基于GPRS的物聯(lián)網(wǎng)終端應(yīng)用到污水處理監(jiān)控系統(tǒng)

本項(xiàng)目針對(duì)分布范圍廣、布局復(fù)雜的污水處理控制系統(tǒng)提出了一種較好的方法？應(yīng)用三菱Q系列PLC等設(shè)備及GPRS無(wú)線通訊技術(shù)，構(gòu)建了基于GPRS的物聯(lián)網(wǎng)終端污水處理網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線遠(yuǎn)程多級(jí)監(jiān)控？該項(xiàng)目在實(shí)際應(yīng)用中能夠運(yùn)行正常，性能穩(wěn)定、可靠，監(jiān)控界面友好直觀，操作簡(jiǎn)便？這種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，使自動(dòng)控制系統(tǒng)更加具有實(shí)用性和靈活性？這也正是一種物聯(lián)網(wǎng)概念的體現(xiàn)與運(yùn)用？

1引言

在傳統(tǒng)污水處理工業(yè)中，一直存在著監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分散，有線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸有限？污水處理作為工業(yè)生產(chǎn)的附加產(chǎn)業(yè)，為提高生產(chǎn)效益，降低工程費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、少人甚至無(wú)人監(jiān)管具有重要的意義？將網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍更廣、網(wǎng)絡(luò)連接更方便的GPRS技術(shù)應(yīng)用到污水處理監(jiān)控系統(tǒng)，與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器相融合，從根本上解決原有問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控？

2 GPRS技術(shù)簡(jiǎn)介

GPRS（General Packet Radio Service），通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)，是一種基于GSM系統(tǒng)的無(wú)線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無(wú)線IP連接？通俗地講，GPRS是一項(xiàng)高速數(shù)據(jù)處理的技術(shù)，方法是以“分組”的形式將資料到傳送用戶手上？GPRS被廣泛應(yīng)用于www瀏覽、信息查詢，遠(yuǎn)程監(jiān)控等領(lǐng)域？GPRS除了頻段、頻帶寬度、突發(fā)結(jié)構(gòu)、無(wú)線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、跳頻規(guī)則以及TDMA幀結(jié)構(gòu)與GSM相同，還具有以下的特點(diǎn)：

1）高速傳輸

可以穩(wěn)定地傳送大容量的高質(zhì)量音頻與視頻文件，實(shí)際應(yīng)用中GPRS可提供高達(dá)56~115 kb/s的傳輸速度，最高理論值能達(dá)171.2kb/s？

2）永遠(yuǎn)在線

當(dāng)進(jìn)行通信時(shí)，只要能夠得到無(wú)線信道，GPRS就能建立連接；而用戶處于“在線”狀態(tài)，不需使用撥號(hào)Modem建立連接。

3）價(jià)格低廉

對(duì)于分組交換模式，用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用資源，多個(gè)用戶可高效率地共享同一無(wú)線信道，從而提高了資源的利用率？計(jì)費(fèi)以用戶通信的數(shù)據(jù)量為主要依據(jù)？［1］

綜合上述技術(shù)特點(diǎn)，GPRS技術(shù)特別適用于間斷的，突發(fā)性的或頻繁的少量的數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)合。

3 污水處理工藝簡(jiǎn)介

我國(guó)污水處理相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家而言起步較晚，目前城市污水處理率只有6.7%？結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況，參考國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，建設(shè)污水處理廠應(yīng)符合節(jié)約投資，降低成本，減少占地，除氮效果顯著以及與現(xiàn)代技術(shù)有機(jī)結(jié)合等幾個(gè)發(fā)展方向？

本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的污水處理廠網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用分級(jí)處理工藝，分為一級(jí)處理和二級(jí)處理？一級(jí)處理采用物化方法，通過(guò)格柵攔截、沉淀等手段去除原水中大塊懸浮物和砂粒等物質(zhì)？二級(jí)處理則采用生物方法，通過(guò)微生物接觸氧化，水下曝氣等工藝來(lái)去除原水中的懸浮性、溶解性有機(jī)物以及氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽？工藝流程如圖3.1所示。

圖3.1系統(tǒng)工藝流程圖。

4 污水處理網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

4.1硬件系統(tǒng)架構(gòu)

對(duì)于污水處理廠而言，存在大量傳感器、控制器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，他們通常相當(dāng)零散的分布在較大的范圍內(nèi)，由他們構(gòu)成的控制底層網(wǎng)絡(luò)，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制信息量不大，信息傳輸?shù)娜蝿?wù)較簡(jiǎn)單，但對(duì)其傳輸信息的實(shí)時(shí)性、快速性要求較高。又因?yàn)槲鬯幚淼乃伢w積都較為龐大，更導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集點(diǎn)相對(duì)分散，距離遠(yuǎn)，不便于集中管理。因此，本系統(tǒng)采用三菱PLC+CC-Link+ GPRS組成雙層網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)？硬件系統(tǒng)由PLC系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、GPRS通訊、遠(yuǎn)程監(jiān)控上位PC機(jī)4個(gè)部分組成？硬件結(jié)構(gòu)圖如4.1.

圖4.1污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖


根據(jù)污水處理的工藝要求，選用三菱Q00J的CUP作為主站，用F700變頻器，遠(yuǎn)程輸入、遠(yuǎn)程輸出、遠(yuǎn)程A/D模塊，F(xiàn)X2N系列PLC作為從站，構(gòu)成污水處理的CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)場(chǎng)總線就是通過(guò)一對(duì)傳輸線將分散孤立的帶有通訊功能的自動(dòng)化設(shè)備或模塊互聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)。它作為紐帶將掛在總線上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成自動(dòng)化系統(tǒng)，把通訊線路延伸到現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)設(shè)備，構(gòu)成生產(chǎn)自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀表互聯(lián)的現(xiàn)場(chǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)。

各現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備分別作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間、現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間的信息傳遞與溝通。向上傳送信息實(shí)現(xiàn)資源共享、集中管理，向下延伸擴(kuò)大控制規(guī)模、分散控制。完成各種復(fù)雜的綜合自動(dòng)化功能。

CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有節(jié)省配線，實(shí)現(xiàn)高速通信，使系統(tǒng)更加具有靈活性的特點(diǎn)。同時(shí)具有豐富的功能：簡(jiǎn)單的系統(tǒng)組態(tài)功能，自動(dòng)刷新功能，豐富的RAS（Reliability Availability Serviceability）功能，預(yù)約站功能，備用主站功能，子站脫離功能，自動(dòng)上線功能，監(jiān)控功能等。

CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運(yùn)用于控制系統(tǒng)，極大的提高了控制系統(tǒng)的靈活性和可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)控制系統(tǒng)的一體化和協(xié)調(diào)性。

將FX2N系列的RS-422內(nèi)置接口連接HMI（Human Machine Interface）人機(jī)界面接口，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制；將FX2N系列FX2N-485-BD擴(kuò)展接口與DTU（Data Transfer unit）連接。DTU全稱為數(shù)據(jù)傳輸單元（沈陽(yáng)市興達(dá)科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)），是專門用來(lái)將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送的無(wú)線終端設(shè)備。它具有組網(wǎng)迅速靈活，建設(shè)周期短、成本低，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，安全保密性能高的優(yōu)點(diǎn)。DTU上電運(yùn)行后先注冊(cè)到移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)，然后與后臺(tái)中心建立SOCKET連接，后臺(tái)中心作為SOCKET的服務(wù)端？DTU是SOCKET連接的客戶端？在建立連接后，前端的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和后臺(tái)中心就可以通過(guò)DTU進(jìn)行雙向無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸？［2］從而實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的無(wú)線遠(yuǎn)程控制與監(jiān)視。

4.2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由PLC編程，上位機(jī)監(jiān)控和HMI的觸摸屏人機(jī)界面構(gòu)成SCADA（Supervisor Control And Data Acquisiti）系統(tǒng)。

考慮到運(yùn)行的安全性和靈活性，系統(tǒng)有自動(dòng)、手動(dòng)2種操作方式，且2種操作方式互相獨(dú)立？在自動(dòng)方式下，PLC取得完全的控制權(quán)，它根據(jù)預(yù)定的工藝流程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制？上位機(jī)起“監(jiān)視”的作用，只有檢測(cè)到異常時(shí)，它才會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)以提醒工作人員？在步操和點(diǎn)操下，PLC處于等待狀態(tài)，上位機(jī)根據(jù)操作人員從輸入設(shè)備輸入的信息向PLC發(fā)出相應(yīng)的指令，然后，PLC才控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的動(dòng)作？手動(dòng)操作是指根據(jù)畫面上的步序開關(guān)或閥門來(lái)控制設(shè)備的運(yùn)行？各步序通過(guò)時(shí)間或根據(jù)水質(zhì)、工藝要求來(lái)控制？

4.2.1 PLC程序設(shè)計(jì)

通過(guò)PLC編程實(shí)現(xiàn)污水處理流程的控制，設(shè)計(jì)系統(tǒng)包含自動(dòng)、手動(dòng)2種互相獨(dú)立的操作方式？Q主站實(shí)現(xiàn)開關(guān)量以及模擬輸入量的采集，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)CC-Link網(wǎng)絡(luò)傳送給變頻器和FX等從站，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制。FX從站主要負(fù)責(zé)與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的通信和具體的污水處理過(guò)程，包括泵的開啟，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)等。

針對(duì)污水處理工藝以及需要采集的數(shù)據(jù)信息，編寫PLC程序，其流程圖如下圖？

圖4.2 PLC程序設(shè)計(jì)

4.2.2易控組態(tài)軟件

由于對(duì)污水處理的多項(xiàng)工藝指標(biāo)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，保證工藝要求，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)情況又十分復(fù)雜，不適宜工作人員長(zhǎng)期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作，因此為了便于工作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，我們借助易控組態(tài)軟件建立監(jiān)控系統(tǒng)。組態(tài)軟件具有豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、靈活的組態(tài)方式和數(shù)據(jù)鏈接功能，用其構(gòu)造監(jiān)控系統(tǒng)能大大縮短開發(fā)時(shí)間，并能保證系統(tǒng)的質(zhì)量？操作人員可以通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控畫面向PLC發(fā)出各種控制命令，還可同時(shí)將PLC的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集回來(lái)，在用戶畫面上用狀態(tài)圖、趨勢(shì)圖或棒圖等動(dòng)態(tài)圖表和圖形表示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的全程監(jiān)控，易控軟件系統(tǒng)還具有實(shí)時(shí)報(bào)警和歷史數(shù)據(jù)保存等功能。

本項(xiàng)目中，將易控軟件中的CDMA_GPRS通信接口通道與DTU-GPRS通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)（Internet）鏈接，組態(tài)軟件接收到PLC現(xiàn)場(chǎng)總線通過(guò)DTU發(fā)送到Internet的信息，并不斷自動(dòng)刷新，使監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)如下功能：

1）實(shí)時(shí)反映污水處理流程中各個(gè)環(huán)節(jié)的水質(zhì)情況、如進(jìn)出水電導(dǎo)率、PH值、液位、流量等信息，并自動(dòng)保存實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、報(bào)表三種形式的數(shù)據(jù)信息，供管理人員管理、分析、決策。

2）手動(dòng)、自動(dòng)控制切換功能，通過(guò)編寫組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面相同的手動(dòng)、自動(dòng)運(yùn)行切換功能。

3）故障報(bào)警，當(dāng)污水處理各環(huán)節(jié)中出現(xiàn)超過(guò)或低于限制值的情況時(shí)，該監(jiān)控系統(tǒng)可發(fā)出循環(huán)聲音報(bào)警信號(hào)，直到故障排除。

4）事件處理，通過(guò)該監(jiān)控系統(tǒng)，可以修改現(xiàn)場(chǎng)PLC控制器的寄存器中的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)緊急事件的處理，也可以切換至手動(dòng)方式，直接控制閥門開關(guān)，泵的啟停。

5）用戶權(quán)限管理等功能，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了軟件操作人員登陸管理機(jī)制，設(shè)置了多級(jí)權(quán)限，實(shí)現(xiàn)多級(jí)控制，因此可將一套監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于多級(jí)管理機(jī)構(gòu)，節(jié)省了資源。

利用GPRS通訊技術(shù)，使得控制系統(tǒng)更加靈活、可操作、方便擴(kuò)大控制規(guī)模，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控？上位機(jī)監(jiān)視畫面示意圖如圖4.3所示。

圖4.3監(jiān)視畫面

4.2.3人機(jī)界面

在軟件的開發(fā)過(guò)程中，人機(jī)界面的友好性顯得至關(guān)重要，因?yàn)樗苯雍筒僮魅藛T交流信息？［3］良好的人機(jī)界面不僅要直觀、生動(dòng)，而且還要能準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)再現(xiàn)被控對(duì)象的起初狀態(tài)，如閥門的開關(guān)，泵的啟停？

我們選用步科電氣公司生產(chǎn)的MT4300C型觸摸屏做人機(jī)界面接口？用戶可以通過(guò)HMI人機(jī)界面接口修改風(fēng)機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，從而適應(yīng)不同的污水達(dá)標(biāo)要求？針對(duì)具體工藝要求，該系統(tǒng)具有兩種運(yùn)行方式？

1）自動(dòng)運(yùn)行方式？控制系統(tǒng)根據(jù)集水井的液位高度，自動(dòng)開啟或關(guān)閉污水閥；集水井內(nèi)PH計(jì)的設(shè)定范圍，決定是否自動(dòng)開啟調(diào)節(jié)池或事故池；調(diào)節(jié)池的液位高度，限定自動(dòng)控制提升泵1的運(yùn)行；加藥泵1依據(jù)PH計(jì)1令變頻器控制加藥量；根據(jù)電導(dǎo)率的測(cè)定值，自動(dòng)控制電動(dòng)閥門2的開啟；變頻器與溶解氧測(cè)定儀連鎖控制風(fēng)機(jī)2的鼓風(fēng)量，溶解氧測(cè)定儀顯示溶解氧含量，當(dāng)溶解氧低于某值時(shí)自動(dòng)報(bào)警；根據(jù)污泥池的液位高度，自動(dòng)控制螺桿泵的啟動(dòng)；帶式污泥脫水機(jī)自帶報(bào)警顯示？

2）手動(dòng)運(yùn)行方式。手動(dòng)運(yùn)行方式也就是單步運(yùn)行操作，既可以手動(dòng)操作整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行，也可對(duì)于系統(tǒng)進(jìn)行檢修，對(duì)部件進(jìn)行逐個(gè)調(diào)試？共有3種調(diào)試方法：用控制柜中的開關(guān)對(duì)其進(jìn)行控制，或通過(guò)HMI人機(jī)界面對(duì)其進(jìn)行單步控制，也可以使用上位機(jī)的監(jiān)視畫面對(duì)其進(jìn)行操作。

5 物聯(lián)網(wǎng)概念在本項(xiàng)目中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)這一概念是指將無(wú)處不在的，末端設(shè)備和設(shè)施，包括具備“內(nèi)在智能”的傳感器，移動(dòng)終端，工業(yè)系統(tǒng)等通過(guò)各種無(wú)線/有線的長(zhǎng)距離/短距離通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，提供安全可控乃至個(gè)性化的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、遠(yuǎn)程控制、安全防范、遠(yuǎn)程維保、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、決策支持、領(lǐng)導(dǎo)桌面等管理和服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)“萬(wàn)物”的“高效、節(jié)能、安全、環(huán)保”的“管、控、營(yíng)”一體化。［4］

在工業(yè)控制行業(yè)中，過(guò)去的思路一直是將物理基礎(chǔ)設(shè)施和IT基礎(chǔ)設(shè)施分開，一方面是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，儀器儀表，另一方面是數(shù)據(jù)中心，個(gè)人電腦、寬帶等？在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，儀器儀表、電纜將與芯片、寬帶整合為統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施，這一概念的提出，必然帶動(dòng)傳感器技術(shù)及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，并為我國(guó)正在推進(jìn)的信息化與工業(yè)化融合提供新的思路？

在污水處理工藝中，需要設(shè)置大量的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，如液位，PH值，電導(dǎo)率，含氧量等，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)雖然解決了布線簡(jiǎn)單、高速通訊、維護(hù)方便等問(wèn)題，但畢竟信號(hào)傳輸距離有限。

在本項(xiàng)目中通過(guò)GPRS無(wú)線通訊技術(shù)，使這些節(jié)點(diǎn)形成了具有一定規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)把底層網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與控制信號(hào)的雙向收發(fā)，構(gòu)成了一個(gè)典型的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)終端？組網(wǎng)示意圖如圖5.1所示。

圖5.1污水處理組網(wǎng)應(yīng)用示意圖