基于物联网的污水处理智能监控系统

基于物联网的污水处理智能监控系统常松，潘良波，胡杰，侯晓颖（山东正元地理信息工程有限责任公司，济南250001）摘要：针对我国污水处理厂运行效率低、缺乏有效监管及运行模式粗放等现状，设计了基于物联网的污水处理智能监控系统。该系统从感知层、网络层和应用层3个层面进行构建提出污水处理智能监控系统方案，详细探讨了监控系统的主要内容和各项关键技术。可为污水处理厂的运行和管理提供完善的数字化解决方案污水处理能力和效率均可得到明显提升。关键词：监控系统物联网污水处理。1引言1.1污水处理现状1、进口设备的维修及设备备件的开发。我国污水处理设备多为进口，一些进口老旧设备容易出现不同程度损坏。因此必须培养对进口设备维修保养的国内外专业人员，是其完全掌握其维修标准。还得有充足的备用配件，对于一些将要被淘汰的产品，其零部件需要国内自行加工制造，只有保证其正常运行才能使进口设备发挥出它的作用。否则设备的损坏，配件的缺乏会影响污水处理厂的正常运行带来不必要的经济损失。2、污水处理效率低。我国虽然已建成很多污水处理厂，但在城市本身的处理率不高。目前大城市已着手进行污水处理厂建设的规划工作。但中小城市还没有将污水处理的规划纳入到城市发展的议程。其主要原因就是没有专门的建设资金，地方政府不重视污水治理或没有筹措资金，加快水污染治理工程建设。3、许多地区盲目选择污水处理工艺，不结合本地区的实际情况而一味追去热门工艺。不考虑本地区的进水水质、处理水量以及出水用途问题，以至造成设施设备闲置，导致无法正常使用。增大了建设投资也提高了日常运作成本。4、污水处理厂的进水池，格栅间，初沉池，沉砂池，及污泥处理系统的储泥池，脱水机房等都会产生严重的臭气，但是许多污水处理厂却没有除臭装置。即影响操作运行人员的身体健康，也给周围居民生活环境带来污染，污泥没有最终的处置途径，大部分的废水使用后也无处理方法，造成了严重的浪费，应建立良好地后续处理设备，消除污染，保护环境。5、污水处理厂运行经费不能到位。全国目前已经建成投产运行的污水处理厂中，满负荷运行的不到1/3。其原因是：运行经费不到位，国家建设基金有限而地方自行收取的污水处理费没有正规标准，导致许多省市收取污水处理费不均，还有的是只收工厂、企业的没收居民的，或者是虽然收取，但收费标准定的比较低，远不能满足污水处理厂正常运行所需的最低费用。因此设立严格正规的污水处理费收取法规是解决资金短缺的必要途径。1.2目的意义综合我国水处理厂具有数量多且分散、水量小、水质差别大、投资薄弱且资源分散、管理技术人员水平相对落后以及缺少专业人员的指导等特点。为此笔者提出基于物联网的污水处理自动控制系统对区域若干污水处理厂的进、产、排3个主要环节实行物联网式的集中控制。实现对污水处理企业生产过程的实时控制与精细化管理，达到规范管理、节能降耗、减员增效的目的。2建设内容基于物联网的污水处理自动控制系统从感知层、网络层和应用层3个层面进行构建，通用数据采集中间件模块，负责实现对感知层的物体进行编号、物体识别及信息采集与反馈等功能。通用消息通信中间件和基础数据管理平台负责对从感知层获取的数据进行通信和预处理。企业生产优化调度与控制管理中间件在应用层通过前面收集、反馈的数据信息结合污水处理行业的需求，最终形成基于物联网的污水处理企业智能化管理解决方案。2.1设计2.1.1通用数据采集中间件该中间件作为部署在物联网感知层的应用，是实现污水处理行业物联网应用全面感知的基础重点解决感知和识别物体的问题，并采集、捕获信息。该中间件以各种总线网络和计算机网络作支撑，把分散在各地的监控站自动化系统的复杂的生产数据采集、迁移并集中于调度端（或监控中心），使用一套公共的数据采集管理平台对数据进行存储、维护和管理，并提供给外部应用系统使用。通过该平台解决了长期困扰给、排水行业的下属厂站分布面广、各厂站使用自控设备及组态软件品牌繁多、无法进行统一规范管理的难题。数据采集管理平台功能框架如图1所示。图1数据采集管理平台功能框架系统底层为自控系统或者与之对应的组态软件它们是实时数据的基础所在，采集平台可以直接从自控系统上获取数据，当条件不具备时，也可以从与之对应的组态软件（如WinCC、RSView）上获取数据；中间层由硬件层和网络层组成，硬件层主要由功能强大的协议转换器组成，它可以将各种总线协议及ModbusRTU协议等转换成支持以太网的OPCServer、ModbusTCP协议等，网络层主要是由ADSL宽带、光纤接入、GPRS、GSM以及CDMA等提供网络接入；管理层以数据采集中间件为核心，通过网络层采集基础数据，设备远程管理功能可以实现对采集设备的远程管理和维护，节省人力、物力，数据标签管理功能实现对采集变量的管理；在应用层平台可以提供简要的统计报表，帮助系统管理员随时掌握数据情况，平台还支持多种接口，为外部应用系统提供数据支持。平台系统架构如图2所示。图2平台系统架构2.1.2数据通信消息中间件数据通信消息中间件主要将来自感知的各类信息通过基础承载网络传输到应用层。在污水处理企业，通常采用不规则的星形网络拓扑结构（图3）。比如以厂为中心，星形发散到下面的泵站，或以大区服务器为中心发散到下面的多个污水处理厂等。图3网络拓扑结构2.1.3企业生产优化调度与控制管理中间件企业生产优化调度与控制管理中间件是污水处理行业物联网架构应用层的参考实现。集中管理厂站生产数据，实时显示运行工艺，设备运行状况一目了然，运行日报、综合统计分析报表自动生成，设备养护流程、设备维修计划自动化管理，年度计划完成情况和能耗分析随手可得。该中间件将专家经验和计算机技术完美结合，实现水泵机组联编优化调度、曝汽池节能控制；同时利用人工智能和数据挖掘实现污水处理厂精细化管理和最优化控制，为不同层面的运行管理者提供了丰富的决策支持信息，为辅助分析决策奠定良好的基础，为污水处理企业规范管理、节能降耗、减员增效和精细化管理提供强大的技术支持。2.2系统组成基于物联网污水处理监控系统是一个以提供具有代表性、可靠性和及时性的样品信息为核心人物，以在线分析仪器和研究运用需求为服务目标，运用计算机技术、自动控制技术及专业软件，设计成的一个以实现对样品的在线自动监测为目的，以取样、预处理、数据分析，数据处理及数据存贮为手段的完整并相对独立的系统。自动监测系统一般包括预处理系统、取样系统、数据采集与控制系统、在线监测分析仪表、数据处理、传输系统及远程数据管理中心等组成部分，这些分系统相互协作又相对独立，保证整个在线自动监测系统的连续可靠准确地运行。图4系统组成图2.2.1污水数据采集终端考虑到系统主要用来检测工业污水的处理状况，所以监测的内容为污水处理环节中的污水中各物质含量的变化状况。作为采集终端必须有比较准确的污水取样系统，设计禀行准确随机和代表性原理，将各个取样点的数据通过工业上通用的MODIBUS标准协议进行传输，实时将现场各种数据采集到智能监控终端内，并保证数据的准确性和实时性。2.2.2无线传输设备数据传输是监测系统各部分联系的纽带。一般企业多采用电话线、GPRS、GSM短消息、局域网、以太网、3G等。2.2.3数据管理中心数据管理中心包括监测数据接收子系统，报警子系统，数据分析统计子系统和WEB发布子系统四部分，各部分相互协作共同完成数据的接收分析与处理以及后期的发布存储，是监控系统的中心枢纽。监测数据接收子系统是一个十分重要的子系统，它负责各种现场实时数据的监测及数据的接收；报警短信子系统是利用移动通讯技术使用的一项警报系统，当系统发生事故或危险时报警短信子系统可想外界制定者发出警报；数据分析统计子系统是监测系统中的核心部分，该系统由工作人员直接操作，是中枢分析单位；WEB发布子系统是该系统与外界联系的枢纽也是人们了解污水状况的窗口，可以通过此系统查询污水处理的数据，普通市民可以通过该系统了解居住城市水体质量，也揭示被监测企业、工厂的排放污染程度，对企业起到了良好监督指导作用。2.3系统实现功能2.3.1监测数据接收子系统监测数据接收子系统是一个十分重要的子系统，它负责各种现场实时数据的监测及数据的接收。作为接收系统应实现数据过滤，将接收到的数据进行比较排查，隔离不安全数据；现场反控即通过修改监测采集方案来启动现场设备，通过参数修改反向控制系统；各种现场监测仪表的不同类型测量值的接收和识别的功能，并可以查看各监测站连接状态和运行状态并将接收的数据保存于后台，实现数据的备份与保护。2.3.2数据分析统计子系统1、实时显示水体污染编号，实时监测原始数据的查询、偏离修正、监测数据有效性审核、预报数据录入。2、监测数据历史记录的维护并可以结合历史数据生成水体污染指数曲线图。3、监测数据异常分析、实时地通过短信向指定对象发布报警信息。4、各种数据汇总报表、统计报表的制作及上传。5、默认、自定义监测采集方案维护并进行现场自动采样器操作。6、现场样本试验数据录入、与自动监测数据对比、偏离报告并进行数据备份。7、现场维护记录及现场设施系统权限的分配。8、WEB用户注册认证、权限设置、访问统计情况等。2.3.3报警短信子系统报警短信子系统是指利用通讯技术将系统发布的警报信息发送到指定方的一项自动监测通信设备。保证系统的顺畅性，保证了接受者随时随地都可以对系统运转情况了如指掌。2.3.4WEB发布子系统WEB发布子系统是该系统与外界联系的枢纽也是人们了解污水状况的窗口，普通市民可以通过该系统了解居住城市水体质量，也揭示被监测企业、工厂的排放污染程度，对企业起到了良好的监督指导作用。发布内容包括：当前水体状态以及以往数据查询，也提供水体质量预测报告，用户可以通过该系统进行查询备份及修改工作；监测系统各部分运行数据状况及分析结果、监测数据分析报告等；3结束语基于物联网的污水处理自动控制系统对污水处理的进、产、排3个主要环节进行监控，将下属提升泵站和污水处理厂的水量、水位、水质以及设备状态等信息通过物联网进行收集、整合，对3个环节的生产数据进行分析、处理，实现对污水处理生产过程的实时控制与精细化管理。对企业的规范管理、节能降耗、减员增效有一定的借鉴价值。AINTELLIGENTMONITORINGSYSTEMOFSEWAGEDISPOSALBASEDONINTERNETOFTHINGChangsong,panliangbo,hujie,houxiaoying(ShandongZhengyuanGeographicInformationEngineeringCo.,Ltd,济南250101)AbstractInviewoftheproblemofourcountry’ssewagetreatmentplants:lowperformingefficiency,lackingofeffectiveintendanceandmanagement,andstillusingtheextensiveoperationmode,andsoon,wedesignedaintelligentmonitoringsystemofsewagedisposalbasedoninternetofthing.Thispaperraisedthebuildingplanoftheintelligentmonitoringsystemofsewagedisposalfromthreelayers:perceptuallayer,networklayerandapplicationlayer.Andtheprimarycoverageandkeytechnologiesofthemonitoringsystemhavebeenanalyzedindetail.Thissystemcanoffertheperfectdigitalsolutionfortheoperationandmanagementofthesewagetreatmentplants,andmaketheabilityandefficiencyofsewagedisposalrai