農(nóng)村污水處理的管控一體化系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

周 非，杜樹新，劉付臣，蘇同輝

（1.湖州師范學(xué)院 工學(xué)院，浙江 湖州 313000；2.杭州海知慧環(huán)境科技有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

隨著農(nóng)村污水處理站點建設(shè)的快速推進，導(dǎo)致污水處理運營監(jiān)管的難度逐漸加大。傳統(tǒng)的農(nóng)村污水處理一般采用就地管理模式，當(dāng)污水處理站點數(shù)量逐漸增多時，無法實現(xiàn)污水的高效處理，同時也缺乏對多個站點的集中高效管理。為解決這個問題，逐步形成了“分布控制、集中管理”的農(nóng)村污水管控模式。

本論文針對“分布控制、集中管理”的農(nóng)村污水管控模式，設(shè)計開發(fā)了一套管控一體化系統(tǒng)，實現(xiàn)了對農(nóng)村污水處理現(xiàn)場設(shè)備的自動控制與數(shù)據(jù)采集，以及多站點的軟件管理，以滿足農(nóng)村污水處理的運營管理需求。

1 農(nóng)村污水處理工藝及管控一體化要求

農(nóng)村污水處理按照工藝劃分為三部分，如圖1所示。包括污水預(yù)處理系統(tǒng)、生化處理系統(tǒng)、生態(tài)處理系統(tǒng)，每部分都有相應(yīng)的控制功能，包括對流量的控制、溶解氧風(fēng)機的控制以及提升泵的控制。系統(tǒng)可以完成污水處理的設(shè)備管理、遠程操作、報表生成及事件上報，對實時采集的設(shè)備及水質(zhì)數(shù)據(jù)進行處理分析與展示等。操作人員可以觀察各處理點各工藝流程段的實時工況、各工藝參數(shù)的歷史曲線，能夠及時掌握全區(qū)域農(nóng)村污水處理站點的運行情況。

圖1 農(nóng)村污水處理基本工藝流程

農(nóng)村污水處理管控一體化系統(tǒng)基于“分布控制、集中管理”模式，建立了高效、人性化且便于擴展的系統(tǒng)，以便滿足后期業(yè)務(wù)拓展的需求。要求系統(tǒng)集監(jiān)測、控制和調(diào)度管理于一體，完成對整個工藝過程及全部污水處理設(shè)備的監(jiān)測與自動控制。

2 管控一體化系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

2.1 管控一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要分為兩部分，如圖2所示?，F(xiàn)場設(shè)備的控制主要通過傳感器采集污水處理過程中的生產(chǎn)參數(shù)、工藝參數(shù)，比如液位、pH值、溶解氧等數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析處理后，通過PLC對開關(guān)閥、提升泵等進行控制和調(diào)節(jié)。并通過通信模塊定時將現(xiàn)場采集的生產(chǎn)/工藝數(shù)據(jù)、設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)等上傳到集中管理系統(tǒng)，由集中管理系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理與展示。管理系統(tǒng)的開發(fā)主要包括對出水水質(zhì)錄入、設(shè)備運行狀態(tài)管理、污水處理運維管理過程中事件管理、巡檢管理、圖表分析等功能的開發(fā)。

圖2 農(nóng)村污水處理管控一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)以MySQL作為后臺數(shù)據(jù)庫，根據(jù)系統(tǒng)的實際需求分為基本數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。

（1）基本數(shù)據(jù)庫包括登錄人員權(quán)限、菜單管理等內(nèi)容；

（2）監(jiān)測數(shù)據(jù)庫負責(zé)現(xiàn)場設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)存儲；

（3）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫包括報表管理、事件管理等內(nèi)容。

根據(jù)具體的業(yè)務(wù)需求將需要設(shè)計的功能模塊轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表。數(shù)據(jù)庫表主要包括農(nóng)村污水處理各站點信息表、現(xiàn)場被控設(shè)備工作狀況信息表、實時污水指標數(shù)據(jù)表、處理后排放水質(zhì)數(shù)據(jù)表、巡檢任務(wù)表、事件上報表等。

2.3 管控一體化系統(tǒng)開發(fā)

2.3.1 系統(tǒng)核心框架與數(shù)據(jù)流

管控一體化系統(tǒng)基于前后端分離架構(gòu)，集成了MySQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)。前端以Node.js搭建服務(wù)器端運行環(huán)境，通過前端框架Vue.js和頁面布局框架Element UI完成系統(tǒng)功能邏輯和模塊界面設(shè)計。Vue.js是一種輕量級的前端框架，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向綁定與響應(yīng)式數(shù)據(jù)變化，從而實現(xiàn)對初始數(shù)據(jù)項的觀察，可有針對性的對頁面數(shù)據(jù)發(fā)生的變化進行監(jiān)聽，在數(shù)據(jù)交互較大、較多的模塊頁面具有較快的響應(yīng)速度。能夠?qū)ΤＳ玫墓δ苣K進行封裝，以組件的形式在系統(tǒng)任何地方調(diào)用。將基于Ajxs的Axios進行二次封裝后調(diào)用后端接口，與后臺數(shù)據(jù)交互。最后借助Nginx進行反向代理，將項目部署到業(yè)務(wù)服務(wù)器上。

后端基于SpringBoot框架開發(fā)，通過MyBits實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的映射與操作，并使用Maven作為項目管理工具完成后臺開發(fā)。SpringBoot提供了一系列start pom工具用以對Maven的依賴加載進行簡化，且可通過引入特定語句實現(xiàn)依賴包的自動加載。在加載Spring項目時會根據(jù)在類路徑中的jar包自動配置Bean，可大幅減少手動引入的配置操作。

2.3.2 現(xiàn)場設(shè)備控制

采用西門子S7-300 PLC對農(nóng)村污水處理現(xiàn)場設(shè)備進行控制，被控設(shè)備如閥門、提升泵、風(fēng)機，以及各類傳感器（液位傳感器、pH傳感器等連接PLC的I/O口）。系統(tǒng)借助PLC通信模塊連通PLC，對現(xiàn)場設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集和控制。

2.3.3 集中管理

（1）設(shè)備管理

系統(tǒng)通過PLC數(shù)據(jù)通信模塊獲取控制設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，并根據(jù)當(dāng)前的生產(chǎn)要求和控制要求控制設(shè)備的啟動和停止。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時停止上下級設(shè)備的運行，將故障情況反饋給后臺，派遣相關(guān)人員進行修理。

（2）事件管理

事件管理模塊分為事件上報和事件處理兩部分，各站點工作人員將本站點發(fā)生的事件新增上報到系統(tǒng)，系統(tǒng)提醒專人對事件進行處理，包括各站點物資的需求以及突發(fā)事件。

（3）水質(zhì)錄入

對各站點不同時間段的進/出水口水質(zhì)進行檢測，水質(zhì)數(shù)據(jù)如pH值、溶解氧等由系統(tǒng)采集并自動錄入，工作人員需確認水質(zhì)登記表。水質(zhì)數(shù)據(jù)錄入到系統(tǒng)，方便后期各污水處理站點對比污水處理成效。

（4）圖表分析

圖表分析指將各站點的進/出水水質(zhì)通過圖表顯示相應(yīng)的指標項含量，能有效、直觀地知曉當(dāng)前各站點的污水處理情況以及污水處理效率，對后期各站點的水處理效率的評估具有重要的參考作用。

（5）巡檢管理

巡檢管理包括巡檢周期、巡檢任務(wù)的設(shè)定和巡檢信息的錄入。首先由管理人員統(tǒng)一確定巡檢周期，包括日檢、周檢、年檢等，后期生成巡檢任務(wù)并計算剩余有效天數(shù)，實現(xiàn)定期對相關(guān)站點設(shè)備、物資等的檢查。巡檢人員在巡檢各站點時，將巡檢信息（如巡檢位置、巡檢設(shè)備圖片等）錄入巡檢管理系統(tǒng)中。

3 應(yīng)用效果

農(nóng)村污水處理管控一體化系統(tǒng)已投入浙江某農(nóng)村試點使用，其主要成效包括如下幾方面：

（1）系統(tǒng)建設(shè)完成后，運維人員可以觀測到各站點設(shè)備的實時工作情況，并能夠遠程控制現(xiàn)場設(shè)備，實現(xiàn)對農(nóng)村污水處理的控制。

（2）農(nóng)村污水處理的所有報表文件都通過系統(tǒng)線上發(fā)送傳遞，降低了紙質(zhì)文件運輸、保管的成本，提高了工作人員的工作效率。

（3）各類事件提交時，系統(tǒng)會實時給予提示反饋，避免事件被遺漏，提高事件處理效率。

（4）定期對農(nóng)村污水處理過程中的各類設(shè)備及物品進行巡檢，減少設(shè)備突發(fā)故障的次數(shù)，延長設(shè)備的使用壽命。

（5）系統(tǒng)對整片區(qū)域的污水處理站點進行統(tǒng)一管理，可以收集所有站點運行過程中的數(shù)據(jù)并進行分析，從而發(fā)現(xiàn)農(nóng)村污水處理的高效運行模式，方便下一步計劃的實施。

圖3所示為農(nóng)村污水站點分布界面，可通過地圖直觀呈現(xiàn)各分布站點的地理位置。圖4所示為工作人員水質(zhì)錄入界面，對各站點的進出水水質(zhì)情況進行統(tǒng)一登記。圖5所示為圖表分析數(shù)據(jù)可視化界面，設(shè)為折線圖和柱狀圖兩種可切換模式，可較為直觀地呈現(xiàn)不同時間段各站點的出水水質(zhì)情況，以此判斷各站點的工作效率。

圖3 農(nóng)村污水站點分布圖

圖4 水質(zhì)錄入界面

圖5 圖表分析界面

4 結(jié) 語

農(nóng)村污水處理的管控一體化系統(tǒng)依據(jù)“分布控制、集中管理”的設(shè)計模式，分析了農(nóng)村污水處理過程中的功能需求。運用PLC遠程通信、數(shù)據(jù)庫、前后端分離技術(shù)，根據(jù)功能需求設(shè)計了事件處理、設(shè)備管理、水質(zhì)錄入、巡檢管理、圖表分析等功能。在實際上線使用中，系統(tǒng)應(yīng)用效果良好，能夠滿足農(nóng)村污水處理管理的各種需求，有效實現(xiàn)了對農(nóng)村污水站點的智能化、信息化管理。同時系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)分析功能，能夠發(fā)現(xiàn)污水處理效率較高的站點，為提高農(nóng)村地區(qū)的污水處理效率提供有力的數(shù)據(jù)支撐。