随着政府对节能减排工作的高度重视,积极引入市场机制,加大投资力度,我国的污水处理能力快速增长并已位于世界前列^[1]。我国的污水处理厂数量多、分布广(特别在3、4线城镇),经过近几年的市场扩张和并购,越来越多的污水处理厂已集中在少量具备一定实力的大型水务公司旗下。如何通过先进技术实现下属所有污水处理厂的统一调度、管理及实时信息共享,并解决运营监控难、管理效率低、运营成本高问题,成为了这些污水处理运营企业亟待解决的问题。

　　 瀚蓝环境股份有限公司(以下简称“瀚蓝环境”)目前属下共有19个污水处理运营项目,辐射南海全区7个镇街,总设计处理能力为58.3万m^３/d,在污水处理智能管理平台建成之前,瀚蓝环境按照常规的运营管理模式,各污水处理厂均需配套生产、技术、化验、设备管理及办公后勤等机构,且中控系统各自独立及各自3班倒,人力耗费大,重复投入多,各种资源难以共享,管理效率不高。

　　 为解决地域分散难题,实现专业资源统一使用,有效降低管理成本并提高管理效率,瀚蓝环境充分利用现代互联网技术^[2]、计算机信息技术^[3]、工业自动化控制技术^[4]和数字电视技术^[5],让信息流通起来,采用远程控制的手段,将各厂中控室向新的生产指挥中心“集中”,最终实现了所有污水处理厂搬进“同一围墙内”进行运行管理的目标。

　　 如此大规模集中监控的管理模式,由于之前在全国没有可借鉴的案例,为降低管控风险,编制的总体方案采取了3阶段分步实施的策略。

　　 本阶段的工作目标:所有厂以片区划分,在各片区分别选取1间厂作为试点,并实现远程监控和中夜班无人值守。

　　 本阶段的工作难点:虽然各厂原皆各自建设有中控系统且运行基本稳定,但组态软件品牌和版本各不相同,硬件质量和扩展性能及系统风格、内容、功能等亦皆存较大差异,而且还需要保证系统的安全可靠性,并尽量控制建设成本和减少后期维护量。

　　 本阶段主要实施了如下内容:

　　 (1)统一采用GE iFix 5.0组态软件,并对所有厂的SCADA系统进行重新开发。

　　 (2)为提高数据通讯的速度和稳定性,租用电信运营商专用工业级光纤组建同城局域网,并将组态软件与PLC间的通讯统一改造为直接通讯方式(原系统大部分采用OPC服务器中转方法),亦将视频服务器统一更换为同一品牌。

　　 (3)总公司建设iH历史数据库系统、PIMS报表系统、Portal网页发布系统,实现生产历史数据统一保存、权限统一管理、网页形式呈现。

　　 (4)为达到替代人工生产巡检目的,按需要最低限度的在部分位置增加安装摄像头并上传远程监控室(要同时考虑带宽占用的因素)。

　　 试点厂的远程监控建设于2010年12月完成,公司下属4间厂实现了预期目标。

　　 本阶段的工作目标:各片区在已有1间厂实现远程监控和中夜班无人值守的基础上,分别实现集中远程监控片区所有厂(即各片区只有1 个中控室),且所有厂皆中夜班无人值守。

　　 区域集控中心于2011 年11 月建成并稳定运行,为下一阶段的生产指挥中心(又称“大中控”)建设奠定了坚实的基础。

　　 本阶段所有的基础条件皆已具备,主要建设1个全新的生产指挥中心即可。

　　 生产指挥中心建设内容主要包括:指挥中心场地的装修改造;集控系统建设、生产视频系统建设、拼接屏显示系统建设等,该中心于2014年9月正式建成并稳定运行。

　　 污水处理智能管理平台作为瀚蓝环境污水处理厂物联网技术应用^[6]的产品,集数据收集、监视、控制和发布等功能或服务于一体(见图1),其核心是生产指挥中心(见图2),该中心主要由拼接屏显示系统^[7]、生产监控系统、视频监控系统及与之配套的供电、网络等部分组成,把污水处理厂的各种设备(提升泵、鼓风机、阀门等)、仪表(pH、DO、MLSS等)及视频等并入互联网,实现集中远程监视和控制,并自动生成各类生产参数、报表和历史曲线。

　　 拼接屏显示系统由21个屏幕单元拼接而成(横向3 行、纵向7列),可任意个屏单元组合显示“四大平台”应用系统功能和内容,包括:生产监控系统、视频监控系统、PIMS报表系统、设备管理系统等。监控台设置一台计算机,实现对生产指挥中心的大屏幕系统、视频监控系统等的控制和切换。

　　 本系统的主要功能是运营数据收集和生产调度指挥。

　　 生产指挥中心设置10个SCADA^[8]系统监控终端。其中,监控台设置8个控制终端,由生产指挥中心各班组的4名值班人员负责操作(每人负责操作两台控制终端);值长办公桌设置1个控制终端,由各班组值长负责操作;工程师站(位于生产指挥中心旁的办公室)设置1个控制终端,由集控系统及网络维护工程师负责操作。

　　 本系统的主要功能是尽可能地代替现场人工巡检。

　　 为适应集中远程监控与各厂中夜班无人值守的新需求,并最大限度确保生产安全及兼顾视频速度和节约带宽,将视频信号按安保与生产监控需要分类,只将各厂的生产监控需要视频信号上传指挥中心(安保视频信号保留在各厂保安值班室)。

　　 在原有基础上,最低限度地在各厂增加了必要的视频信号以代替人工巡检,如为观察进水水质(浮油和异色感观)、出水水质(悬浮物感观)、进出水仪表运行情况、生化池曝气情况、粗细格栅运转情况、高低压柜带电情况等针对性地安装了高清摄像头。进、出水水质的监视另有COD、氨氮、TP、浊度仪等在线分析仪表将监测数据上传。

　　 (1)iHistorian历史数据库系统。采集、保存污水处理厂的设备状态、工艺参数等实时数据,并建立历史数据库及查询系统,实现多用户跨区域同时访问各污水处理厂的历史曲线。

　　 (2)PIMS报表系统。通过对iHistorian历史数据库系统数据的统计、分析、处理,实现水量、水质、成本等业务分析。

　　 (3)Portal网页发布系统。是web版(网页版)的SCADA系统^[8],用户在互联网状态下通过IE浏览器而无需安装SCADA客户端软件,即可快速查看污水处理厂的生产情况。

　　 值长办公桌另设一台计算机,用于各班组生产数据的记录、统计及分析。

　　 各厂通过租用电信运营商的专用光纤组建的工业局域网进行通讯,该专线在物理上与其他网络、通路隔绝。因此,智能管理平台网络的保密性、完整性、可控性比较高,网络安全完全满足实际生产的需要。除租用的通讯专线外,工控机、服务器等软硬件,都设置在我司管辖的范围内,可以避免受到恶意破坏或更改。生产指挥中心及各厂皆以冗余网络模式运行,亦可避免出现因单一线路网络故障导致整个集控系统网络瘫痪或部分节点不能正常通讯的情况。

　　 基于通用性和统一性考虑,生产指挥中心的10套SCADA系统皆选用GE公司功能强大的、运行稳定、便于二次开发且版本一致最新的SCADA(iF-ix)软件。因此,极大地减少了系统二次开发的难度和维护的工作量,保证了集控系统的可靠、持续运行。

　　 各污水处理厂放置一台与其监控中心运行中的SCADA系统配置完全一致的备用工控机(平时作为办公电脑),当厂部的SCADA系统出现严重故障(如:工控机故障不可用、操作系统崩溃等)时,用备用工控机直接接管现场即可。

　　 智能管理平台包括的3大运营管理业务系统:iHistorian历史数据库系统、PIMS报表系统、Portal网页发布系统,均设在总公司机房中心服务器中运行(见图1)。

　　 总公司机房服务器架设模式见图3,其运行机制如下:总公司机房的实体服务器以共享磁盘冗余阵列模式运行,各实体服务器由控制中心最优化控制支撑1个或多个虚拟系统的运作,而3大业务系统分别运行在各自的虚拟系统中。

　　 (1)当某一实体服务器出现故障时,管理中心将自动判断故障服务器位置,并切换其他实体服务器接管恢复正常工作。

　　 (2)磁盘冗余阵列使用冗余算法,即使某一个磁盘出现故障(一般来说,两个磁盘同时出现故障的可能性很少),当前磁盘分区也能正常工作。另外,备用磁盘也可以立刻切入接管故障磁盘。

　　 其中磁盘冗余阵列是把若干个实体磁盘同时当一个磁盘分区来工作,一个分区通过相应算法分存于阵列的所有磁盘上。

　　 总公司机房中心数据管理系统将每天定时对磁盘阵列的数据库数据(各业务平台的数据)远程备份至位于同城的另外一个机房,且备份数据最多可存储1年。

　　 总公司机房将与绿电公司机房建立VM ware远程容灾系统,即同时运行2 套功能相同的系统。那么,当任一处系统因意外(如:火灾、地震等)停止工作时,当前系统可以整体切换到另一处,从而保证了系统功能的正常。

　　 综上所述,通过实现设备的冗余和数据的多方存储备份,污水处理智能管理平台具有高度的连续性、可靠性。

　　 污水处理厂中夜班无人值守期间,一般出现的主要问题有设备仪表故障、进出水水质异常、网络信号丢失、生产数据中断、本地中控电脑死机、被控厂部停电等,为保证污水处理厂在无人值守期间出现问题时能及时应对处理,瀚蓝环境相应制定了相应应对措施。

　　 各污水处理厂以片区为单位集中统一安排应急值班(以0.5~1h内能到达现场为标准):应急值班人员要求驻厂,该人员一般情况下(无厂出现异常)只是在厂休息,接到通知时可以及时作出响应。

　　 已制定《污水处理厂进水异常应急预案》、《污水处理厂运营管理信息沟通制度》、《污水处理厂生产运行管理制度》、《污水处理厂水质监测管理制度》等配套制度,保证出现异常时有相应的流程可供参照执行。

　　 由于大部分污水处理厂选址在较偏僻或周边多小型企业的地方,各厂均已安装了电子围墙、视频监控系统,还安装了110联防警钟。

　　 智能管理平台的建设和投入使用,增加了各种费用的投入,包括平台的建设费用约180 万元、前期对原各厂中控系统的改造约50万元、新增的各厂与生产指挥中心的光纤通信费用(每年约需18万元)。

　　 然而,集中管控模式的建立,把分散各地的小型污水处理厂进行统一集中管控,从此所有下属污水处理厂现场皆已无需再值中夜班(白班亦仅需要1人巡厂2~3次,且该人员巡视完毕后可从事其他工作),从而大大减少了值班工人的总人数,人力成本相应大幅度降低。这是该平台能实现的最直观且非常可观的生产成本节约。如按原各厂每班值班人员最少需1~2人、每人每年人工粗略按5万元计,则原19个污水处理厂每年可节约人工共约500万元(值3班人员由约120人减少至20人)。

　　 大数据的分析利用越来越得到大家的重视,智慧城市的建设和管理也正如火如荼,智能管理平台集生产运行集中远程监控、工艺数据集中自动收集、生产调度指挥、信息发布等于一体,使小数据集中为大数据,为公司、为政府在数据的分析利用、管理决策及排水信息的集中显示、应急管理调度等奠定了重要的基础。

　　 智能管理平台的建设完成是瀚蓝环境对企业内外部资源组合式创新的典范,开创了我国污水处理业务大区域集中管控的先例,为瀚蓝环境污水处理业务向外拓展奠定了良好的基础。同时,生产指挥中心的设立,将各运营项目搬进“同一围墙”内管理,达到集中管理、统一调度的目的,一定程度上解决了跨地域难题。

　　 经过大半年的运行,目前污水处理运营管理平台在实时性、稳定性、可靠性、安全性等方面都表现良好,并带来了诸如生产规模化、人力资源集约化及可预见的标准化、精细化等方面的运行效益。