污水處理廠控制系統(tǒng)發(fā)展前景的思考與探討

李 濱

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

1 背景

當(dāng)前，我們社會正處在一個偉大的技術(shù)變革中，新技術(shù)、新產(chǎn)品、新經(jīng)濟(jì)不斷涌現(xiàn)。2017年阿里巴巴 “雙11”交易額定格在1 682億元，1天的交易額超越了世界上100多個國家的GDP，互聯(lián)網(wǎng)特別是移動互聯(lián)網(wǎng)成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動力；2017年5月圍棋人工智能程序AlphaGo以3:0戰(zhàn)勝世界圍棋第一人柯潔，在人類最復(fù)雜棋類中超越了人類棋手花了漫長時間積累起來的知識體系；2017年10月新版圍棋人工智能程序AlphaGo Zero自學(xué)3天100：0碾壓舊版AlphaGo，代表著人工智能最新成就，人工智能成為技術(shù)發(fā)展的最大亮點(diǎn)。

對于這次技術(shù)變革對工業(yè)的帶來影響，國際上有兩個觀點(diǎn)：德國的“工業(yè)4.0”，偏重于智能化發(fā)展方向；美國的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，偏重于信息化發(fā)展方向。

以德國政府為首的歐洲國家認(rèn)為目前正處在第四次工業(yè)革命（工業(yè)4.0）中，2013年4月德國政府經(jīng)濟(jì)與能源署在漢諾威工業(yè)博覽會上正式提出工業(yè)4.0的概念。他們認(rèn)為工業(yè)1.0為以蒸汽機(jī)為代表的機(jī)械化革命；工業(yè)2.0為以生產(chǎn)流水線為代表的電氣化革命；工業(yè)3.0為以計算機(jī)/PLC為代表的自動化革命；工業(yè)4.0為以信息物理融合系統(tǒng)、AI（人工智能）、物聯(lián)網(wǎng)為代表的智能化革命。工業(yè)4.0主要表現(xiàn)在數(shù)字化深入生產(chǎn)第一線，以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，以人工智能為手段，打造智能工廠，實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)。

以美國GE公司為首的大企業(yè)認(rèn)為目前的技術(shù)變革應(yīng)該是工業(yè)與網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)深度融合，互聯(lián)網(wǎng)需要進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，與制造業(yè)結(jié)合，拉動社會的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此美國GE公司提出了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的概念，它將智能設(shè)備、人和數(shù)據(jù)全面連接起來，并以智能的方式利用這些交換的數(shù)據(jù)。同時，AT&T、思科（Cisco）、通用電氣（GE）、IBM、英特爾 (intel)已在美國成立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC），以期打破技術(shù)壁壘，促進(jìn)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展。

在中國，工業(yè)體系較為復(fù)雜，與發(fā)達(dá)國家相比，很多產(chǎn)業(yè)正處于第二次工業(yè)革命及第三次工業(yè)革命進(jìn)程中，因此國家提出了“中國制造2025”產(chǎn)業(yè)化方向，從易到難、從簡到繁，以現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢入手，通過“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃跨界整合形成創(chuàng)新型信息社會，用信息化手段推動工業(yè)革命，實(shí)現(xiàn)智能制造的工業(yè)強(qiáng)國。

2015年3月5 日十二屆全國人大三次會議上，李克強(qiáng)總理在政府工作報告中首次提出“中國制造2025”的宏大計劃，推動移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等與現(xiàn)代制造業(yè)結(jié)合。2015年3月25日李克強(qiáng)總理組織召開國務(wù)院常務(wù)會議，審議通過了“中國制造2025”，用信息化和工業(yè)化兩化深度融合來引領(lǐng)和帶動整個制造業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)智能制造升級。2016年4月李克強(qiáng)總理主持召開國務(wù)院常務(wù)會議，會議通過了《裝備制造業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化和質(zhì)量提升規(guī)劃》，要求強(qiáng)化對接《中國制造2025》。

由此可見，不管從國際上還是從中國政府層面，信息化、智能化是本次技術(shù)變革的兩個最主要方向[1-5]。

2 污水處理廠控制系統(tǒng)及設(shè)計發(fā)展歷程

1923年中國建成第一座污水處理廠-由英國人投資建設(shè)的上海北郊污水處理廠，那時污水廠沒有自控系統(tǒng)，純粹靠手動控制。

二十世紀(jì)六、七十年代，國內(nèi)污水處理廠才開始設(shè)置了一些簡單的檢測儀表如液位計、壓力表、溶解氧測量儀等，對污水處理過程進(jìn)行監(jiān)視。同時為了設(shè)計這些內(nèi)容，部分大型市政設(shè)計院成立了自控儀表專業(yè)。

二十世紀(jì)八十年代改革開發(fā)后，由于國內(nèi)建設(shè)資金短缺，污水處理廠開始大規(guī)模利用歐洲政府貸款、世行貸款、日本協(xié)力基金貸款等國外資金進(jìn)行建設(shè)。這些國外貸款項(xiàng)目自動化控制系統(tǒng)均由國外工程公司進(jìn)行設(shè)計建設(shè)。國外資金建設(shè)項(xiàng)目帶來了先進(jìn)的自控設(shè)計理念，國內(nèi)設(shè)計院在和國外工程公司合作的基礎(chǔ)上，逐步學(xué)習(xí)和掌握了污水處理廠控制系統(tǒng)設(shè)計。

到了二十世紀(jì)九十年代未，隨著中國國內(nèi)經(jīng)濟(jì)實(shí)力逐步增強(qiáng)，采用國外資金建設(shè)污水處理廠的方式逐步退出市場，改為由政府、企業(yè)等出資進(jìn)行污水廠建設(shè)，由國內(nèi)設(shè)計院主導(dǎo)來設(shè)計的污水處理廠控制系統(tǒng)。

至今，國內(nèi)污水處理廠控制系統(tǒng)設(shè)計及設(shè)備配置與國外同行業(yè)相比已經(jīng)不相上下，處于同等水平。隨著技術(shù)變革的來臨，我們需要一些設(shè)計觀念的轉(zhuǎn)變和突破，來實(shí)現(xiàn)超越，使國內(nèi)設(shè)計理念及控制系統(tǒng)配置達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

目前，污水處理廠控制系統(tǒng)以自控系統(tǒng)為主，以視頻監(jiān)控、周界報警系統(tǒng)為輔，采用的是以“分散控制，集中管理”為原則，具有分層遞階結(jié)構(gòu)的分布式集散型PLC控制系統(tǒng)。

3 污水處理廠控制系統(tǒng)新趨勢

近年來，隨著電子信息技術(shù)及社會經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，污水處理廠控制系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)施也正處于一個技術(shù)變革的時期，對控制系統(tǒng)的需求、設(shè)計、結(jié)構(gòu)以及控制要求出現(xiàn)了一些新趨勢：

（1）減少人力成本，向“少人（無人）值守”方向發(fā)展

隨著各地經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來越富裕、人力成本越來越高，污水處理廠需要考慮降低人力成本，提高勞動生產(chǎn)率，因此要求污水處理廠工藝機(jī)械設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)就地自動控制，中控室遠(yuǎn)程監(jiān)控。這就需要增加多種智能化檢測手段并能進(jìn)行智能化判斷，減少操作人員的工作強(qiáng)度，達(dá)到正常運(yùn)行時現(xiàn)場少人（無人）值守，操作人員定時巡檢。

（2）降低能耗，采用精細(xì)化智能控制

一直以來污水處理廠能耗大的問題重視不夠，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，排放標(biāo)準(zhǔn)的提升，污水處理廠能耗越來越大，這使得污水處理廠能耗的問題越來越受到重視。目前常規(guī)的自動化控制手段還比較粗放，對電耗、藥耗控制不夠精細(xì)化，導(dǎo)致能耗較高，需要采用精細(xì)化智能控制手段來有效的降低能耗。譬如曝氣鼓風(fēng)機(jī)是電耗大戶，占污水處理廠用電成本一半左，若采用基于模型算法的智能曝氣控制系統(tǒng)的話，可節(jié)能電耗10%~20%左右。

（3）加強(qiáng)管理決策，提高信息化管理手段

隨著現(xiàn)代企業(yè)制度的建立，污水處理廠對管理決策的需求也越來越高，需要對全廠進(jìn)行實(shí)時地、動態(tài)地監(jiān)視，用信息化的手段，科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)有效的方法，達(dá)到管理、調(diào)度、控制的目的，為運(yùn)行管理決策提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)社會效益的最大化，因此需要建立廠級信息化管理平臺。

（4）保障人員安全，增加智能化檢測方法

污水處理廠會產(chǎn)生有毒有害氣體，及易造成人員傷害，例如地下式污水處理廠生物反應(yīng)池蓋板下觀察生物反應(yīng)池水面曝氣狀況，目前只能采用目視觀察法觀察生物反應(yīng)池水面曝氣狀況，會增加了操作人員的工作強(qiáng)度及危險性。因此需要增加智能化檢測手段來代替人工，對污水處理廠進(jìn)行監(jiān)視。

綜上所述，污水處理廠控制系統(tǒng)不僅僅要滿足生產(chǎn)控制的要求，還需要進(jìn)行管理決策，減少人力成本，節(jié)能降耗，保障人員安全。因此污水處理廠控制系統(tǒng)除常規(guī)的自動化系統(tǒng)外，還需要增加智能化、信息化管控手段，來實(shí)現(xiàn)智慧控制的目的。

4 污水處理廠智慧控制系統(tǒng)

污水處理廠控制系統(tǒng)應(yīng)該積極吸取工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的先進(jìn)理念，對接《中國制造2025》，采用先進(jìn)的信息化、智能化技術(shù)，結(jié)合自動化技術(shù)，三化融合建設(shè)高度現(xiàn)代化的污水廠智慧控制系統(tǒng)，見圖1。

圖1 智慧控制系統(tǒng)框架

污水處理廠智慧控制系統(tǒng)由自動化檢測控制系統(tǒng)、智能化監(jiān)控系統(tǒng)、信息化管理系統(tǒng)組成。自動化檢測控制系統(tǒng)是生產(chǎn)控制的基礎(chǔ)，檢測是排水工程的“眼睛”、自動化控制是污水處理廠基礎(chǔ)的控制手段；智能化監(jiān)控系統(tǒng)是自動化檢測控制系統(tǒng)重要的補(bǔ)充，拓展了污水處理廠控制系統(tǒng)觀察、控制手段的廣度；信息化管理系統(tǒng)是對自動化檢測控制系統(tǒng)、智能化監(jiān)控系統(tǒng)的生產(chǎn)信息進(jìn)行挖掘，同時納入了經(jīng)營管理決策的內(nèi)容，增加了污水處理廠生產(chǎn)管理的深度。

（1）自動化

自動化檢測控制系統(tǒng)一直是污水處理廠控制系統(tǒng)最重要的部分，也是發(fā)展最成熟的部分，它包括自動化檢測儀表、自動化控制系統(tǒng)兩塊內(nèi)容，能監(jiān)視與控制全部工藝流程及設(shè)備的運(yùn)行，對主要生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動控制，提供實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸、圖形顯示、控制設(shè)定調(diào)節(jié)、趨勢顯示、超限報警及制作報表等功能。

在智慧控制系統(tǒng)的框架內(nèi)，自動化檢測控制系統(tǒng)是變動最小的部分，主要對其進(jìn)行優(yōu)化，針對生產(chǎn)控制、運(yùn)行管理需要在原有基礎(chǔ)上補(bǔ)充完善自動化檢測儀表、自動化控制裝置，達(dá)到污水處理廠遙測、遙訊、遙控和遙調(diào)的要求，在中控室進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的目的。

（2）智能化

智能化監(jiān)控系統(tǒng)包括安全防范系統(tǒng)、智能化應(yīng)用系統(tǒng)、智能化集成平臺等。安全防范系統(tǒng)是通過視頻及其他的技防、物防等手段，保障污水處理廠的生產(chǎn)運(yùn)行安全和人員安全，包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)、周界報警系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、電子巡更系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)等；智能化應(yīng)用系統(tǒng)是對自動化控制系統(tǒng)增加智能檢測和控制手段，達(dá)到節(jié)能降耗和現(xiàn)場無人化監(jiān)控，包括智能曝氣控制系統(tǒng)、智能加藥控制系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)等；智能化集成平臺是對智能化系統(tǒng)進(jìn)行集成，具有信息采集、數(shù)據(jù)通信、綜合分析處理、可視化展現(xiàn)等功能。

原有污水處理廠控制系統(tǒng)中智能化監(jiān)控系統(tǒng)只有部分內(nèi)容，主要為視頻監(jiān)控系統(tǒng)、周界報警系統(tǒng)，其余部分均不全。在智慧控制系統(tǒng)的框架內(nèi)，智能化監(jiān)控系統(tǒng)在原有的基礎(chǔ)上增加了許多新內(nèi)容，它與自動化檢測控制系統(tǒng)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)污水廠現(xiàn)場真正無人化值守的目的。

（3）信息化

信息化管理系統(tǒng)包括信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、企業(yè)生產(chǎn)管理信息平臺等。信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是以信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，利用先進(jìn)的信息化手段和工具，建立信息化基礎(chǔ)服務(wù)硬件平臺，包括信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（WIFI）、物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)、移動APP應(yīng)用等，地下式污水處理廠還包括移動通信室內(nèi)信號覆蓋系統(tǒng)和無線對講系統(tǒng)等；企業(yè)生產(chǎn)管理信息平臺側(cè)重于軟件方面，它將生產(chǎn)監(jiān)控與運(yùn)行決策管理有機(jī)地結(jié)合起來，在企業(yè)管理層和現(xiàn)場自動化控制層之間起到了承上啟下的作用，實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)行調(diào)度、統(tǒng)計報表、管理設(shè)備、成本分析、計劃管理、企業(yè)體系管理、提升廠級生產(chǎn)管理效率和運(yùn)營水平信息化管理目標(biāo)。

原有污水處理廠控制系統(tǒng)中信息化管理系統(tǒng)基本沒有這部分內(nèi)容或很少。在智慧控制系統(tǒng)的框架內(nèi)，信息化管理系統(tǒng)應(yīng)與污水處理廠管理體系、管理機(jī)制相匹配，聚合污水處理廠各類信息，為政府、廠級管理層、現(xiàn)場操作人員乃至社會公眾提供生產(chǎn)管理信息化服務(wù)，實(shí)現(xiàn)污水廠的整體調(diào)度、智能監(jiān)管、信息展示等智慧功能。

5 結(jié)語

隨著社會進(jìn)步及科技發(fā)展，污水處理廠控制系統(tǒng)應(yīng)順應(yīng)技術(shù)變革的潮流，吸收國際上工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的先進(jìn)理念，緊跟《中國制造2025》國家政策，采用自動化、智能化、信息化技術(shù)，三化融合建設(shè)污水廠智慧控制系統(tǒng)，促進(jìn)污水處理廠控制技術(shù)、生產(chǎn)管理及信息服務(wù)水平的提高，保證污水處理廠運(yùn)行安全可靠，改善勞動條件，工藝運(yùn)行穩(wěn)定，出水達(dá)標(biāo)排放。