基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的污水泵站自動化系統(tǒng)改造

朱萬浩，章盼梅，孔令棚

(1.華南理工大學廣州學院電氣工程學院，廣東廣州 510800；2.華南理工大學廣州學院機械工程學院，廣東廣州 510800)

0 引言

近年來，國家越來越重視水質(zhì)環(huán)境的保護，加大資金投入改善水質(zhì)。污水是影響水質(zhì)的一個重要因素，因此各地政府大量新建、擴建污水處理廠來改善水質(zhì)。污水泵站是污水處理廠的重要組成部分，它的作用是把某個區(qū)域的污水輸送到污水處理廠進行集中處理。隨著城市化的快速發(fā)展，污水排放量日益增大，原來的污水泵站建設(shè)時間較長，自動化程度低，已無法滿足當前輸送污水的要求。

關(guān)于泵站的自動化控制技術(shù)，已有學者進行了相關(guān)研究。文獻[1]針對樊口泵站運行時間長，原有的自動化系統(tǒng)已無法滿足泵站運行需求等情況，對樊口泵站進行自動化系統(tǒng)改造。改造后的系統(tǒng)采用GE PLC和上位機，提高了泵站自動化水平，減輕了運維人員的工作壓力。文獻[2]結(jié)合珠三角排澇泵站的現(xiàn)狀和存在問題，提出完善自動化建設(shè)標準、提高泵站自動化運行水平、降低泵站運維成本等改造措施。文獻[3]分析了現(xiàn)有城市污水泵站自動化程度低、運行不穩(wěn)定等情況，提出采用西門子S7-300 PLC、WINcc監(jiān)控軟件、工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)，對排污泵站進行自動化系統(tǒng)改造。文獻[4]以珠海廣昌泵站改造項目為例，詳細介紹了泵站AB PLC控制器、RSView上位機、工業(yè)以太網(wǎng)等改造技術(shù)。文獻[5]針對農(nóng)村小型泵站管理效率低的問題，設(shè)計了一套監(jiān)控系統(tǒng)。文中分析了系統(tǒng)的總體架構(gòu)、設(shè)計了硬件主程序和上位機軟件，最后對系統(tǒng)進行了測試。當前學者對泵站自動化系統(tǒng)的研究，大多利用傳統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)即PLC與監(jiān)控軟件相結(jié)合，實現(xiàn)對泵站的本地監(jiān)控。傳統(tǒng)的監(jiān)控技術(shù)較好地支撐了早期泵站自動化技術(shù)的發(fā)展，但它無法實現(xiàn)遠程監(jiān)控。隨著污水排放量的日益增大，國家提出建設(shè)無人值守泵站的要求，傳統(tǒng)的自動化控制技術(shù)已無法滿足當前泵站自動化系統(tǒng)建設(shè)的需求。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、工業(yè)5.0是近幾年的熱門技術(shù)，它給社會帶來新一輪的技術(shù)革命。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是通過工業(yè)以太網(wǎng)、云服務(wù)器、智能手機終端等技術(shù)，實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備的智能互聯(lián)和遠程監(jiān)控，提高了工業(yè)自動化水平和生產(chǎn)效率。因此，本文提出利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對污水泵站原有的自動化系統(tǒng)進行改造，以提高泵站的自動化程度和管理水平，降低泵站運維成本。本文的架構(gòu)如下：首先，分析了國內(nèi)外污水處理泵站的運行狀況；然后，以一個實際的污水泵站為例，分析其存在的問題；接著，提出污水泵站自動化系統(tǒng)的改造方案，設(shè)計了改造后系統(tǒng)的總體架構(gòu)，并詳細分析了系統(tǒng)硬件和軟件的改造過程；最后，對系統(tǒng)進行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問題及對未來的展望。

1 項目概況及存在問題

廣東某污水泵站建設(shè)于2000年，主要負責某個區(qū)域生活污水的收集，然后通過市政管網(wǎng)輸送到污水處理廠進行集中處理。污水泵站總占地面積為1 000 m2，設(shè)計流量為5 000 m3/d，建設(shè)單位為水務(wù)集團。由于泵站建設(shè)時間較長，當前主要面臨如下問題：

(1)泵站自動化程度低。監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)死機、無法讀取儀表數(shù)據(jù)等情況，系統(tǒng)只能本地監(jiān)控系統(tǒng)的運行，無法實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

(2)線路、設(shè)備老化，經(jīng)常出現(xiàn)故障。電纜線、控制信息號線老化嚴重，出現(xiàn)過熱、絕緣皮損壞等現(xiàn)象。高低壓配電柜沒有通信端口，無法實時監(jiān)測電壓、電流等參數(shù)。

(3)泵站輸送污水能力不足，無法滿足日益增長的排污需要。泵站進水口垃圾太多，有時出現(xiàn)進水口堵塞的情況。

2 改造方案

根據(jù)污水泵站的實際情況，結(jié)合業(yè)主方的要求，對泵站進行如下改造：

(1)更換原有的自動化監(jiān)控系統(tǒng)，改造后的監(jiān)控系統(tǒng)能實現(xiàn)遠程監(jiān)控，同時能監(jiān)測高低壓配電柜運行情況。

(2)更換老化的電纜線、控制信號線、更換測量不準的液位計、流量計、高低壓配電柜，新增1臺潛水泵、1臺格柵機，替換1臺潛水泵。

2.1 原系統(tǒng)總體架構(gòu)

污水泵站原監(jiān)控系統(tǒng)中央控制器采用S7-200 PLC，上位機采用組態(tài)軟件二次開發(fā)，現(xiàn)場由儀表、潛水泵等設(shè)備組成。原控制系統(tǒng)中央控制室有1臺監(jiān)控主機和1臺噴墨打印機；現(xiàn)場設(shè)備有3臺潛水泵，其中1臺潛水泵已燒壞，液位計和流量計各1臺。配電房有高低壓配電柜和開關(guān)柜，由于沒有通信接口，無法遠程監(jiān)測它們的運行情況，原污水泵站監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 原監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.2 改造后系統(tǒng)總體架構(gòu)

改造后的系統(tǒng)利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，上位機采用微信小程序二次開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)，下位機采用STM32控制器，通過以太網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳送到云服務(wù)器，手機等智能終端通過微信小程序與云服務(wù)器相連，從而實現(xiàn)對污水泵站的遠程監(jiān)控。系統(tǒng)分為應(yīng)用層、中間層、現(xiàn)場層：應(yīng)用層主要由本地服務(wù)器、云服務(wù)器、微信小程序監(jiān)控系統(tǒng)和手機等智能終端組成；中間層由工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)、工業(yè)交換機、STM32控制器、以太網(wǎng)模塊組成；現(xiàn)場層主要由潛水泵、液位計、空氣流量計、電控閥門等組成。改造后系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 改造后監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3 改造后系統(tǒng)設(shè)計

改造后的系統(tǒng)不但能實時監(jiān)控泵站的運行情況，而且能用手機、電腦等智能終端實現(xiàn)遠程監(jiān)控。系統(tǒng)分軟件和硬件2部分，軟件采用微信平臺進行二次開發(fā)，硬件部分采用STM32控制器及相關(guān)模塊，實時處理空氣流量計等儀表信號和控制潛水泵、電控閥門、格柵機等設(shè)備的啟停。

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

改造后監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分選用STM32為核心控制器。除了STM32之外，還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、繼電器模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊等。

3.1.1 模擬量模塊設(shè)計

模擬量是一種隨時間連續(xù)變化的量，控制器不能直接處理模擬信號，需要把它轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號才能處理[6]。STM32內(nèi)部帶有A/D接口，但考慮到數(shù)量不夠、不易維修等情況，因此外置獨立的A/D模塊。在泵站監(jiān)控系統(tǒng)中，需采集的模擬量信號有電壓、電流、液位值、流量值等，它們都需經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換后發(fā)送給STM32。A/D模塊電路如圖3所示。

圖3 AD模塊電路圖

3.1.2 數(shù)字量模塊設(shè)計

數(shù)字信號是離散的量，一般高電平采用“1”、低電平采用“0”來表示[7]。在泵站自動化系統(tǒng)中，需要處理的數(shù)字量信號有上百個，例如：潛水泵、格柵機、電控閥門等設(shè)備的啟動、停止、故障、報警；液位計、空氣流量計等儀表的故障信號。系統(tǒng)運行時，當需要啟動潛水泵，STM32發(fā)送一個高電平信號“1”給變頻器，通過變頻器啟動潛水泵；當需要停止?jié)撍脮r，STM32發(fā)送一個低電平信號“0”給變頻器，通過變頻器停止?jié)撍?。泵站原?臺潛水泵，啟動方式均為軟啟動，1臺潛水泵已燒壞。改造后新增1臺泵、替換1臺泵，全部泵改為變頻啟動，數(shù)字量模塊電路如圖4所示。

圖4 數(shù)字量模塊電路圖

3.1.3 視頻監(jiān)控模塊設(shè)計

原泵站自動化系統(tǒng)為了節(jié)省工程建設(shè)成本，沒有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，有時會出現(xiàn)設(shè)備丟失的情況。為了加大泵站的安全管理力度，改造后的自動化系統(tǒng)新增視頻監(jiān)控。通過在STM32控制器旁添加視頻監(jiān)控模塊與攝像頭相連，達到視頻監(jiān)控的目的。視頻監(jiān)控模塊電路如圖5所示。

圖5 視頻監(jiān)控模塊電路圖

3.1.4 繼電器模塊設(shè)計

繼電器是通過電磁吸合或光耦方式，實現(xiàn)弱電控制強電的功能[8]。在污水泵站自動化系統(tǒng)中，不同的設(shè)備需要的供電電壓不同，如：STM32控制器供電電壓是3.3 V、模數(shù)轉(zhuǎn)換等模塊的電壓是5 V、現(xiàn)場監(jiān)測儀表的電壓是24 V、照明電壓是220 V等。為防止高電壓串入低電壓，造成低電壓設(shè)備的損壞；同時，STM32控制器輸出電壓低，不能控制設(shè)備的運行，通過繼電器可方便地控制設(shè)備的工作。因此，在泵站自動化系統(tǒng)中使用大量的繼電器。現(xiàn)場的繼電器主要有2種：一種是直流控制直流的繼電器，用于控制儀表等直流設(shè)備，通常4個繼電器為一組模塊；另一種是直流控制交流的繼電器，用于控制電機等交流設(shè)備。繼電器模塊電路如圖6所示，4路繼電器為一組，輸入信號先經(jīng)三極管放大，然后通過光耦繼電器隔離，輸出信號控制設(shè)備。

圖6 繼電器模塊電路圖

3.1.5 網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計

污水自動化系統(tǒng)中央控制器需采集液位計、空氣流量計等儀表信號，經(jīng)控制器處理后發(fā)送給變頻器，從而控制潛水泵、電動閥門等設(shè)備的運行?？刂破靼研盘柊l(fā)送到本地服務(wù)器保存，同時通過以太網(wǎng)，發(fā)送到云平臺，本地服務(wù)器和云平臺是同步保存的，冗余配置。微信小程序監(jiān)控軟件連接到云服務(wù)器，實現(xiàn)監(jiān)控軟件和控制器的數(shù)據(jù)交換。整個自動化系統(tǒng)設(shè)備之間通過TCP/IP協(xié)議通信，操作人員通過手機打開微信小程序，即可監(jiān)控泵站的運行?？刂破鞑粠ЬW(wǎng)絡(luò)模塊，為了把數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器，本項目增加W550以太網(wǎng)模塊；同時，為了提高系統(tǒng)通訊的可靠性、穩(wěn)定性，以太網(wǎng)模塊采用冗余配置[9]。網(wǎng)絡(luò)模塊電路如圖7所示。

圖7 網(wǎng)絡(luò)模塊電路圖

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

污水泵站原監(jiān)控軟件采用組態(tài)軟件二次開發(fā)，系統(tǒng)只能本地監(jiān)控，無法實現(xiàn)廣域監(jiān)控。近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的興起，出現(xiàn)了智能手機APP、微信小程序、微信訂閱號、云監(jiān)控等新興的監(jiān)控平臺[10]。微信小程序監(jiān)控軟件具有無需安裝、打開手機微信掃一掃二維碼，即可監(jiān)控設(shè)備運行的優(yōu)點；同時，微信平臺擁有大數(shù)據(jù)、云平臺技術(shù)和強大的科研隊伍，為監(jiān)控軟件提供技術(shù)保障，因此本項目選用微信小程序進行二次開發(fā)。

3.2.1 軟件系統(tǒng)總體架構(gòu)

污水泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)分為進水系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、出水系統(tǒng)、報警一覽和報表管理子系統(tǒng)。進水系統(tǒng)由格柵機和空氣流量計組成；處理系統(tǒng)由提升泵和液位計組成；出水系統(tǒng)由有毒氣體檢測儀和空氣流量計組成；報警一覽采集設(shè)備和儀表的報警信息；報表管理負責記錄和保存泵站運行參數(shù)的各種報表[11]。軟件系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖8所示。

圖8 軟件系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3.2.2 主程序設(shè)計

微信小程序監(jiān)控軟件二次開發(fā)時，首先設(shè)計系統(tǒng)初始化模塊，與云服務(wù)器的建立連接。如果系統(tǒng)通信成功，則打開軟件偵聽程序，如果通信不成功，則返回繼續(xù)嘗試連接。然后根據(jù)程序的命令，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的監(jiān)控界面，如進水系統(tǒng)、報表管理等界面，主程序設(shè)計流程如圖9所示[12]。

圖9 主程序設(shè)計流程圖

4 系統(tǒng)測試

為了驗證污水處理遠程監(jiān)控系統(tǒng)能否正常運行，系統(tǒng)初步設(shè)計完成之后，在實驗室進行系統(tǒng)測試。系統(tǒng)測試分為功能性測試和云測試，功能性測試是驗證系統(tǒng)各控制按鍵能否正常工作、儀表數(shù)據(jù)能否實時上傳等；云測試則是借助第三方的云服務(wù)平臺，如：阿里云、華為云、騰訊云等平臺，對iOS和Android系統(tǒng)的APP、微信小程序等進行全方位的檢測，發(fā)現(xiàn)漏洞并生成修改報告。本項目首先在實驗室進行功能性測試，然后通過云平臺再進一步測試系統(tǒng)性能。測試時，首先打開智能手機的微信軟件，掃一掃二維碼進入污水泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)主界面。點擊進水系統(tǒng)按鈕，監(jiān)控界面跳轉(zhuǎn)到進水系統(tǒng)界面。點擊格柵機按鈕，然后再點擊啟動按鈕，格柵機啟動運行，監(jiān)控界面如圖10所示。

圖10 監(jiān)控界面測試圖

5 結(jié)束語

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的污水泵站自動化系統(tǒng)改造項目，采用微信小程序、STM32控制器、云服務(wù)器等技術(shù)，實現(xiàn)了污水泵站的遠程監(jiān)控，解決了污水泵站原有系統(tǒng)自動化程度低、無法遠程監(jiān)控的問題。系統(tǒng)自試運行以來，運行穩(wěn)定、反應(yīng)靈敏、實時性好，能遠程監(jiān)控泵站的運行狀態(tài)，受到業(yè)主的好評。

(1)上位機采用微信平臺二次開發(fā)監(jiān)控軟件，污水泵站運維人員打開微信，掃一掃二維碼即可監(jiān)控設(shè)備的運行。

(2)下位機采用STM32控制器，實時采集空氣流量計、液位計等現(xiàn)場儀表的信號，經(jīng)過處理后發(fā)送命令控制現(xiàn)場設(shè)備的運行，同時將數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器。

(3)本文目前僅對一個污水泵站自動化系統(tǒng)進行改造，隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0/5.0、微信小程序監(jiān)控軟件和云服務(wù)器技術(shù)的不斷發(fā)展，未來將有更多的污水泵站、污水泵站與污水處理廠互聯(lián)，實現(xiàn)智慧水務(wù)、智慧工業(yè)、智慧城市的目標。