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) - 全文

　　本項(xiàng)目針對分布范圍廣、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)了無線遠(yuǎn)程多級監(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，操作簡便?這種無線傳感器網(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)場的傳感器相融合，從根本上解決原有問題，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控?

　　2 GPRS 技術(shù)簡介

　　GPRS（General Packet Radio Service），通用無線分組業(yè)務(wù)，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線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Modem建立連接。

　　3）價(jià)格低廉

　　對于分組交換模式，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)傳輸場合。

　　3 污水處理工藝簡介

　　我國污水處理相對于發(fā)達(dá)國家而言起步較晚，目前城市污水處理率只有6.7%?結(jié)合我國實(shí)際情況，參考國外先進(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)采用分級處理工藝，分為一級處理和二級處理?一級處理采用物化方法，通過格柵攔截、沉淀等手段去除原水中大塊懸浮物和砂粒等物質(zhì)?二級處理則采用生物方法，通過微生物接觸氧化，水下曝氣等工藝來去除原水中的懸浮性、溶解性有機(jī)物以及氮、磷等營養(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)

　　對于污水處理廠而言，存在大量傳感器、控制器等現(xiàn)場設(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)較簡單，但對其傳輸信息的實(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)場總線控制網(wǎng)絡(luò)。

　　現(xiàn)場總線就是通過一對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)場的生產(chǎn)設(shè)備，構(gòu)成生產(chǎn)自動(dòng)化的現(xiàn)場設(shè)備和儀表互聯(lián)的現(xiàn)場通訊網(wǎng)絡(luò)。

　　各現(xiàn)場智能設(shè)備分別作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間、現(xiàn)場節(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（沈陽市興達(dá)科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)），是專門用來將串口數(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)，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送的無線終端設(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)行后先注冊到移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)，然后與后臺中心建立SOCKET連接，后臺中心作為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)場設(shè)備和后臺中心就可以通過DTU進(jìn)行雙向無線數(shù)據(jù)傳輸?［2］從而實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的無線遠(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)定的工藝流程對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制?上位機(jī)起“監(jiān)視”的作用，只有檢測到異常時(shí)，它才會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生報(bào)警信號以提醒工作人員?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)或閥門來控制設(shè)備的運(yùn)行?各步序通過時(shí)間或根據(jù)水質(zhì)、工藝要求來控制?

　　4.2.1 PLC程序設(shè)計(jì)

　　通過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)過處理后通過CC-Link網(wǎng)絡(luò)傳送給變頻器和FX等從站，從而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的控制。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程，包括泵的開啟，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)等。

　　針對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)場情況又十分復(fù)雜，不適宜工作人員長期進(jìn)行現(xiàn)場操作，因此為了便于工作人員對現(xiàn)場的遠(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，在用戶畫面上用狀態(tài)圖、趨勢圖或棒圖等動(dòng)態(tài)圖表和圖形表示出來，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的全程監(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通過互聯(lián)網(wǎng)（Internet）鏈接，組態(tài)軟件接收到PLC現(xiàn)場總線通過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，通過編寫組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場人機(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，直到故障排除。

　　4）事件處理，通過該監(jiān)控系統(tǒng)，可以修改現(xiàn)場PLC控制器的寄存器中的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場緊急事件的處理，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)置了多級權(quán)限，實(shí)現(xiàn)多級控制，因此可將一套監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于多級管理機(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)率的測定值，自動(dòng)控制電動(dòng)閥門2的開啟；變頻器與溶解氧測定儀連鎖控制風(fēng)機(jī)2的鼓風(fēng)量，溶解氧測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，也可對于系統(tǒng)進(jìn)行檢修，對部件進(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)對其進(jìn)行控制，或通過HMI人機(jī)界面對其進(jìn)行單步控制，也可以使用上位機(jī)的監(jiān)視畫面對其進(jìn)行操作。
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　　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)等通過各種無線/有線的長距離/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、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“萬物”的“高效、節(jié)能、安全、環(huán)保”的“管、控、營”一體化。［4］

　　在工業(yè)控制行業(yè)中，過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，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)及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，并為我國正在推進(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)場總線技術(shù)雖然解決了布線簡單、高速通訊、維護(hù)方便等問題，但畢竟信號傳輸距離有限。

　　在本項(xiàng)目中通過GPRS無線通訊技術(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)，通過把底層網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)監(jiān)控平臺與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)與控制信號的雙向收發(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

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