CN108107832A - 一种基于数据驱动的污水处理实时监控与优化*** - Google Patents

一种基于数据驱动的污水处理实时监控与优化*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于数据驱动的污水处理实时监控与优化***，属于环境保护领域。该***包括信息采集中心和子监控***，子监控***通过因特网连接到信息采集中心，所述信息采集中心包括依次相连的数据采集服务器、数据分析终端、控制策略反馈终端；所述子监控***包括现场污水处理监控平台、PLC控制***和现场设备。本***能稳定可靠地实现污水处理过程中各工艺单元信息的采集与实时监控，并且能够基于所述子监控***运行数据进行数据挖掘，根据人工智能优化算法决策出合力控制策略，在保证出水质量的前提下，大大减少能源的消耗，节省人力物力。

Description

一种基于数据驱动的污水处理实时监控与优化***
技术领域
本发明涉及一种基于数据驱动的污水处理实时监控与优化***，属于环境保护领域。
背景技术
水是人类生命之源，生存之本。随着工业生产的快速发展，污水排放量也在日益增加，水体污染成为目前最主要的环境问题之一，工业污水未经过处理直接排入天然河道或者人工排水渠道，会造成严重环境污染。由于水受到不同污染源的污染而变成不同的水质，相应的污水处理工艺不尽相同，所包含的工艺设备越来越多，而且对不同设备的信息采集和控制，不可能只通过一种通信技术来实现。随着自动化、信息化和网络化技术的迅速发展，基于各种通信协议的传感器也越来越多，因此对污水处理过程信息监控***中的信息采集技术提出了新的挑战。
并且随着污水处理监控***的增加以及时间的增长，数据库里的数据需要发挥除了直观观测曲线带来的隐藏价值。通过数据挖掘技术结合优化算法评估当前污水处理***的运行状态，并针对其工艺特点进行深入分析最终形成控制策略反馈给污水处理控制平台，提高污水处理效率，充分发挥信息化，自动化的特点，实现近乎无人值守的运行条件。手机、平板等移动终端设备在现代社会已得到广泛普及，基于移动终端的移动物联网技术的发展为用户实现随时随地对环境治理设施进行监管和远程干预提供了可能。因此，提出一种可以适应多种通信协议污水处理监控***已成为改善工作环境，提高工作效率，保证处理水质稳定性的必不可少的环节，对于适应未来数字化、网络化污水处理运营方式具有重大意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于数据驱动的污水处理实时监控与优化***。
本发明提供的一种基于数据驱动的污水处理实时监控与优化***包括信息采集中心和子监控***，所述子监控***通过因特网连接到所述信息采集中心；所述信息采集中心包括依次相连的数据采集服务器、数据分析终端、控制策略反馈终端；所述子监控***包括现场污水处理监控平台、PLC控制***和现场设备，所述PLC控制***与所述污水处理监控平台通过以太网连接，所述现场设备与所述PLC控制***通过RS485或无线通讯连接
在一种实施方式中，所述子监控***还包括远程PC和移动终端，均与所述污水处理监控平台通过互联网相连。
在一种实施方式中，所述数据采集服务器用于存储所述子监控***的污水处理单元的状态数据、现场设备的运行状态数据及水质监测数据。
在一种实施方式中，所述数据分析终端与所述数据采集服务器连接，对采集的污水处理单元的状态数据、现场设备的运行状态数据及水质监测数据进行相应整理与处理，并且根据用户选择的数据分析方法进行相关分析。
在一种实施方式中，控制策略反馈终端根据数据分析的结果与期望运行结果进行比较分析，经过优化决策后，形成控制策略反馈给相应的子监控***。
在一种实施方式中，所述污水处理监控平台包括污水处理单元实时监控界面、电气设备状态监测显示及故障报警界面、历史数据曲线界面、能耗分析界面。
在一种实施方式中，所述污水处理监控平台设置有以太网接口、RS232接口、RS485接口、USB接口。
在一种实施方式中，所述PLC控制***包括PLC主从站，相距较远的主从站通过光纤转换模块采用光纤互相连接，相距较近的主从站直接采用总线方式连接。
在一种实施方式中，所述现场设备包括水泵、阀门、变频器、智能传感器和现场显示控制箱。
在一种实施方式中，其特征在于，所述污水处理监控***包括现场实时视频监控显示。
本发明的基于数据驱动的污水处理实时监控与优化***，解决了污水处理现场设备分散，多种通信方式并存的问题，并通过以太网进行实时数据交换；支持以太网终端查询和控制，无需工作人员定点值班，提高了监控效率；支持数据采集处理分析，反馈控制，在保证出水水质的前提下减少能耗，节省运行成本。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的基于数据驱动的污水处理实时监控与优化***的结构图；
图2为本发明实施例一提供的子监控***结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于数据驱动的污水处理实时监控与优化***作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
请参图1所示，本实施例一提供的基于数据驱动的污水处理实时监控与优化***包括信息采集中心和子监控***。所述信息采集中心和所述子监控***通过因特网互相连接。所述子监控***包括污水处理监控平台、PLC控制***、现场设备和远程PC、包括iPhone、iPad 等在内的手持式移动终端。污水处理单元的状态数据、现场设备的运行状态数据及水质监测数据通过PLC控制***采集，然后再由所述PLC控制***和所述污水处理监控平台通过以太网进行数据交换，或者部分信息通过智能传感器直接传递给所述污水处理监控平台。
所述信息采集中心由数据采集服务器、数据分析终端、控制策略反馈终端组成，三者依次相连。数据采集服务器通过因特网远程采集所述污水处理监控平台的历史数据库信息和当前运行的实时数据，并将采集到的信息存储在所述数据采集服务器的数据库中；所述数据分析终端和所述数据采集服务器相连，所述数据分析终端可以根据使用者的选择按照相应的算法将采集到的数据进行相关预处理，再进行数据挖掘，建模分析；所述控制策略反馈终端和所述数据分析终端相连，所述数据分析终端将分析后的结果送入所述控制策略反馈终端，由所述控制策略反馈终端根据使用者设定的优化的算法进行相关处理分析，经过决策后形成控制策略反馈给相应的污水处理子监控平台，可以实现预测控制、过程监测和故障诊断、经济指标优化等功能。
具体的，所述污水处理监控平台包括污水处理单元实时监控界面、电气设备状态监测显示及故障报警界面、历史数据曲线界面、能耗分析界面。所述PLC控制***包括PLC主从站，其中，相距较远的主从站通过光纤转换模块采用光纤互相连接，相距较近的主从站直接采用总线方式连接。所述现场设备包括水泵、阀门、变频器、智能传感器和现场显示控制箱。
请参考图2所示，本实施例一的子监控***采用虚拟仪器Lab VIEW作为开发平台，SQL Sever作为数据信息管理平台，通过SIMATIC.NET建立的OPC服务器实现与西门子S7-300 PLC的通信，从而实现污水、污泥、加药工艺处理界面的实时监控、设备控制、实时历史数据查询和故障报警等功能。分别通过Modbus协议和USS协议完成流量计实时数据的采集和对西门子MM440变频器的转速控制。现场总线控制方式不仅可以避免现场设备在采用模拟量方式时由于电磁干扰而导致的数据不准确和控制不稳定等问题，而且还能减少PLC主从站和现场布线成本，具有较高的性价比。所述子监控***不仅可以在现场的中控室中进行监控，还可以通过登录浏览器远程实时监测和控制。使得污水在得到有效处理的同时实现了可靠、稳定、灵活的管理与控制。
为了避免水泵空转和污水溢出等问题，各水池液位可在上位机监控平台显示并提示高低位报警，当液位达到高限时，水泵自动开启，低于低限时，水泵自动停止，高液位和低液位可在上位机上随时设置和调整。瞬时流量和累计流量信息在上位机实时显示，通过输入设定流量，对瞬时流量进行实时调整。所有的液位、温度、瞬时流量、累计流量和溶氧量的实时、历史数据均可以实时随机查询并生成EXCEL表格。
本实施例一的子监控***以基于西门子S7-300PLC的Lab VIEW监控***作为控制中心，按照工艺要求设置三个控制等级：现场设备控制，中控室集中控制，异地远程控制；控制优先级依次降低。现场相关处理单元通过传感器将液位、PH、溶氧等信息通过PLC控制***传入上位机，MM440变频器将运行频率信息通过USS总线传入上位机，Lab VIEW和PLC 程序根据传入数据经过相关分析处理后发出控制指令给相应设备，从而实现整个污水处理工艺的自动运行。
恒流量控制算法由上位机完成，通过比较当前流量与设定流量的大小，将差值经PID函数计算处理输出相应的数字信号，经USS总线传入MM440变频器，通过调整MM440变频器频率输出改变水泵转速，使得流量维持稳定。
***中的下位机的PLC程序包括主程序、子程序和中断程序。所述主程序完成***初始化，实时采集现场设备的运行状态数据，协调各子程序顺序运行，使得***达到最优运行。子程序用来实现包括污水单元、曝气环节、加药过程等子功能。中断程序用来采集水泵、电机的运行状态并计算它们的累计运行时间。
上位机软件采用Lab VIEW开发，Lab VIEW是拥有强大通信功能的应用软件，串行通信、 DataSocket技术、网络协议等使得虚拟技术与网络技术相结合，构成了网络化虚拟测视控制***，实现用户自定义解决方案。本***基于Lab VIEW开发平台，通过NIDatabase VI and Function应用程序接口中的DB Tools功能函数实现与SQL数据库的连接，同时将用户信息、故障状态和传感器采集的实时信息存储到数据库中，以便日后查询历史数据。
Lab VIEW可以将应用程序通过Web服务器发布到互联网，管理人员可以方便地在异地通过网页访问Web服务器进行远程控制，提高了整个***管理的灵活性。异地远程控制的优先级低于中控室集中控制和现场设备控制，因此异地访问***时，需要向服务器申请控制权，得到本地允许后可以获取控制权，假如本地锁定控制后，异地是无法取得控制权的，从而保证***的安全运行。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种基于数据驱动的污水处理实时监控与优化***，其特征在于，包括信息采集中心和子监控***，所述子监控***通过因特网连接到所述信息采集中心；所述信息采集中心包括依次相连的数据采集服务器、数据分析终端、控制策略反馈终端；所述子监控***包括现场污水处理监控平台、PLC控制***和现场设备，所述PLC控制***与所述污水处理监控平台通过以太网连接，所述现场设备与所述PLC控制***通过RS485或无线通讯连接。
2.如权利要求1所述的基于数据驱动的污水处理实时监控与优化***，其特征在于，所述子监控***还包括远程PC和移动终端，均与所述污水处理监控平台通过互联网相连。
3.如权利要求1所述的基于数据驱动的污水处理实时监控与优化***，其特征在于，所述数据采集服务器用于存储所述子监控***的污水处理单元的状态数据、现场设备的运行状态数据及水质监测数据。
4.如权利要求1所述的基于数据驱动的污水处理实时监控与优化***，其特征在于，所述数据分析终端与所述数据采集服务器连接，对采集的污水处理单元的状态数据、现场设备的运行状态数据及水质监测数据进行整理与处理，并且根据用户选择的数据分析方法进行分析。
5.如权利要求4所述的基于数据驱动的污水处理实时监控与优化***，其特征在于，控制策略反馈终端根据数据分析的结果与期望运行结果进行比较分析，经过优化决策后，形成控制策略反馈给相应的子监控***。
6.如权利要求1所述的基于数据驱动的污水处理实时监控与优化***，其特征在于，所述污水处理监控平台包括污水处理单元实时监控界面、电气设备状态监测显示及故障报警界面、历史数据曲线界面、能耗分析界面。
7.如权利要求6所述的基于数据驱动的污水处理实时监控与优化***，其特征在于，所述污水处理监控平台设置有以太网接口、RS232接口、RS485接口、USB接口。
8.如权利要求1所述的基于数据驱动的污水处理实时监控与优化***，其特征在于，所述PLC控制***包括PLC主从站，相距较远的主从站通过光纤转换模块采用光纤互相连接，相距较近的主从站直接采用总线方式连接。
9.如权利要求1所述的基于数据驱动的污水处理实时监控与优化***，其特征在于，所述现场设备包括水泵、阀门、变频器、智能传感器和现场显示控制箱。
10.如权利要求1所述的基于数据驱动的污水处理实时监控与优化***，其特征在于，所述污水处理监控***包括现场实时视频监控显示。
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