村鎮(zhèn)污水站運營管理上探索推行“無人值守、區(qū)域中控、巡回檢查、專業(yè)化支持”的集約化管理模式，以提高小型分散污水處理項目的生產(chǎn)自動化水平和運行管理水平。

關(guān)鍵詞：村鎮(zhèn)污水站集群;互聯(lián)網(wǎng)技術(shù);中控系統(tǒng)

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）06-0032-02

0 引言

傳統(tǒng)污水處理項目建設(shè)的做法是設(shè)立一個項目運營公司，配備經(jīng)理、工藝、設(shè)備、化驗、財務(wù)等管理和技術(shù)人員，下設(shè)運行值班班組。但村鎮(zhèn)污水站處理規(guī)模小、而且布點分散，其處理水量一般只有每天幾百立方米，最大每天幾千立方米，如果按照傳統(tǒng)污水處理廠模式進行設(shè)計建造，會造成人工成本過高，惡化項目投資收益指標。而且這類點源往往地處偏遠，難以吸引和留住高水平值守操作人員，給運行穩(wěn)定造成挑戰(zhàn)。探索推進村鎮(zhèn)污水處理的無人化管理運營模式成為研究關(guān)注的方向。

村鎮(zhèn)污水排放的特點是排放的間歇性和水量波動大，污水處理工藝以生化過程為主的特點，決定了大量關(guān)鍵的和主要的工藝過程指標仍然需要依靠實驗室化驗的方式取得，目前并無成熟的自動化檢測技術(shù)和傳感器產(chǎn)品，也沒有公認成熟的自動化控制算法模型。因此污水處理裝置如果設(shè)計為完全自主的自動控制方式運行，沒有人為干預(yù)操作，工藝指標的穩(wěn)定是難以保證的，從而會帶來出水水質(zhì)頻繁超標的問題。這對于出水直接排放至自然水體的項目從環(huán)保風(fēng)險控制角度是不可接受的。這個也是污水處理行業(yè)自動化程度落后于制造行業(yè)的原因。

這樣就造成了村鎮(zhèn)污水處理項目實際落地過程中，獨立的村鎮(zhèn)污水處理站面臨負責(zé)任的運維方案收益指標難以吸引投資和低成本運維方案穩(wěn)定達標排放風(fēng)險難以接受的兩難境地。

為了突破這一難題，探尋村鎮(zhèn)污水處理項目長期可持續(xù)的運營管理模式，受小流域治理點源監(jiān)管和一些廠家利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)設(shè)備遠程技術(shù)支持的啟發(fā)，探索將現(xiàn)代工業(yè)自動化技術(shù)“集中管理、分散控制”的控制系統(tǒng)構(gòu)建理念與當(dāng)前快速發(fā)展日益成熟的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，設(shè)計構(gòu)架“基于互聯(lián)網(wǎng)的中央控制系統(tǒng)”方案，打破傳統(tǒng)工廠級中央控制系統(tǒng)的地域空間限制，將若干個地理位置上分散分布的村鎮(zhèn)污水處理站，通過互聯(lián)網(wǎng)組成為一個虛擬的污水處理工廠，建設(shè)統(tǒng)一的中央控制系統(tǒng)，各個村鎮(zhèn)污水處理站的就地控制系統(tǒng)作為中央控制系統(tǒng)的分布式控制站，虛擬工廠涵蓋的地理空間范圍為巡查人員利用交通工具每日巡回檢查可以覆蓋的幾十公里區(qū)域。

1 基于互聯(lián)網(wǎng)的集散型中央控制系統(tǒng)架構(gòu)方案

現(xiàn)代的污水處理工廠普遍使用DCS集散型中央控制系統(tǒng)提高過程控制的自動化水平和運行管理信息化水平，DCS系統(tǒng)采用“危險和控制分散、操作和管理集中”的基本設(shè)計思想，采用多層分級、合作自治的結(jié)構(gòu)形式?；窘M成部分包括過程控制層、過程管理層以及將它們連接起來的通訊網(wǎng)絡(luò)。

傳統(tǒng)的工業(yè)集散型或分布型控制系統(tǒng)，依賴專門的工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。正是現(xiàn)場總線技術(shù)的不斷發(fā)展，使得監(jiān)控層和控制層實現(xiàn)了空間的上分離，更進一步發(fā)展出分布式就地控制站，這些空間上的分離還只是局限在工廠范圍內(nèi)。傳統(tǒng)的遠程監(jiān)控即遠程調(diào)度和遙控系統(tǒng)基于專線通訊網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，專線通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需要巨額的投資和漫長的建設(shè)周期。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展成熟，使得DCS系統(tǒng)監(jiān)控層與控制層實現(xiàn)突破工廠圍墻的空間分離，利用互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建低成本的工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)遠程中控室成為可能。

實現(xiàn)“基于互聯(lián)網(wǎng)的集散型中央控制系統(tǒng)”方案的關(guān)鍵就是解決利用互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建工業(yè)以太網(wǎng)的實時性和確定性、可靠性、安全性問題。包括互聯(lián)網(wǎng)可能受到的非法入侵，網(wǎng)絡(luò)攻擊、病毒感染造成的網(wǎng)絡(luò)堵塞，互聯(lián)網(wǎng)使用高峰的網(wǎng)絡(luò)擁堵問題等。

以太網(wǎng)的實時性主要是由以下幾點來保證：限制通信負荷、提高帶寬、采用交換式以太網(wǎng)技術(shù)和全雙工通信方式屏蔽固有的CSMA/CD機制。要集散型中央控制系統(tǒng)保證高可靠性主要靠三方面措施：一是應(yīng)用高可靠性的硬件設(shè)備;二是廣泛采用冗余技術(shù);三是在軟件設(shè)計上廣泛實現(xiàn)系統(tǒng)的容錯技術(shù)、故障自診斷和自動處理技術(shù)等。

污水處理工藝中最基本的生化過程其控制模型的特征是一個大延時系統(tǒng)，故其對于調(diào)節(jié)的響應(yīng)沒有很高的實時性要求，互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳送延時可以滿足遠程工藝調(diào)整對操作響應(yīng)時間的要求。這是我們在風(fēng)險可控的情況下探索污水處理遠程中控新模式的根本條件。小型污水站集群“基于互聯(lián)網(wǎng)的集散型中央控制系統(tǒng)”架構(gòu)為：監(jiān)控層（位于小型污水站集群區(qū)域服務(wù)中心的中控室上位機SCADA系統(tǒng)）、控制層（各污水站就地控制系統(tǒng)）和VPN工業(yè)以太網(wǎng)。

1.1 冗余的VPN網(wǎng)絡(luò)

在互聯(lián)網(wǎng)上采用VPN技術(shù)構(gòu)建連接區(qū)域中控室和各污水站的冗余的VPN網(wǎng)絡(luò)。中控室一側(cè)的互聯(lián)網(wǎng)接入方式采用光纖寬帶，需要考慮引入段光纖存在的可靠性風(fēng)險。通過采用同時接入2家電信運營商的寬帶網(wǎng)絡(luò)，配置冗余的終端路由、交換設(shè)備，服務(wù)器通訊接口冗余，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入端的物理冗余。污水站一側(cè)如果采用4G/5G無線網(wǎng)絡(luò)接入，考慮到基站冗余，不需要額外考慮接入段冗余。電信公網(wǎng)的建設(shè)中已經(jīng)廣泛采用了冗余技術(shù)，依托電信公網(wǎng)構(gòu)建的冗余VPN工控網(wǎng)有不錯的冗余性能。相對于自行建設(shè)維護的專網(wǎng)，公網(wǎng)因為依托更加強大、專業(yè)的電信運營商團隊，可靠性保障更高，故障恢復(fù)更迅速。

VPN網(wǎng)絡(luò)采用MPLS和IPsec融合的組網(wǎng)模式，實現(xiàn)MPLS對等模型的帶寬優(yōu)先權(quán)和QoS保證能力與IPsec的認證、數(shù)據(jù)的完整性和機密性、安全通信能力的優(yōu)勢互補，以最大限度提升VPN工業(yè)以太網(wǎng)的實時性、可靠性、安全性。

1.2 分布式數(shù)據(jù)采集

采用分布式數(shù)據(jù)采集技術(shù)使得SCADA服務(wù)端與數(shù)據(jù)采集端實現(xiàn)分離，IOBox技術(shù)將分布式數(shù)據(jù)采集端軟件封裝在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)內(nèi)，IOBox網(wǎng)關(guān)分別部署在各分布式控制站，實現(xiàn)了工業(yè)級免維護部署。

分布式數(shù)據(jù)采集端軟件是一組獨立的應(yīng)用程序，核心是針對各種設(shè)備的IO驅(qū)動。通過IO驅(qū)動與控制層設(shè)備（可編程程邏輯控制器、分布式控制系統(tǒng)等）或現(xiàn)場層設(shè)備（回路控制器、遠程終端單元、智能儀表、板卡、變頻器等）采用約定的串口或工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議進行通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制。分布式采集軟件進行數(shù)據(jù)過濾、聚合、整理和標準化處理，通過基于TCP的Sorba內(nèi)部通訊協(xié)議與SCADA服務(wù)端進行數(shù)據(jù)信息交換。監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)了統(tǒng)一協(xié)議傳輸，避免了多種協(xié)議混合造成的通訊不均衡，提高了數(shù)據(jù)通信性能。

分布式數(shù)據(jù)采集軟件具有本地緩存、斷點續(xù)傳的功能，可以避免因網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定造成歷史數(shù)據(jù)的缺失。

1.3 就地控制站的自動控制和容錯設(shè)計

就地控制系統(tǒng)設(shè)計了包括工藝過程的全自動控制模式，以及防誤操作、安全應(yīng)急聯(lián)鎖等容錯手段，即使網(wǎng)絡(luò)受到攻擊，通訊受到干擾，無法與遠程上位機通訊，也可以保證污水站就地控制系統(tǒng)不受影響，工藝過程不會失控和因為控制錯誤導(dǎo)致超標排放事故。

1.3.1 就地全自動控制

污水處理站的自動化程度要達到工藝運行過程完全沒有就地人工操作，在中控完成工藝配方和工藝參數(shù)設(shè)定后，按全自動控制模式運行。每個污水處理站現(xiàn)場控制站都是完全獨立的就地控制系統(tǒng)，在中控通訊中斷情況下，控制程序會按既定的工藝參數(shù)繼續(xù)自動控制運行，工藝過程不受影響。在增加根據(jù)工藝條件變化選擇工藝配方的智能化能力后，可以實現(xiàn)一定程度上的自主運行。

在控制站還設(shè)置就地操作觸摸屏或操作接口，用于就地應(yīng)急操作。

1.3.2 中控指令的再次確認策略

就地控制系統(tǒng)的PLC程序收到中控發(fā)出的操作或修改參數(shù)指令后，會返回一個要求再次確認的應(yīng)答信號，得到再次確認，修改和操作才會被執(zhí)行，有效防范網(wǎng)絡(luò)問題引起控制錯誤的風(fēng)險。

1.3.3 就地安全連鎖邏輯

就地控制系統(tǒng)的PLC程序中編寫專門的安全連鎖邏輯，包括通過對參數(shù)正常范圍的限定，拒絕不正確的參數(shù)修改;嚴密的操作條件限定拒絕錯誤操作指令;應(yīng)急安全連鎖邏輯在檢測到系統(tǒng)異常時，強制停止排水等。

1.4 入侵防范

對污水站就地控制系統(tǒng)的PLC程序采取CPU程序存儲區(qū)讀寫密碼保護和程序代碼加密的雙重保護措施，有效防止PLC控制程序被非法獲取和修改，保證污水站就地控制系統(tǒng)的安全。

采用防火墻、綁定IP地址和MAC地址等技術(shù)手段屏蔽來自VPN外部網(wǎng)絡(luò)的非法訪問，SCADA服務(wù)器和操作站計算機只允許安裝工控軟件，不使用的端口和服務(wù)全部關(guān)閉，防范對SCADA服務(wù)器和操作站計算機的端口入侵。使用訪問控制技術(shù)嚴格限制SCADA服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的訪問。

1.5 遠程視頻監(jiān)控

遠程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控是實現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的集散型中央控制系統(tǒng)的重要支撐手段。在污水站全部需要巡檢、監(jiān)視的工藝環(huán)節(jié)和部位設(shè)置全天候高清晰網(wǎng)絡(luò)視頻攝像機，就地錄像，遠程監(jiān)視，用于輔助巡檢和輔助操作。遠程網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)需單獨建設(shè)一個寬帶線路架構(gòu)的專門視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

通過SCADA系統(tǒng)監(jiān)控畫面顯示的運行參數(shù)，結(jié)合遠程實時視頻，中控值班人員可以及時發(fā)現(xiàn)和核實工藝過程出現(xiàn)的問題，以彌補現(xiàn)場巡檢頻次少的不足。中控遠程操作時，除了通過SCADA系統(tǒng)的信號反饋進行操作結(jié)果監(jiān)視外，借助實時視頻畫面還可以及時獲得現(xiàn)場的直觀反饋。

2 結(jié)語

基于互聯(lián)網(wǎng)的村鎮(zhèn)污水站集群中央控制系統(tǒng)的運行方式為“污水站就地自主全自動運行、遠程集中監(jiān)控操作+遠程視頻監(jiān)視、云端平臺支持”。

以此為技術(shù)依托，在村鎮(zhèn)污水處理項目推行“無人值守、區(qū)域中控、巡回檢查、專業(yè)化支持”的集群管理模式。按運營和監(jiān)管隸屬關(guān)系，將村鎮(zhèn)污水處理站組成的一個個區(qū)域集群，集中設(shè)立區(qū)域監(jiān)控、管理、服務(wù)機構(gòu)，設(shè)置中控室，各污水站不再配置人員值守，在區(qū)域中控室集中優(yōu)秀的運行值班團隊，24小時倒班運行負責(zé)各污水站遠程監(jiān)控操作，結(jié)合安排工藝、機電保障人員定期到各站現(xiàn)場巡查，執(zhí)行化驗采樣、設(shè)備檢查維護等工作，確保各污水站生產(chǎn)運行連續(xù)可靠、工藝調(diào)整及時準確，將出水水質(zhì)穩(wěn)定達標率提升到大中型市政污水處理廠的水平。

村鎮(zhèn)污水處理站集群的中控系統(tǒng)還將接入集團互聯(lián)網(wǎng)遠程數(shù)據(jù)中心，總部遠程運營支持平臺依托專家資源和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)構(gòu)建工藝及工藝流程的仿真算法模型，在大量數(shù)據(jù)積累統(tǒng)計分析基礎(chǔ)上形成工藝配方庫，并不斷進行動態(tài)的補充優(yōu)化，提升污水站就地控制系統(tǒng)的智能化水平，使得污水站自主運行更穩(wěn)定可靠。

參考文獻

[1] 鄭文波.以太控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計算機，2001（09）：14-20.

[2] 陳尚文.現(xiàn)場總線標準的發(fā)展與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)[J].通信電源技術(shù)，2016，33（04）：150-151+200.

[3] 倪劍虹，呂光宏.基于VPN的不同實現(xiàn)方式的技術(shù)研究[J].計算機應(yīng)用研究，2005（07）：257-260.