東北大學(xué) 信息學(xué)院 黃益澤，張也維,朱洪慶，趙蘇,賈旭, 遼寧 沈陽 110004)
摘 要:隨著移動通訊技術(shù)的飛速發(fā)展,基于GPRS技術(shù)的無線通訊當(dāng)前正得到廣泛應(yīng)用,將該通訊技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中,可以把傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集,實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的互聯(lián)互通?本參賽項目正是基于物聯(lián)網(wǎng)這一熱點(diǎn)話題,應(yīng)用三菱Q系列PLC,GPRS-DTU等設(shè)備,針對橡膠廠在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的堿性工業(yè)廢水凈化處理工藝,研發(fā)高效低耗的污水處理網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)?
關(guān) 鍵 詞:物聯(lián)網(wǎng);Q系列PLC;CC-Link;GPRS;DTU;變頻器;污水處理;人機(jī)界面
中圖分類號:TP 文獻(xiàn)標(biāo)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(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，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(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，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)合等幾個發(fā)展方向?
本項目所設(shè)計的污水處理廠網(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。
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(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個部分組成?硬件結(jié)構(gòu)圖如4.1。
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)。同時具有豐富的功能：簡單的系統(tǒng)組態(tài)功能，自動刷新功能，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
軟件系統(tǒng)的設(shè)計由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、手動2種操作方式，且2種操作方式互相獨(dú)立?在自動方式下，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，它才會相應(yīng)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(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)備的動作?手動操作是指根據(jù)畫面上的步序開關(guān)或閥門來控制設(shè)備的運(yùn)行?各步序通過時間或根據(jù)水質(zhì)、工藝要求來控制?
4.2.1 PLC程序設(shè)計
通過PLC編程實(shí)現(xiàn)污水處理流程的控制，設(shè)計系統(tǒng)包含自動、手動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?
4.2.2 易控組態(tài)軟件
由于對污水處理的多項工藝指標(biāo)需要進(jìn)行實(shí)時跟蹤,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)時間，并能保證系統(tǒng)的質(zhì)量?操作人員可以通過計算機(jī)監(jiān)控畫面向PLC發(fā)出各種控制命令，還可同時將PLC的各種實(shí)時數(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)時報警和歷史數(shù)據(jù)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(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，并不斷自動刷新,使監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)如下功能：
1）實(shí)時反映污水處理流程中各個環(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，并自動保存實(shí)時曲線、歷史曲線、報表三種形式的數(shù)據(jù)信息，供管理人員管理、分析、決策。
2）手動、自動控制切換功能，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、自動運(yùn)行切換功能。
3）故障報警，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，該監(jiān)控系統(tǒng)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。
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，因為它直接和操作人員交流信息?[3]良好的人機(jī)界面不僅要直觀、生動，而且還要能準(zhǔn)確地實(shí)時再現(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) 自動運(yùn)行方式?控制系統(tǒng)根據(jù)集水井的液位高度，自動開啟或關(guān)閉污水閥；集水井內(nèi)PH計的設(shè)定范圍，決定是否自動開啟調(diào)節(jié)池或事故池；調(diào)節(jié)池的液位高度，限定自動控制提升泵1的運(yùn)行；加藥泵1依據(jù)PH計1令變頻器控制加藥量；根據(jù)電導(dǎo)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(fēng)機(jī)2的鼓風(fēng)量，溶解氧測定儀顯示溶解氧含量，當(dāng)溶解氧低于某值時自動報警；根據(jù)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(jī)自帶報警顯示?
2) 手動運(yùn)行方式。手動運(yùn)行方式也就是單步運(yùn)行操作，既可以手動操作整個系統(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。
5 物聯(lián)網(wǎng)概念在本項目中的應(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性化的實(shí)時在線監(jiān)測、報警聯(lián)動、遠(yuǎn)程控制、安全防范、遠(yuǎn)程維保、統(tǒng)計報表、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)?！钡摹肮堋⒖?、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，個人電腦、寬帶等?在物聯(lián)網(wǎng)時代，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)成了一個典型的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)終端?組網(wǎng)示意圖如圖5.1所示。
6 總結(jié)
本項目針對分布范圍廣、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?
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