(東北大學 信息學院, 遼寧 沈陽 110004)
摘 要:隨著移動通訊技術的飛速發展,基于GPRS技術的無線通訊當前正得到廣泛應用,將該通訊技術應用于工業控制系統中,可以把傳統的數據采集方式轉變為遠程無線數據采集,實現物聯網終端設備的互聯互通｡本參賽項目正是基于物聯網這一熱點話題,應用三菱Q系列PLC,GPRS-DTU等設備,針對橡膠廠在生產過程中產生的堿性工業廢水凈化處理工藝,研發高效低耗的污水處理網絡控制系統｡
關 鍵 詞:物聯網;Q系列PLC;CC-Link;GPRS;DTU;變頻器;污水處理;人機界面
中圖分類號:TP 文獻標識碼:A
The terminal sewage treatment plant network control system of The Internet of Things based on GPRS
HUANG Yi-ze,ZHANG Ye-wei, ZHU Hong-qing ZHAO Su,JIA Xu,
(College of Information Science and Engineering , Northeastern University, Shenyang 110004, China)
Abstract: With the rapid development of mobile communication technology, GPRS-based wireless communication is currently widely used. The communication technology used in industrial control systems can change the traditional data collection methods for remote wireless data collection, the terminal equipment of things to achieve interoperability. It is based on the entries of things that a hot topic, the application of the Mitsubishi Q series of PLC, DTU and other equipment for rubber factory in the production process of alkaline industrial waste water purification treatment process research and development efficiency and low consumption of the sewage treatment network control system.
Key words: The Internet of Things; Q series of PLC; Transducer; GPRS; DTU; Inverter; Sewage Treatment
1 引 言
在傳統污水處理工業中，一直存在著監測節點分散，有線網絡數據傳輸有限｡污水處理作為工業生產的附加產業，為提高生產效益,降低工程費用，實現遠程監控、少人甚至無人監管具有重要的意義｡將網絡覆蓋范圍更廣、網絡連接更方便的GPRS技術應用到污水處理監控系統，與工業現場的傳感器相融合，從根本上解決原有問題，實現工業現場的遠程實時監控｡
2 GPRS 技術簡介
GPRS（General Packet Radio Service），通用無線分組業務，是一種基于GSM系統的無線分組交換技術，提供端到端的、廣域的無線IP連接｡通俗地講，GPRS是一項高速數據處理的技術，方法是以“分組”的形式將資料到傳送用戶手上｡GPRS被廣泛應用于www瀏覽、信息查詢，遠程監控等領域｡GPRS除了頻段、頻帶寬度、突發結構、無線調制標準、跳頻規則以及TDMA幀結構與GSM相同，還具有以下的特點：
1)高速傳輸
可以穩定地傳送大容量的高質量音頻與視頻文件，實際應用中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
當進行通信時，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，不需使用撥號Modem建立連接。
3)價格低廉
對于分組交換模式，用戶只有在發送或接收數據期間才占用資源，多個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｡計費以用戶通信的數據量為主要依據｡[1]
綜合上述技術特點，GPRS技術特別適用于間斷的，突發性的或頻繁的少量的數據傳輸場合。
3 污水處理工藝簡介
我國污水處理相對于發達國家而言起步較晚，目前城市污水處理率只有6.7%｡結合我國實際情況，參考國外先進技術和經驗，建設污水處理廠應符合節約投資，降低成本，減少占地，除氮效果顯著以及與現代技術有機結合等幾個發展方向｡
本項目所設計的污水處理廠網絡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｡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、溶解性有機物以及氮、磷等營養鹽｡工藝流程如圖3.1所示。
圖3.1 系統工藝流程圖
4 污水處理網絡控制系統
4.1硬件系統架構
對于污水處理廠而言，存在大量傳感器、控制器等現場設備，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絡，單個節點的控制信息量不大，信息傳輸的任務較簡單，但對其傳輸信息的實時性、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組成雙層網絡遠程控制系統｡硬件系統由PLC系統、數據采集節點、GPRS通訊、遠程監控上位PC機4個部分組成｡硬件結構圖如4.1。
圖 4.1 污水處理自動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現場總線控制網絡。
現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化設備或模塊互聯成網絡。它作為紐帶將掛在總線上的網絡節點組成自動化系統，把通訊線路延伸到現場的生產設備，構成生產自動化的現場設備和儀表互聯的現場通訊網絡。
各現場智能設備分別作為一個網絡節點，通過現場總線實現各節點之間、現場節點與上位機之間的信息傳遞與溝通。向上傳送信息實現資源共享、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化功能。
CC-Link現場總線技術具有節省配線，實現高速通信，使系統更加具有靈活性的特點。同時具有豐富的功能：簡單的系統組態功能，自動刷新功能，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，自動上線功能，監控功能等。
CC-Link現場總線網絡將網絡技術運用于控制系統，極大的提高了控制系統的靈活性和可靠性，能夠實現控制系統的一體化和協調性 。
將FX2N系列的RS-422內置接口連接HMI(Human Machine Interface )人機界面接口，實現工業現場控制；將 FX2N系列FX2N-485-BD擴展接口與DTU(Data Transfer unit)連接。DTU全稱為數據傳輸單元（沈陽市興達科技開發有限公司生產），是專門用來將串口數據轉換為IP數據或將IP數據轉換為串口數據，通過無線通信網絡進行傳送的無線終端設備。它具有組網迅速靈活，建設周期短、成本低，網絡覆蓋范圍廣，安全保密性能高的優點。DTU上電運行后先注冊到移動的GPRS網絡,然后與后臺中心建立SOCKET連接，后臺中心作為SOCKET的服務端｡DTU是SOCKET連接的客戶端｡在建立連接后，前端的現場設備和后臺中心就可以通過DTU進行雙向無線數據傳輸｡[2]從而實現該系統的無線遠程控制與監視。
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、手動2種操作方式，且2種操作方式互相獨立｡在自動方式下，PLC取得完全的控制權，它根據預定的工藝流程對現場設備進行控制｡上位機起“監視”的作用，只有檢測到異常時，它才會相應產生報警信號以提醒工作人員｡在步操和點操下，PLC處于等待狀態，上位機根據操作人員從輸入設備輸入的信息向PLC發出相應的指令，然后，PLC才控制現場設備的動作｡手動操作是指根據畫面上的步序開關或閥門來控制設備的運行｡各步序通過時間或根據水質、工藝要求來控制｡
4.2.1 PLC程序設計
通過PLC編程實現污水處理流程的控制，設計系統包含自動、手動2種互相獨立的操作方式｡Q主站實現開關量以及模擬輸入量的采集，將采集的數據經過處理后通過CC-Link網絡傳送給變頻器和FX等從站，從而實現對現場的控制。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程，包括泵的開啟，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 易控組態軟件
由于對污水處理的多項工藝指標需要進行實時跟蹤,保證工藝要求，工業現場情況又十分復雜,不適宜工作人員長期進行現場操作，因此為了便于工作人員對現場的遠程監控和管理，我們借助易控組態軟件建立監控系統。組態軟件具有豐富的設備驅動程序、靈活的組態方式和數據鏈接功能，用其構造監控系統能大大縮短開發時間，并能保證系統的質量｡操作人員可以通過計算機監控畫面向PLC發出各種控制命令，還可同時將PLC的各種實時數據采集回來，在用戶畫面上用狀態圖、趨勢圖或棒圖等動態圖表和圖形表示出來，實現對生產過程的全程監控，易控軟件系統還具有實時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通過互聯網(Internet)鏈接，組態軟件接收到PLC現場總線通過DTU發送到Internet的信息，并不斷自動刷新,使監控界面實現如下功能：
1）實時反映污水處理流程中各個環節的水質情況、如進出水電導率、PH值、液位、流量等信息，并自動保存實時曲線、歷史曲線、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、自動控制切換功能，通過編寫組態軟件，實現與現場人機界面相同的手動、自動運行切換功能。
3）故障報警，當污水處理各環節中出現超過或低于限制值的情況時，該監控系統可發出循環聲音報警信號，直到故障排除。
4）事件處理,通過該監控系統，可以修改現場PLC控制器的寄存器中的數值，實現對現場緊急事件的處理，也可以切換至手動方式，直接控制閥門開關，泵的啟停。
5）用戶權限管理等功能，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，使得控制系統更加靈活、可操作、方便擴大控制規模，實現遠程監控｡上位機監視畫面示意圖如圖4.3所示。
圖4.3監視畫面
4.2.3 人機界面
在軟件的開發過程中，人機界面的友好性顯得至關重要，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、生動，而且還要能準確地實時再現被控對象的起初狀態，如閥門的開關，泵的啟停｡
我們選用步科電氣公司生產的MT4300C型觸摸屏做人機界面接口｡用戶可以通過HMI人機界面接口修改風機等設備的運行時間，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) 自動運行方式｡控制系統根據集水井的液位高度，自動開啟或關閉污水閥；集水井內PH計的設定范圍，決定是否自動開啟調節池或事故池；調節池的液位高度，限定自動控制提升泵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，自動控制電動閥門2的開啟；變頻器與溶解氧測定儀連鎖控制風機2的鼓風量，溶解氧測定儀顯示溶解氧含量，當溶解氧低于某值時自動報警；根據污泥池的液位高度，自動控制螺桿泵的啟動；帶式污泥脫水機自帶報警顯示｡
2) 手動運行方式。手動運行方式也就是單步運行操作，既可以手動操作整個系統運行，也可對于系統進行檢修，對部件進行逐個調試｡共有3種調試方法：用控制柜中的開關對其進行控制，或通過HMI人機界面對其進行單步控制，也可以使用上位機的監視畫面對其進行操作。
5 物聯網概念在本項目中的應用
物聯網這一概念是指將無處不在的，末端設備和設施，包括具備“內在智能”的傳感器，移動終端，工業系統等通過各種無線/有線的長距離/短距離通訊網絡實現互聯互通，提供安全可控乃至個性化的實時在線監測、報警聯動、遠程控制、安全防范、遠程維保、統計報表、決策支持、領導桌面等管理和服務功能，實現對“萬物”的“高效、節能、安全、環保”的“管、控、營”一體化。[4]
在工業控制行業中,過去的思路一直是將物理基礎設施和IT基礎設施分開，一方面是工業現場，儀器儀表，另一方面是數據中心，個人電腦、寬帶等｡在物聯網時代，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，必然帶動傳感器技術及無線傳感器網絡技術的發展，并為我國正在推進的信息化與工業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,如液位，PH值，電導率，含氧量等，現場總線技術雖然解決了布線簡單、高速通訊、維護方便等問題，但畢竟信號傳輸距離有限。
在本項目中通過GPRS無線通訊技術，使這些節點形成了具有一定規模的傳感器網絡，通過把底層網絡與上位機監控平臺與互聯網結合，實現現場數據與控制信號的雙向收發，構成了一個典型的物聯網絡終端｡組網示意圖如圖5.1所示。
圖5.1 污水處理組網應用示意圖
6 總結
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無線通訊技術，構建了基于GPRS的物聯網終端污水處理網絡控制系統，實現了無線遠程多級監控｡該項目在實際應用中能夠運行正常，性能穩定、可靠，監控界面友好直觀，操作簡便｡這種無線傳感器網絡的應用，使自動控制系統更加具有實用性和靈活性｡這也正是一種物聯網概念的體現與運用｡
參考文獻
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[3] 李培元.火力發電廠水處理及水質控制 [M].北京：中
國電力出版社,1999.
[4] 姚萬華. 關于物聯網的概念及基本內涵 [J].中國信息界,2010 , (5) .