異構(gòu)污水處理過程遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設計

徐亮+王輝

摘 要：為了通過計算機和手機終端監(jiān)測異構(gòu)污水處理過程，架設了監(jiān)測專用服務器，通過GPRS-DTU模塊實現(xiàn)各污水處理點PLC與服務器虛擬串口之間的遠程數(shù)據(jù)透傳，通過OPC技術(shù)提取各種型號PLC的關(guān)鍵數(shù)據(jù)分類存入數(shù)據(jù)庫，通過IIS+ASP.NET快速部署Web Service實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程推送。經(jīng)實踐驗證，該方案具有成本低廉、運行穩(wěn)定、部署快捷、維護方便等特點。

關(guān)鍵字：物聯(lián)網(wǎng)；異構(gòu)；污水處理；GPRS-DTU；OPC；Web Service

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：B

Design of Heterogeneous Wastewater Treatment Process Remote Monitoring System

XU Liang1，WANG Hui2，3

（1.Schoolof Mechanical & Electrical Engineering，Jiangsu Vocational College of Information Technology，Wuxi，Jiangsu 214153，China

2.Internet of Things Engineering School，Jiangsu Vocational College of Information Technology，Wuxi，Jiangsu 214153，China；

3.Wuxi Susheng Intelligent Environment Equipment Co.Ltd，Wuxi，Jiangsu 214000，China）

Abstract：In order to monitor heterogeneous wastewater treatment process by the terminals of computers and cellphones，a dedicated server for monitoring is set up.Remote data pass-through between the PLC of every wastewater treatment station and the virtual serial port of the server is realized by GPRS-DTU module.The key data are extracted from various types of PLCs via OPC technology and stored into database by category.Web Service is deployed rapidly to realize to remote push data via ISS+ASP.NET.Facts proves that the solution has the advantages of low cost，stable operation，rapidly deploy，convenient maintenance and etc.

Key words：internet of things；heterogeneous；wastewater treatment；GPRS-DTU；OPC；Web Service

污水處理是一個融合物理學、化學及生物學的復雜過程，離不開人為的干預。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，人們得以實現(xiàn)通過計算機、手機等終端遠程監(jiān)控污水處理的過程與結(jié)果，而基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠程監(jiān)控技術(shù)在污水處理領域的研究與應用已然成為業(yè)界一大熱點。目前國家強制規(guī)定，企業(yè)排放的污水水質(zhì)必須滿足國家有關(guān)標準，針對各企業(yè)污水排放口位置分散的情況，文獻[1，2]分別給出了由安裝在各個排水口并帶有GPRS通信功能的傳感器模塊檢測排水水質(zhì)，然后將檢測數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)上傳到監(jiān)測站計算機的解決方案；污水的處理過程往往需要檢測多個工藝參數(shù)，如溫度、色度、P含量等，針對同一污水處理過程中傳感器數(shù)量較多且位置相對集中的情況，文獻[3，4]分別給出了由多個帶有ZigBee通信功能的傳感器模塊檢測各個工藝參數(shù)，接著通過ZigBee網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)匯總至ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)，最后將檢測數(shù)據(jù)打包后通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至監(jiān)測站計算機的解決方案；針對污水處理點分散而又需集中監(jiān)控的需求，文獻[5]介紹了一種通過OPC技術(shù)從污水處理點PLC遠程采集污水處理工藝參數(shù)，并使用SVG技術(shù)實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控畫面的應用方案。

然而上述文獻介紹的內(nèi)容，都是一個監(jiān)控平臺對應一個或者一類污水處理項目的實現(xiàn)方案。本文針對多種污水處理項目需要統(tǒng)一監(jiān)測的需求，構(gòu)建了一種基于GPRS-DTU技術(shù)與OPC技術(shù)的異構(gòu)污水處理過程遠程監(jiān)測系統(tǒng)，并以無錫某高檔住宅區(qū)雨水收集利用項目與無錫某大型購物中心中水回收利用項目為例扼要介紹將各異構(gòu)污水處理項目數(shù)據(jù)接入監(jiān)測系統(tǒng)的方法。

1 總體方案設計

監(jiān)測系統(tǒng)目前暫時僅兼容雨水收集利用、中水回收利用和農(nóng)村污水處理三種項目，項目主控器一般采用國產(chǎn)信捷XC系列PLC，但有時應客戶需求，也會更換其他品牌的PLC。系統(tǒng)總體方案如圖1所示，各污水處理點PLC通過GPRS-DTU模塊實現(xiàn)PLC串口與服務器虛擬串口之間的數(shù)據(jù)透傳，服務器中間件程序起到數(shù)據(jù)橋接的作用，通過OPC Server讀取各PLC的關(guān)鍵數(shù)據(jù)并寫入數(shù)據(jù)庫中，而Web Service則根據(jù)用戶請求從數(shù)據(jù)庫中讀取相應數(shù)據(jù)并通過Web或微信公眾號推送給用戶。

2 系統(tǒng)硬件配置

2.1 項目節(jié)點端的硬件配置

方案選擇COMWAY品牌的WG-8010型GPRS-DTU模塊，GPRS-DTU是一種以GPRS網(wǎng)絡作為傳輸途徑的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)[6]，模塊具備一個RS-232/RS-485串口，需要獨占一個PLC串口。安裝過程為：首先通過計算機串口以AT指令設定模塊參數(shù)，然后將插有SIM卡的模塊固定在污水處理電氣柜內(nèi)，接著將模塊串口與PLC串口通過串口數(shù)據(jù)線對接，并將天線安裝在電氣柜外側(cè)并通過導線穿過電氣柜預留通孔連接到模塊本體，接好5V電源適配器。endprint

2.2 服務器端的硬件配置

考慮到服務器的流量構(gòu)成除了少量圖片就是字符，對服務器性能和網(wǎng)絡帶寬的要求并不高，因此本方案選擇了聯(lián)想小型服務器TS250，配合D-Link DFL-260E硬件防火墻，通過聯(lián)通20M固定IP光纖接入互聯(lián)網(wǎng)。

3 系統(tǒng)服務器軟件配置

3.1 OPC Server的配置

OPC（OLE for Process Control）技術(shù)是為實現(xiàn)過程自動化領域計算機與控制器之間數(shù)據(jù)交換的標準化而產(chǎn)生的一種通信規(guī)范[7，8]?；贠PC技術(shù)的數(shù)據(jù)采集方案采用如圖5所示架構(gòu)，中間件程序作為OPC Client，KEPServerEX作為OPC Server，OPC Client通過OPC Server由各虛擬串口讀取對應PLC的數(shù)據(jù)[9]。

KEPServerEX配置步驟為，首先配置通道“CN-------”，每個通道對應一個虛擬串口，每個通道選定的PLC驅(qū)動必須與虛擬串口對接的PLC型號相一致；然后配置設備“Device”，每個設備對應一臺PLC，KEPServerEX允許每個通道可掛載多個設備，但由于實際上所有污水處理項目中每個GPRS-DTU模塊僅安裝在一臺PLC上，因此實際配置的時候每個通道僅掛載一個設備；最后配置每個設備對應的數(shù)據(jù)點“Tag---”，一個數(shù)據(jù)點對應一個PLC軟元件，而每個設備均掛載多個數(shù)據(jù)點。KEPServerEX配置畫面如圖3所示。

圖3 KEPServerEX的配置

3.2 中間件程序與數(shù)據(jù)庫的設計

中間件程序采用C#編制而成，作為OPC Client不斷經(jīng)OPC Server從遠程PLC讀取關(guān)鍵數(shù)據(jù)并寫入數(shù)據(jù)庫[10]。考慮到后續(xù)項目不斷增加，中間件程序具備配置可增減、可修改功能，即當公司接手新項目時，可在中間件程序中增加通信節(jié)點，而當某舊項目廢止時，可刪去相應通信節(jié)點。中間件程序節(jié)點配置界面如圖4所示。

考慮到未來用戶通過網(wǎng)絡訪問會對數(shù)據(jù)庫造成大量的數(shù)據(jù)并發(fā)讀取過程，采用開源高性能數(shù)據(jù)庫PostgreSQL作為數(shù)據(jù)庫解決方案，三類污水處理項目按“項目編號-時間-數(shù)據(jù)”的結(jié)構(gòu)分類存入三張表格。

3.3 Web Service的部署

Web Service基于ASP.NET開發(fā)，并發(fā)布至IIS（Internet Information Services），Web頁面共有三個模板，分別的對應三種污水項目。用戶可通過瀏覽器或者微信公眾號向Web Service提交檢索命令，Web Service隨即從數(shù)據(jù)庫中檢索相應污水處理項目的最新/歷史數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)推送到用戶瀏覽器或者微信客戶端。

4 工程數(shù)據(jù)接入案例

當有新項目需要接入該系統(tǒng)時，項目節(jié)點端PLC僅需安裝一個GPRS-DTU模塊，服務器端僅需將KEPServerEX與中間件程序的配置文件替換，并且在虛擬串口配置工具中新增一個虛擬串口即可，無需修改源代碼，服務器從暫停數(shù)據(jù)更新到重啟數(shù)據(jù)更新過程不超過2分鐘。下面不妨以兩個工程項目為例扼要介紹數(shù)據(jù)接入的方法。

4.1 案例1

案例1為無錫某高檔住宅區(qū)雨水收集利用項目，該住宅區(qū)臨近蠡湖風景區(qū)，綠化面積40.6%。工藝流程如圖5所示，取雨水作為水源，水體除了含有在收集雨水過程中雨水沖刷路面帶來的泥沙等固體顆粒雜質(zhì)外，基本上無其他類型雜質(zhì)，因此僅需通過沉淀與混凝過濾兩道環(huán)節(jié)即可去除絕大部分雜質(zhì)，產(chǎn)出水主要用于小區(qū)綠化灌溉。

案例1主要監(jiān)測的數(shù)據(jù)僅有清水池水體濁度一項，次要監(jiān)測的數(shù)據(jù)有雨量傳感器狀態(tài)量、排污泵狀態(tài)量與計量泵（1臺）脈沖量三項，項目主控器采用信捷XC3-32R-E型PLC。數(shù)據(jù)接入時，項目節(jié)點端采用RS-232串口型GPRS-DTU模塊與PLC通信口1對接，服務器端按表1所示數(shù)據(jù)格式配置KEPServerEX與中間件程序新增項，并且KEPServerEX新增通道選擇Modbus Serial即Modbus RTU驅(qū)動，項目編號與通道編號都設定為“2016101”，接著按GPRS-DTU編號在虛擬串口配置工具中新增一個虛擬串口即完成數(shù)據(jù)接入的配置工作。

4.2 案例2

案例2為無錫某大型購物中心中水回收利用項目，該購物中心總面積約7萬平方米。項目工藝流程如圖6所示，取雨水、生活污水（主要來自洗手間）、化糞池上清液作為水源，水體污染物主要有固體雜質(zhì)與有機溶液，固體雜質(zhì)需通過格柵、沉淀、混凝過濾三道環(huán)節(jié)濾除，有機物需經(jīng)曝氣后通過好氧菌分解殆盡，最后水體經(jīng)過消毒環(huán)節(jié)殺滅細菌后進入中水池，產(chǎn)出的中水主要用于綠化灌溉、沖廁和洗車。

案例2主要監(jiān)測的數(shù)據(jù)有中水池水體濁度、溶氧量兩項，次要監(jiān)測的數(shù)據(jù)有雨量傳感器狀態(tài)量、調(diào)節(jié)電機頻率、羅茨風機頻率、排污泵狀態(tài)量、計量泵（2臺）脈沖值五項，項目主控器采用西門子S7-300系列CPU315-2PN/DP型PLC。數(shù)據(jù)接入時，項目節(jié)點端采用RS-232串口型GPRS-DTU模塊與PLC唯一的DP口通過MPI數(shù)據(jù)線對接，服務器端按表2所示數(shù)據(jù)格式配置KEPServerEX與中間件程序新增項，并且KEPServerEX新增通道選擇Siemens S7 MPI即S7-300/400驅(qū)動，項目編號與通道編號都設定為“2016201”，接著按GPRS-DTU編號在虛擬串口配置工具中新增一個虛擬串口即完成數(shù)據(jù)接入的配置工作。

4.3 運行效果

案例1、2項目數(shù)據(jù)接入完成后，重啟數(shù)據(jù)更新，等待大約五分鐘，每個項目均有約10組數(shù)據(jù)保存進入數(shù)據(jù)庫，此時分別打開微信與電腦瀏覽器，即可根據(jù)項目編號檢索到相應項目的歷史/最新數(shù)據(jù)，如圖7所示。

目前公司有三個雨水收集利用項目、一個中水回收利用項目和一個農(nóng)村污水處理項目，共計五個項目連接到該遠程監(jiān)測系統(tǒng)，經(jīng)過將近半年的測試證明該系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠的運行，從用戶檢索到數(shù)據(jù)響應時間間隔穩(wěn)定在10秒以內(nèi)，檢索到的最新數(shù)據(jù)控制在2分鐘以內(nèi)，用戶體驗較好。

5 結(jié) 語

利用GPRS-DTU模塊的串口數(shù)據(jù)遠程透傳技術(shù)可以很方便的實現(xiàn)PLC與服務器之間的數(shù)據(jù)無縫對接，利用OPC技術(shù)可以很好的解決不同品牌、型號PLC的數(shù)據(jù)提取問題，為服務器穩(wěn)定采集各污水處理點數(shù)據(jù)提供保障，通過IIS+ASP.NET實現(xiàn)Web Service的快速部署，為用戶隨時監(jiān)測污水處理過程實時/歷史參數(shù)提供了良好的體驗。該方案成本低廉、運行穩(wěn)定、部署快捷、維護方便，具有一定的推廣價值。

參考文獻

[1] 劉明，王城華.基于GPRS網(wǎng)絡和B/S結(jié)構(gòu)的排污遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].中國給水排水，2009，25（10）： 30-32.

[2] 李文軍，樂小琴，黃得銘，等.污水流量遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].自動化與儀表，2011，（8）： 62-65.

[3] 馮立波，左國超，楊存基，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村污水監(jiān)測系統(tǒng)設計研究[J].環(huán)境工程學報，2015，9（2）： 670-676.

[4] 束慧.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的污水處理過程動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng).計算機測量與控制[J]，2014，22（8）： 2441-2443.

[5] 李沫.基于SVG的污水處理遠程在線監(jiān)控系統(tǒng)[J].中國給水排水，2012，28（4）： 82-84.

[6] 谷宗冉，孟立凡，楊艷軍.基于GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].電測與儀表，2010，47（536A）： 46-48.

[7] 梁庚，李文.基于分布式OPC、組件連接件和Web Service的電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].電力自動化設備，2011，31（10）： 134-138.

[8] 陳燁，倉小金，彭蓬，等.基于OPC中間件技術(shù)的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)[J].電力自動化設備，2011，31（1）： 100-104.

[9] 趙宴輝，聶亞杰，王永麗，等.OPC UA技術(shù)綜述[J].艦船防化，2010，（2）： 33-37.

[10] 華镕.OPC統(tǒng)一架構(gòu)簡史[J].中國儀器儀表，2013，（1）： 58-61.endprint