基于GPRS的物聯(lián)網(wǎng)終端應用到污水處理監控系統

本項目針對分布范圍廣、布局復雜的污水處理控制系統提出了一種較好的方法？應用三菱Q系列PLC等設備及GPRS無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，構建了基于GPRS的物聯(lián)網(wǎng)終端污水處理網(wǎng)絡(luò )控制系統，實(shí)現了無(wú)線(xiàn)遠程多級監控？該項目在實(shí)際應用中能夠運行正常，性能穩定、可靠，監控界面友好直觀(guān)，操作簡(jiǎn)便？這種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用，使自動(dòng)控制系統更加具有實(shí)用性和靈活性？這也正是一種物聯(lián)網(wǎng)概念的體現與運用？

1引言

在傳統污水處理工業(yè)中，一直存在著(zhù)監測節點(diǎn)分散，有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )數據傳輸有限？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，降低工程費用，實(shí)現遠程監控、少人甚至無(wú)人監管具有重要的意義？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)應用到污水處理監控系統，與工業(yè)現場(chǎng)的傳感器相融合，從根本上解決原有問(wèn)題，實(shí)現工業(yè)現場(chǎng)的遠程實(shí)時(shí)監控？

2 GPRS技術(shù)簡(jiǎn)介

GPRS（General Packet Radio Service），通用無(wú)線(xiàn)分組業(yè)務(wù)，是一種基于GSM系統的無(wú)線(xiàn)分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無(wú)線(xiàn)IP連接？通俗地講，GPRS是一項高速數據處理的技術(shù)，方法是以“分組”的形式將資料到傳送用戶(hù)手上？GPRS被廣泛應用于www瀏覽、信息查詢(xún)，遠程監控等領(lǐng)域？GPRS除了頻段、頻帶寬度、突發(fā)結構、無(wú)線(xiàn)調制標準、跳頻規則以及TDMA幀結構與GSM相同，還具有以下的特點(diǎn)：

1）高速傳輸

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

2）永遠在線(xiàn)

當進(jìn)行通信時(shí)，只要能夠得到無(wú)線(xiàn)信道，GPRS就能建立連接；而用戶(hù)處于“在線(xiàn)”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(hù)只有在發(fā)送或接收數據期間才占用資源，多個(gè)用戶(hù)可高效率地共享同一無(wú)線(xiàn)信道，從而提高了資源的利用率？計費以用戶(hù)通信的數據量為主要依據？［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據傳輸場(chǎng)合。

3 污水處理工藝簡(jiǎn)介

我國污水處理相對于發(fā)達國家而言起步較晚，目前城市污水處理率只有6.7%？結合我國實(shí)際情況，參考國外先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗，建設污水處理廠(chǎng)應符合節約投資，降低成本，減少占地，除氮效果顯著(zhù)以及與現代技術(shù)有機結合等幾個(gè)發(fā)展方向？

本項目所設計的污水處理廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )控制系統采用分級處理工藝，分為一級處理和二級處理？一級處理采用物化方法，通過(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、溶解性有機物以及氮、磷等營(yíng)養鹽？工藝流程如圖3.1所示。

圖3.1系統工藝流程圖。

4 污水處理網(wǎng)絡(luò )控制系統

4.1硬件系統架構

對于污水處理廠(chǎng)而言，存在大量傳感器、控制器等現場(chǎng)設備，他們通常相當零散的分布在較大的范圍內，由他們構成的控制底層網(wǎng)絡(luò )，單個(gè)節點(diǎn)的控制信息量不大，信息傳輸的任務(wù)較簡(jiǎn)單，但對其傳輸信息的實(shí)時(shí)性、快速性要求較高。又因為污水處理的水池體積都較為龐大，更導致數據采集點(diǎn)相對分散，距離遠，不便于集中管理。因此，本系統采用三菱PLC+CC-Link+ GPRS組成雙層網(wǎng)絡(luò )遠程控制系統？硬件系統由PLC系統、數據采集節點(diǎn)、GPRS通訊、遠程監控上位PC機4個(gè)部分組成？硬件結構圖如4.1.

圖4.1污水處理自動(dòng)控制系統硬件結構圖


根據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，遠程輸入、遠程輸出、遠程A/D模塊，FX2N系列PLC作為從站，構成污水處理的CC-Link現場(chǎng)總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )。

現場(chǎng)總線(xiàn)就是通過(guò)一對傳輸線(xiàn)將分散孤立的帶有通訊功能的自動(dòng)化設備或模塊互聯(lián)成網(wǎng)絡(luò )。它作為紐帶將掛在總線(xiàn)上的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)組成自動(dòng)化系統，把通訊線(xiàn)路延伸到現場(chǎng)的生產(chǎn)設備，構成生產(chǎn)自動(dòng)化的現場(chǎng)設備和儀表互聯(lián)的現場(chǎng)通訊網(wǎng)絡(luò )。

各現場(chǎng)智能設備分別作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現各節點(diǎn)之間、現場(chǎng)節點(diǎn)與上位機之間的信息傳遞與溝通。向上傳送信息實(shí)現資源共享、集中管理，向下延伸擴大控制規模、分散控制。完成各種復雜的綜合自動(dòng)化功能。

CC-Link現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)具有節省配線(xiàn)，實(shí)現高速通信，使系統更加具有靈活性的特點(diǎn)。同時(shí)具有豐富的功能：簡(jiǎn)單的系統組態(tài)功能，自動(dòng)刷新功能，豐富的RAS（Reliability Availability Serviceability）功能，預約站功能，備用主站功能，子站脫離功能，自動(dòng)上線(xiàn)功能，監控功能等。

CC-Link現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將網(wǎng)絡(luò )技術(shù)運用于控制系統，極大的提高了控制系統的靈活性和可靠性，能夠實(shí)現控制系統的一體化和協(xié)調性。

將FX2N系列的RS-422內置接口連接HMI（Human Machine Interface）人機界面接口，實(shí)現工業(yè)現場(chǎng)控制；將FX2N系列FX2N-485-BD擴展接口與DTU（Data Transfer unit）連接。DTU全稱(chēng)為數據傳輸單元（沈陽(yáng)市興達科技開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)），是專(zhuān)門(mén)用來(lái)將串口數據轉換為IP數據或將IP數據轉換為串口數據，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳送的無(wú)線(xiàn)終端設備。它具有組網(wǎng)迅速靈活，建設周期短、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(hù)端？在建立連接后，前端的現場(chǎng)設備和后臺中心就可以通過(guò)DTU進(jìn)行雙向無(wú)線(xiàn)數據傳輸？［2］從而實(shí)現該系統的無(wú)線(xiàn)遠程控制與監視。

4.2軟件系統設計

軟件系統的設計由PLC編程，上位機監控和HMI的觸摸屏人機界面構成SCADA（Supervisor Control And Data Acquisiti）系統。

考慮到運行的安全性和靈活性，系統有自動(dòng)、手動(dòng)2種操作方式，且2種操作方式互相獨立？在自動(dòng)方式下，PLC取得完全的控制權，它根據預定的工藝流程對現場(chǎng)設備進(jìn)行控制？上位機起“監視”的作用，只有檢測到異常時(shí)，它才會(huì )相應產(chǎn)生報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)，上位機根據操作人員從輸入設備輸入的信息向PLC發(fā)出相應的指令，然后，PLC才控制現場(chǎng)設備的動(dòng)作？手動(dòng)操作是指根據畫(huà)面上的步序開(kāi)關(guān)或閥門(mén)來(lái)控制設備的運行？各步序通過(guò)時(shí)間或根據水質(zhì)、工藝要求來(lái)控制？

4.2.1 PLC程序設計

通過(guò)PLC編程實(shí)現污水處理流程的控制，設計系統包含自動(dòng)、手動(dòng)2種互相獨立的操作方式？Q主站實(shí)現開(kāi)關(guān)量以及模擬輸入量的采集，將采集的數據經(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)現對現場(chǎng)的控制。FX從站主要負責與上位機監控系統的通信和具體的污水處理過(guò)程，包括泵的開(kāi)啟，電機的運轉等。

針對污水處理工藝以及需要采集的數據信息，編寫(xiě)PLC程序，其流程圖如下圖？

圖4.2 PLC程序設計

4.2.2易控組態(tài)軟件

由于對污水處理的多項工藝指標需要進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，保證工藝要求，工業(yè)現場(chǎng)情況又十分復雜，不適宜工作人員長(cháng)期進(jìn)行現場(chǎng)操作，因此為了便于工作人員對現場(chǎng)的遠程監控和管理，我們借助易控組態(tài)軟件建立監控系統。組態(tài)軟件具有豐富的設備驅動(dòng)程序、靈活的組態(tài)方式和數據鏈接功能，用其構造監控系統能大大縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，并能保證系統的質(zhì)量？操作人員可以通過(guò)計算機監控畫(huà)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)數據采集回來(lái)，在用戶(hù)畫(huà)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(lái)，實(shí)現對生產(chǎn)過(guò)程的全程監控，易控軟件系統還具有實(shí)時(shí)報警和歷史數據保存等功能。

本項目中，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現場(chǎng)總線(xiàn)通過(guò)DTU發(fā)送到Internet的信息，并不斷自動(dòng)刷新，使監控界面實(shí)現如下功能：

1）實(shí)時(shí)反映污水處理流程中各個(gè)環(huán)節的水質(zhì)情況、如進(jìn)出水電導率、PH值、液位、流量等信息，并自動(dòng)保存實(shí)時(shí)曲線(xiàn)、歷史曲線(xiàn)、報表三種形式的數據信息，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(xiě)組態(tài)軟件，實(shí)現與現場(chǎng)人機界面相同的手動(dòng)、自動(dòng)運行切換功能。

3）故障報警，當污水處理各環(huán)節中出現超過(guò)或低于限制值的情況時(shí)，該監控系統可發(fā)出循環(huán)聲音報警信號，直到故障排除。

4）事件處理，通過(guò)該監控系統，可以修改現場(chǎng)PLC控制器的寄存器中的數值，實(shí)現對現場(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(mén)開(kāi)關(guān)，泵的啟停。

5）用戶(hù)權限管理等功能，該系統設計了軟件操作人員登陸管理機制，設置了多級權限，實(shí)現多級控制，因此可將一套監控系統應用于多級管理機構，節省了資源。

利用GPRS通訊技術(shù)，使得控制系統更加靈活、可操作、方便擴大控制規模，實(shí)現遠程監控？上位機監視畫(huà)面示意圖如圖4.3所示。

圖4.3監視畫(huà)面

4.2.3人機界面

在軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，人機界面的友好性顯得至關(guān)重要，因為它直接和操作人員交流信息？［3］良好的人機界面不僅要直觀(guān)、生動(dòng)，而且還要能準確地實(shí)時(shí)再現被控對象的起初狀態(tài)，如閥門(mén)的開(kāi)關(guān)，泵的啟停？

我們選用步科電氣公司生產(chǎn)的MT4300C型觸摸屏做人機界面接口？用戶(hù)可以通過(guò)HMI人機界面接口修改風(fēng)機等設備的運行時(shí)間，從而適應不同的污水達標要求？針對具體工藝要求，該系統具有兩種運行方式？

1）自動(dòng)運行方式？控制系統根據集水井的液位高度，自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉污水閥；集水井內PH計的設定范圍，決定是否自動(dòng)開(kāi)啟調節池或事故池；調節池的液位高度，限定自動(dòng)控制提升泵1的運行；加藥泵1依據PH計1令變頻器控制加藥量；根據電導率的測定值，自動(dòng)控制電動(dòng)閥門(mén)2的開(kāi)啟；變頻器與溶解氧測定儀連鎖控制風(fēng)機2的鼓風(fēng)量，溶解氧測定儀顯示溶解氧含量，當溶解氧低于某值時(shí)自動(dòng)報警；根據污泥池的液位高度，自動(dòng)控制螺桿泵的啟動(dòng)；帶式污泥脫水機自帶報警顯示？

2）手動(dòng)運行方式。手動(dòng)運行方式也就是單步運行操作，既可以手動(dòng)操作整個(gè)系統運行，也可對于系統進(jìn)行檢修，對部件進(jìn)行逐個(gè)調試？共有3種調試方法：用控制柜中的開(kāi)關(guān)對其進(jìn)行控制，或通過(guò)HMI人機界面對其進(jìn)行單步控制，也可以使用上位機的監視畫(huà)面對其進(jìn)行操作。

5 物聯(lián)網(wǎng)概念在本項目中的應用

物聯(lián)網(wǎng)這一概念是指將無(wú)處不在的，末端設備和設施，包括具備“內在智能”的傳感器，移動(dòng)終端，工業(yè)系統等通過(guò)各種無(wú)線(xiàn)/有線(xiàn)的長(cháng)距離/短距離通訊網(wǎng)絡(luò )實(shí)現互聯(lián)互通，提供安全可控乃至個(gè)性化的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測、報警聯(lián)動(dòng)、遠程控制、安全防范、遠程維保、統計報表、決策支持、領(lǐng)導桌面等管理和服務(wù)功能，實(shí)現對“萬(wàn)物”的“高效、節能、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設施和IT基礎設施分開(kāi)，一方面是工業(yè)現場(chǎng)，儀器儀表，另一方面是數據中心，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、寬帶整合為統一的基礎設施，這一概念的提出，必然帶動(dòng)傳感器技術(shù)及無(wú)線(xiàn)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，需要設置大量的數據采集節點(diǎn)，如液位，PH值，電導率，含氧量等，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)雖然解決了布線(xiàn)簡(jiǎn)單、高速通訊、維護方便等問(wèn)題，但畢竟信號傳輸距離有限。

在本項目中通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，使這些節點(diǎn)形成了具有一定規模的傳感器網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)把底層網(wǎng)絡(luò )與上位機監控平臺與互聯(lián)網(wǎng)結合，實(shí)現現場(chǎng)數據與控制信號的雙向收發(fā)，構成了一個(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)應用示意圖