CN106569453A - 一种污水处理厂智能管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种污水处理厂智能管理系统，包括：感知层：用于通过对关键工艺数据进行采集，并将采集的数据传输到网络层；网络层：用于存储和处理感知层采集的关键工艺数据；应用层：用于访问网络层，及时了解污水处理厂的运行情况。利用本发明的系统，运营人员可以通过计算机或者移动设备APP软件访问Web端，实时查看厂内各项工艺的运行状态，各设备的基本信息，主要功能和运营指南等信息；运营人员可以利用移动设备巡检程序，对厂区各工艺，各设备进行巡检。

Description

一种污水处理厂智能管理系统

技术领域

本发明环境工程技术领域，旨在解决一种污水处理厂智能管理系统。

背景技术

污水处理行业作为国家新兴战略产业之一，也是我国《水污染防治行动计划》(以下简称“水十条”)重点关注的产业之一。水十条明确指出要全面控制我国的水污染问题，要求强化城镇生活污染治理。加快城镇污水处理设施建设与改造。现有城镇污水处理设施，要因地制宜进行改造，2020年底前达到相应排放标准或再生利用要求。敏感区域(重点湖泊、重点水库、近岸海域汇水区域)城镇污水处理设施应于2017年底前全面达到一级A排放标准。建成区水体水质达不到地表水Ⅳ类标准的城市，新建城镇污水处理设施要执行一级A排放标准。按照国家新型城镇化规划要求，到2020年，全国所有县城和重点镇具备污水收集处理能力，县城、城市污水处理率分别达到85％、95％左右。

长久以来，国内的城镇污水处理厂的运行管理水平较低，污水处理能耗较高，污水处理成本过高的问题。这一方面是由于我过污水处理起步晚，装备技术较为落后，导致污水系统不稳定，运行费用偏高等棘手问题。另一方面是由于我们自控化水平低，污水处理运营管理人才的培养机制缺失，导致其智能化的发展受到严重的制约。污水处理厂的智能化管理借助于现代的监控设备和大数据计算分析，能够为污水处理厂工艺和设备提供最为精准的控制方案，并且对其日常运营实现数字化的管理，节省劳动成本。可以说，污水处理厂智能化运营水平已经成为决定大型水务集团公司提升企业整体运营管理水平、应对逐渐激烈的市场化竞争、获取最大化经济效益的关键。

目前，由于污水处理过程具有的多变量、非线性、时变性与随机性的特点，呈现出不稳定性和不确定性，采用常规的控制方法难以实现理想的控制效果。同时，应用最为广泛的活性污泥法处理系统在实际运行过程中经常遇到污泥膨胀，二沉池污泥上浮和泡沫等问题，如果处置不善，将会严重影响污水厂的正 常运行。这也给污水厂的运营人员提出了巨大的挑战。污水处理厂智能化管理系统是利用信息化管理技术，通过现场运行数据的实施监控以及历史数据的科学分析，对污水处理厂的日常运营进行管控。一方面智能管理系统可以对日常运行过程中所出现的故障进行分析，根据故障分析树和检测数据制定合理的解决方案，最大限度的规避了由人为因素引起的判断失误。另一方面可以根据趋势分析系统做到提前预警，提前采取措施，保障污水处理各项工艺的正常运转，从而确保污水的达标排放。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种污水处理厂智能管理系统。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种污水处理厂智能管理系统，包括：

感知层：用于通过对关键工艺数据进行采集，并将采集的数据传输到网络层；

网络层：用于存储和处理感知层采集的关键工艺数据；

应用层：用于访问网络层，及时了解污水处理厂的运行情况。

所述感知层包括：数据采集与传输系统：用于对对工艺运行过程中的实时参数进行采集和传输。

所述网络层包括：

设备状态智能分析系统：用于实现污水处理厂设备的信息化和智能化管理；

多参数趋势分析系统：用于对污水处理厂的关键运行数据进行趋势分析，判断工艺运行状态；

专家诊断中心：用于对各个分散水务设施的整体运行情况以及各设备设施进行状态分析、问题预警和故障诊断；

日常运维系统：用于根据身份设置不同的访问权限，访问不同的内容，实现差异化管理。

所述数据采集与传输系统采集和传输的数据包括：水质指标分析，智能化运行监控方案的布置，样品采集。

所述日常运维系统分为APP端和WEB端。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：利用本发明的系统，运营人员可以通过计算机或者移动设备APP软件访问Web端，1)实时查看厂内各项工艺的运行状态，各设备的基本信息，主要功能和运营指南等信息；2)运营人员可以利用移动设备巡检程序，对厂区各工艺，各设备进行巡检。程序设备维护人员1)可以查看设备的信息，运行状态，维护记录和维护指南等内容，实现设备资料的信息化管理；2)可以利用移动设备查看设备维护状态，并按照维护指南对设备进行关键部位的维护。

附图说明

图1污水处理厂智能管理系统结构图；

图2污水智能化管理网络拓扑图；

图3污水厂数据采集和传输系统图；

图4污水厂数据自定义采集和传输界面图；

图5污水处理厂设备状态智能分析系统；

图6污水处理厂趋势分析系统；

图7为溶解氧含量变化趋势曲线图。

具体实施方式

本发明旨在实现污水处理厂的智能化，信息化管理运营。所有的关键数据和设备的相关知识都存储在互联网云端。用户(包括运营人员、维护人员和集团管理人员)可以通过权限设定，以不同的身份登录。该系统一方面可以对工艺运行数据进行趋势分析，及时发现和预警工艺运行过程中的故障，并通过专家系统对故障进行科学的分析和辅助决策。另外，建立全厂设备知识库和信息 库，并制定设备评估方案，及时预警关键设备，关键部位的维修方案，避免因为设备大修而造成的停水。

为了实现上述目的，本发明的网络拓扑结构可以分为感知层，网络层以及应用层三大部分。感知层主要通过PLC对关键工艺数据进行采集，PLC通过上位机与网络云端相连。云端可以与同厂内的不同上位机实现通信，也可以与不同厂之间的上位机进行通信。网络层主要是云端的存储，上位机通过VPN网络协议与云端相连。应用层主要是包括APP访问和Web访问两个端口，两种端口通过特定的登录方式，访问云端，及时了解污水处理厂的运行情况。

根据功能定位，本发明可以分为以下几个板块：数据采集与传输系统，设备状态智能分析系统，多参数趋势分析系统、专家诊断中心以及日常运维系统五大版块。

数据采集与传输系统负责对工艺运行过程中的实时参数进行自定义的采集和传输。具体内容包括水质指标分析，智能化运行监控方案的布置，样品采集，指标分析以及动态传输等功能。该系统读取数据时不受不同组态软件的制约，可读取任一污水厂的实时数据以及历史数据，适用于提供OPC接口的不同品牌工控软件数据采集；在某一污水厂的数据采集系统内，用户可自定义数据采集类型，如此便可仅将目标数据进行对上传输，大大节约了系统数据的存储容量；多个水厂的数据上传至运营总部的数据接收系统后，通过用户自定义可将不同污水厂的数据自动归纳至特定的存储位置。可实现多个污水厂数据同时读取及管理，并行不悖。

设备状态智能分析系统以RCM(以可靠性为中心的维修，Reliability-CenteredMaintenance)管理理念为指导，实现污水处理厂设备的信息化和智能化管理。运维人员1)可使用本系统更方便快捷地定位各个污水厂的功能构筑物、设备和仪表，并能调阅与之相关的文档资料(包括图纸、设备说明书、维护手册)；2)根据屏幕显示的操作步骤(运行或维护指南)或表格提示，进行运维操作，并记录运行和维护信息(数字、文字或影音)；3)在问题诊断和维修时，能查询构筑物、设备和仪表的故障和维修历史；4)该系统根据维护和维修历史记录，对各个项目的处理设施和设备状态进行智能分析，并以百分制反 馈结果。5)根据系统评分显示设施设备状态(绿色、黄色和红色)并给出维护频率建议。当红色状态时，系统自动将相关信息提交至专家诊断中心。

不同于以往对工艺运行的绝对值控制方案和数据结果反馈方式，本发明旨在建立一种针对于污水处理厂智能运行维护的一种多参数趋势分析系统。利用统计学原理对污水处理厂的关键运行数据进行趋势分析，判断工艺运行状态。一般地，数据采集、传输至数据存储层。所述数据分析层由数理统计函数对数据库中存储的大数据进行趋势分析，通过对离散的数据拟合生成曲线图，系统再进一步对曲线图进行趋势分析，对可能出现的运行风险进行判断和预警。所述用户界面层特指反映分析曲线和趋势预判结果的客户端，包括web端和app端。

专家诊断中心是基于实时监控系统、参数趋势分析系统和设施设备状态智能分析系统，运营专家可在诊断中心对各个分散水务设施的整体运行情况以及各设备设施进行状态分析、问题预警和故障诊断。工艺运行故障时，系统可以按照预先设定的推理机制，对故障出现的原因进行排除和分析。

日常运维管理系统分为APP端和WEB端。并且可以根据身份设置不同的访问权限，访问不同的内容，实现差异化管理。端口功能如下：1)它可以通过Web端展示集团各厂站分布情况、各厂生产运行工艺画面以及实现实时运行数据；2)数据分析功能，通过内置程序实现对生产运行数据的统计计算，生成污水厂及集团日常运行管理的各类图表，方便管理人员进行日常运行情况的总结与分析；3)可以实现对日常运行管理中涉及的化验管理、报表管理，报警管理，办公审核等功能进行信息化管理，获取更全面的运营管理数据。

如图1所示，污水处理厂智能系统包括1)多参数趋势分析系统，可以实现对历史数据和实时监控数据的查询和分析；2)专家诊断中心，可以死在云端网络结构上实现对污水处理厂的故障分析和决策；3)数据采集和传输系统，实现数据的实时采集和传输；4)设备管理系统，建立设备知识库和信息库，利用RCM理念对设备状态进行智能分析和管理；5)运维系统，利用Web端和APP端口，对污水处理厂的日常运行和维护。

如图2所示，系统基于云端多界面实时监控，通过图形控件动态模拟显示现场流程及工况，系统通过云端将各污水处理厂控制中心所有监控数据自动同步。控制中心Windows客户端在指定目录下添加、修改、删除文件或目录将会自动同步到云端。如果云端任意一个文件被添加、修改、删除，也会自动同步到当前Windows电脑。云端多界面实时监控系统通过PC、手机、移动多媒体等多种设备，从云端取得实时数据，实现数据、文档、图片和视音频等内容的集中存储和资料共享，确保数据的及时性和准确性。

如图3所示，数据采集和传输系统负责将设备(水泵、鼓风机等)的运行状态以及在线监测仪表的实时数据上传至PLC控制系统，再利用工控机内的数据采集程序将数据通过互联网通信存储至总部数据库，用户通过办公用电脑调取数据库内储存的数据，并根据该数据进行下一步工作。不同污水厂之间的数据均可通过相同的步骤上传至总部数据库。当污水厂内自控系统所采用的组态软件不同时，用户均可通过本发明的采集及传输系统读取，不需要在客户端安装不同的组态软件来实现数据的读取。如图4所示界面，污水处理厂的数据可以自定义进行采集和传输，使得终端用户在查看数据时更有针对性更加直观。在该界面中，操作人员对每一个监控的变量进行编号、录入名称，录入后数据会在表中显示出来，操作人员根据需要上传的数据将右对话框中的数据选中进入左边对话框，该对话框中的数据既为需要上传至运营总部的数据。

如图5所示，污水处理厂设备状态智能分析系统包括设备的知识库和信息库。该系统根据维护和维修历史记录，对各项目的处理设施和设备状态进行智能分析，并以百分制反馈结果，显示设施设备状态(绿色、黄色和红色)并给出维护频率建议；在红色状态时，系统自动将相关信息提交给专家诊断中心。

本系统自上而下将污水厂所有构筑物及其附属设备按照功能划分为预处理单元、生化单元、深度处理、出水单元以及污泥处置单元。在每一个工艺单元下分为构筑物、设备、阀门、仪表及其它项。其中构筑物项下包含设计参数、建筑图纸、运维记录、管理手册；设备项下包含设备安装图纸、维护记录、运行记录、设备说明；阀门项下包含阀门型号、维修记录；仪表项下包含仪表型号、维修记录、设备说明；其它项下包含管路系统以及电气系统等。通过RCM 系统分析后，系统会给出维修提示。管理人员可根据提示对设备设施进行维修时间以及零部件更换的安排，最后再将维修记录录入存档至系统中，形成运维记录。

如图6所示多参数趋势分析系统流程。该系统将数据库中保存的运行历史数据转变成趋势曲线并做智能分析，提前预警有可能出现的运行风险并将其发送到专家诊断中心。污水处理运行参数趋势分析系统结构框架图，包括依次连接的数据采集层、数据存储层、趋势分析层和用户界面层。其中，数据采集层为系统稳定地获取各项数据指标；数据存储层用于存储数据采集层传输而来的各项数据，为趋势分析提供数据支持；趋势分析层将数据存储层保存的大量数据转变成趋势曲线并做智统计分析从而得出预测结果；用户界面层用于反映趋势分析层的分析结果。

在本发明的一个示例中，污水处理厂的溶解氧变化趋势出现异常。趋势分析系统依据相关程序进行计算分析后，反馈到专家诊断中心进行诊断。

具体来说，系统自动采集某一个周期的数据分布趋势曲线，从单个反馈的数据来看，数据均处于正常值域内。但在计算中进行智能分析，算术平均值为2.70，该组数据的集中趋势在值域范围内；方差S为0.01，分析得出较之上一周期的方差0.001大，则该组波动性大，数据变为不稳定；均方根误差RE为0.317，分析其较之最佳值的离散程度很大；偏度SK为-1.181，分析结果小于0，较大程度上负偏离于最佳值。综合上述分析得出结果：该周期内好氧系统的溶解氧含量低于最佳值，变化波动幅度大，极不稳定，且溶解氧含量具有持续下降趋势。

得出趋势分析结果后，系统立即将结果和预警信息传送至污水处理厂控制中心和运营总部，信息显示端包括手机端、平板端和电脑端。运营人员可根据反馈情况调节风机风量或空气阀门，控制曝气量，维系好氧系统溶解氧的正常水平。

运行人员和维护人员以不同的身份登录管理程序。根据登录人员的身份，可以实现不同的操作和资料查看，提高了终端实际应用的效能，也有利于关键数据的保密。在本发明的一个实施案例中，设备维护人员登陆后，对某个鼓风 机设备进行扫描(见表1)。移动设备通过访问云端数据库，调出该设备的相关信息予以显示。具体信息包括设备说明书，安装指南，维护指南，安装图纸等基本信息。在界面右侧显示设备的维护状态，状态信息由系统的内设评分机制确认。在本发明中，系统依据RCM管理理念，根据维护和维修历史记录，对各个项目的处理设施和设备状态进行智能分析，并以百分制反馈结果；根据系统评分显示设施设备状态(绿色、黄色和红色)并给出维护频率建议。当红色状态时，系统自动将相关信息提交至专家诊断中心，提请专家进行诊断和决策。

表1.鼓风机运行RCM扣分机制示例

Claims (5)

1.一种污水处理厂智能管理系统，其特征在于，包括：

感知层：用于通过对关键工艺数据进行采集，并将采集的数据传输到网络层；

网络层：用于存储和处理感知层采集的关键工艺数据；

应用层：用于访问网络层，及时了解污水处理厂的运行情况。

2.根据权利要求1所述的污水处理厂智能管理系统，其特征在于，所述感知层包括：

数据采集与传输系统：用于对对工艺运行过程中的实时参数进行采集和传输。

3.根据权利要求2所述的污水处理厂智能管理系统，其特征在于，所述网络层包括：

设备状态智能分析系统：用于实现污水处理厂设备的信息化和智能化管理；

多参数趋势分析系统：用于对污水处理厂的关键运行数据进行趋势分析，判断工艺运行状态；

专家诊断中心：用于对各个分散水务设施的整体运行情况以及各设备设施进行状态分析、问题预警和故障诊断；

日常运维系统：用于根据身份设置不同的访问权限，访问不同的内容，实现差异化管理。

4.根据权利要求2所述的污水处理厂智能管理系统，其特征在于，所述数据采集与传输系统采集和传输的数据包括：水质指标分析，智能化运行监控方案的布置，样品采集。

5.根据权利要求3所述的污水处理厂智能管理系统，其特征在于，所述日常运维系统分为APP端和WEB端。