科技创新与应用中学数学教学参考
Technology Innovation and Application
设计创新
2021年13期
作者简介：彭天骄（1973-），男，专科，工程师，研究方向：城市水环境治理和城市污水处理；刘林（1990-），男，本科，工程师，研究方向：建设管理
和运营维护管理。
荆州市红光污水处理厂二期数字化设计与实现
彭天骄，
刘林
（荆州市荆江环境科技有限公司，湖北荆州434100）
荆江环境科技有限公司顺应时代发展需求，响应国家号召，积极参与环保建设，主导建设三座污水处理厂。目前已完成荆州市红光污水处理厂二期（以下简称“红光二期”）的数字化建设。涵盖生产数据采集、厂区实时监控、数据分析整合、数据共享等内容，实现“同一平台、信息共享、多级控制、分散控制”，在实现本厂数字化的基础上，亦为智慧水务大数据系统夯实了基础。1红光二期当前自动化实现的功能 1.1实时数据监控
实时数据监控主要包括厂区内各生产车间所有电气设
备、通用设备运行数据的监视与控制。涵盖各种风机、泵、格栅、阀、成套设备等的启、停、频率调节、状态反馈等信号。各信号均通过在厂区分散设置的IO 站DI/DO/AI/AO 等通道接入PLC 自控系统。在中控室设置1台工程师
（Engineer Sation ）站和2台操作员站（OS ），工程师站可对所有工艺流程和监控界面进行组态编辑下载，对应结果均显示在操作员站上。 1.2水质在线检测
安泰卓越>果蔬气调库
水质在线检测系统主要包括进、出水质检测及生产水
质检测两部分。其中生产水质包括各种COD 、悬浮SS 、MLSS 、TP/TN 、温度、压力等信号数据。进出水质检测主要用
于生产结果的对比。对于室外露天安装的设备均设置了隔离安全栅IS 和浪涌保护器SPD 进行通道保护，确保设备和自控系统的安全。
1.3视频监控系统按照“全方位，多点面”的原则，整个厂区包括生产车间、道路、进出口、各重要设备均安装了网络云台摄像头，实现了全方位无死角的布设。在中控室设置单独的视频监控
摘要：推行污水厂数字化建设，实现污水厂数字化管理，是荆江环境科技有限公司发展过程中实现节约投资、降低成本、优化用工、提高劳动生产率、提高生产安全性的有效手段。荆州市红光污水处理厂二期作为荆江环境科技有限公司下属的污水处理项目，在“数字化管理、市场化服务”的模式下，不断开展技术创新、科技创新、管理创新，致力于建设一座智能化污水处理厂。文章介绍了红光污水厂二期的数字化系统，按照工艺流程和生产管理的要求，用数字化、信息化管理手段，通过仪表、电动执行机构、气动执行机构、远程监控模块（RTU ）、冗余光纤环网（RFOR ）、SCADA 系统、PKS 操作系统等技术建立了一套覆盖整个厂区的生产、处理全过程的数字化系统，完成数据采集、过程监视与控制、
动态分析，达到过程监控、节约增效、安全生产的目标。关键词：红光污水处理厂二期；数字化；PL
C ；自动控制；信息化；工业4.0中图分类号:X703
文献标志码:A
文章编号:2095-2945(2021)13-0099-03
Abstract :The digitized construction and management of the sewage treatment plant is an effective means to save investment,reduce cost,optimize employment,improve labor productivity and improve production safety in the development stage of Jingjiang Environmental Science and Technology Co.,Ltd.The Jingzhou Hongguang Sewage Treatment Plant Phase II,as a sewage treatment project under Jingzhou Environmental Science and Technology Co.,Ltd.,continues to carry out technological
innovation,scientific innovation and management innovation under the mode of "digitized management and market -oriented service,"for the sake of construction of an intelligent sewage treatment plant.This paper introduces the digital system of the second phase of Hongguang Sewage Treatment Plant.According to the requirements of technological process and production management,by means of digital and information management,a set of digital system covering the whole process of production
and treatment in the whole plant area is established by means of instrument,electric actuator,pneumatic actuator,remote terminal unit
(RTU),redundant fiber optic ring
(RFOR)network,SCADA system,PKS operating system and so on,so as to
complete data acquisition,process monitoring and control,and dynamic analysis,thus achieving the goal of process monitoring,saving and efficiency,and production safety.
Keywords :Hongguang Sewage Treatment Plant Phase II;digitization;PLC;automatic control;informatization;Industrial 4.0
99--
2021年13期
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电脑用于实时视频和历史视频的查阅。在机房设置网络硬盘录像机对历史视频数据进行RAID5冗余存储，存储时间大于30d 。
1.4周界安防通过在厂区院墙上设立周界报警系统及红外对射系统
进行厂区安防系统监控，对于非法入侵进行监视。本系统提供RS485接口接入自控系统，通过GIS （地理信息系统）来展示相关安全信息。1.5全厂环网通信
厂内主干网为万兆多模光纤（MMSC ）以太网。其中控
制网络采用100Mbps 光纤网络，视频及其他系统运行在
1Gbps 光纤以太网络。通过VLan 划分确保各系统互不干涉。通过环网确保网络出现断点时，不会影响各系统运行。
2红光二期数字化的设计与实现
2.1信息化系统
（1）红光污水厂二期自控系统优化思路。
红光污水处理厂二期在现有PLC 自控基础上设立优化后的SCADA （Su 原
pervisory Control And Data Acquisition ）控制系统来优化
整个厂区内各个生产车间及各系统的监视、控制和管理，使各独立的系统有机地整合在一起。
（2）建立全厂设备运行数据库。根据历史运行数据及设备生命期自动生成拟合曲线，
并在设备维护界面展示，对拟合后产生的设备维护预警进行提示，并可通过移动讯息进行下发，方便运维人员进行维护，提高了运维主动性和时效性。
多媒体电教
（3）SCADA 系统与视频系统的结合。污水处理厂的常规自控系统与视频系统是两个独立的系统。在当前大数据的大环境下，怎样将两个独立系统有机结合在一起，提高设备利用率和生产效率，减少生产事故是一个课题。由于是两个不同的系统，在结合的过程中需要跨专业的人才。常规自动化操作员站的监控界面中通常仅显示工艺流程及其相关生产数据，没有可反映生产现场的实时视频数据，或者实时视频数据在其他专有系统如监控系统中，并没有与自控系统进行有机结合。
以往的操作习惯是当操作员想查看生产数据时，在操作员站上查看；当操作员想查看现场实时视频时，
需要到视频专用电脑台位上查看，而监控台位于其它位置。增加了事件处理繁琐程度，造成效率和时效性低下。为此，考虑在操作员站自控界面中增加对应视频监控画面，用于监视生产环境，确保生产安全有序进行。在正常生产或发生故障及其他情况下能第一时间获知现场情况。
当自控与视频结合在一起后，会产生新的需求如效率提升后操作简化的改变。故此，在自控视频中提供了对摄像头的关键操作如上、下、左、右、
远、近、最大化等操作。在最大化界面上点击鼠标右键将会切换至视频窗口。
自控视频监控仅提供实时生产的视频数据，并不取代整个视频系统。历史记录仍存储于网络硬盘录像机或其他存储设备上，不会对现有各系统造成扰动，也不会造成成本增加。实现在工业4.0对信息流的快速流通和处理。
另外，根据当前主流的技术进步情况，引入了人脸识别系统。通过对当前视频流中人脸的识别自动进行巡厂记录和打卡记录，去掉了以往RFID 打卡系统的成本投入和繁琐运维。
为实现以上目的，根据监控组态软件和海康视频监控系统的情况，组织编写了专门的.Net 控件用于实现此目的。
（4）SCADA 系统与周界安防系统的结合。所有安防报警信息如摄像头报警信息及周界报警信息均接
入自控系统。当有报警发生时，摄像头报警信息将会传输至自控界面显示。报警信息按级别分为关键、重要、提示三个级别。关键报警信息产生时，生产界面将会自动跳转至信息所属工艺界面，对应数据会闪烁，且会进行声光报警，提醒操作人员尽快处理。重要信息会在界面底部以红显示。提示信息会在界面底部报警栏以黄提示。
（5）生产安全的提升。对整个厂区进行了相关安全性分析并做出相关处理。重要位置如格栅机等因设备裸露，在无预警情况下启动可能造成人身安全事故。故在此增加了声光报警器。自控系统会在全自动生产模式和手动生产模式等所有模式下，在启动设备前进行声光报警10秒，提示附近人员注意回避，避免人身意外事故产生。配电间因可能存在短路爆炸的情况，配备了热成像摄像头用于监测关键设备的温升情况，并在SCADA 系统中提供运行情况和预警。
（6）冗余功能。对所有IO 站的模块和光纤网环进行冗余设计。对IO 站模块均进行通道冗余，在单一模块出现偶发故障的情况下，冗余系统会自动更正此故障并在SCADA 系统中进行报警提示更换，避免生产中断。冗余环网确保单一环网出现故障时所有通信不会中断，使厂区整体性能由
SIL0级提升至SIL1级。
（7）能耗系统（ES ）。整个厂区各生产车间和重要设备的
配电柜均配备电参表，通过RS485总线及Modbus RTU 协议就近接入各IOStation 。相关参数如总功率、
有功功率、无功功率、视在功率、电压、电流等参数均通过IO 站到达SCADA 系统。界面上按区域显示整体容量及当前已使用容
量的百分比，超过预设容量会产生界面变化及警示内容。为分析运营成本和降低能耗提供决策依据。
（8）一键启停。在分析整个工艺流程和现有自控系统的基础上，结合单级PID （比例/差分/微分）及多级PID 控制，对自动化控制程度进行了提升。将之前各生产车间独立无联系的控制模块进行了有效结合，提供一键启动和停止，有100--
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Technology Innovation and Application设计创新2021年13期
效降低了工作强度和复杂程度。
（9）移动办公系统。提供移动端的web界面，满足了移动办公需求及无纸化办公需求。提供各种数据的历史报表查询和导出。预留了ERP系统接口。
（10）环保数据上传。按国家环保标准要求，通过对进出水仪表间的改造，增加数采仪对出水仪表数据上传至环保专网，满足了环保要求。
（11）信息化系统结构框图（如图1）
图1系统结构框图
2.2智慧水务大数据系统
智慧水务是遵循荆州市“智慧城市”发展规划，通过完善荆州市城区水务信息化基础实施，构建的重点智慧应用系统，目的是提升水务信息化监管能力，促进水务资源信息共享，增加公众服务透明度，丰富城区水环境保护管理手段。智慧水务系统建设的主要目标包括：
（1）加强水务信息感知采集建设，夯实应用基础。信息感知采集设备是数据和应用建设的基础，项目建设覆盖荆州市城区的水文、水质、闸泵监控前端设备，实现城区水信息的全面感知，为智慧水务管理提供基础数据支撑。
美女特工传奇（2）以管水需要为导向，构建“厂、网、河”一体化管控的智慧化业务应用。将荆州市城区水环境治理、保护、管理需求放在首位，积极推动信息化技术在城区水务管理领域的应用，不断完善信息化功能，提高“厂、网、河”一体化运营管理信息化应用水平。
（3）促进水务数据整合共享，业务协同。按照“互联网+”的思路，充分考虑信息技术的发展趋势，促进全市城区水务管理相关信息的资源整合、业务协同、信息共享等多方面互联互通。
（4）统一部署，分级应用。项目充分借助荆州市政务云平台——
—“荆楚云”大数据平台建设的信息化公共基础设施和相关行业的信息资源，实现应用系统的集中部署，便于集中维护和资源共享。针对不同等级用户进行分权分域设置，满足不同用户访问需求和访问权限。智慧水务工程总体框
架由感知采集层、传输网络层、基础设施层、数据资源层、支撑平台层、业务应用层、用户层等7个层次构成，根据整体规划，污水处理厂属于智慧水务系统的子项，而智慧水务属于环境治理的子项，属于智慧水务的数据资源层，是智慧水务的重要数据支撑，荆江环境科技有限公司将建立相关的垂直整体生产指挥系统PKS。据此，在自控系统中预留了大数据接口，以便为上层PKS系统提供数据监视控制接口。其中生产数据（含周界报警信息等）以SCADA系统中的OPC （OLE for Process Control）Server及Modbus TCP Server和
SQL数据库链表形式对外提供，具备完整的可扩展性，满足未来数据要求。视频码流以流媒体服务器形式提供，使带宽降到可接受的合理范围。
由于智慧水务生产指挥系统与红光污水处理厂二期位于不同的物理地点，双方通信需通过广域网（WAN）进行。为保证系统和数据的安全性，在机房设置独立的防火墙，所有未经授权的访问均会被拦截。智慧水务系统通过各种采集方式来采集荆州市内数百个实时水质、水量及泵站等相关数据，获得的大数据经过对应大数据分析系统分析后得到整个荆州市水质情况的实时汇总报表及推荐处理方案。自动执行制定的相关预案，达到对水质、排污、泄洪的自动调节，进一步提升水质及避免城区在雨季内涝。对于不能自动执行的情况，系统自动提交人工处理。整个系统基于“荆楚云”大数据平台，所有生产数据均保存于“荆楚云”上，确保了数据的实时性、安全性和系统的扩展灵活性，并提供了良好的移动拓展性。为领导决策层提供实时有效的决策依据。3红光二期数字化实施的成果
红光污水处理厂二期数字化设计与实现的本质，就是将自动化监控与劳动组织框架和生产工艺流程优化相结合，通过较低资金的投入，提高了自动化程度，优化了系统结构，增加了系统稳定性，培训了人员思想，从软硬件两方面加速了信息的采集、处理和流通过程，最大限度地减轻岗位员工的劳动强度，提升了劳动生产率和生产安全性，降低了人力资源成本和生产营运成本。
红光污水处理厂二期数字化建设带来的管理模式的变革，结合大数据平台，大大提高了每一个生产环节的管理效率，既满足了当前大数据的时代要求，也满足了环保理念发展要求，更向工业4.0和“中国制造2025”的目标迈进了坚实的一步。
参考文献院
[1]谭伟，付浩程.地埋式污水厂电气自动化控制系统设计研究[J].建筑设计管理，2018，35（2）：94-96.美国次贷危机的原因
[2]纪成君，陈迪.“中国制造2025”深入推进的路径设计研究———基于德国工业4.0和美国工业互联网的启示[J].当代经济管理，2016，38（2）：
50-55. 101--
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