基于物聯(lián)網(wǎng)的水處理遠程控制系統(tǒng)

高增勝

[摘? ? 要]針對水處理系統(tǒng)運行效率低、缺乏有效監(jiān)管及運行模式粗放等缺陷，將PLC控制系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進行通信，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)水處理控制系統(tǒng)的結(jié)合，利用物聯(lián)網(wǎng)云平臺設(shè)計出一種遠程監(jiān)控系統(tǒng)。文章基于對水處理實際應(yīng)用的研究，對水處理過程中使用物聯(lián)網(wǎng)進行遠程監(jiān)控的相關(guān)內(nèi)容進行了介紹。

[關(guān)鍵詞]水處理;物聯(lián)網(wǎng);遠程監(jiān)控

[中圖分類號]X703 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）05–000–02

Water Treatment Remote Control System Based on Internet of Things

Gao Zeng-sheng

[Abstract]Aiming at the defects of low efficiency， lack of effective supervision and extensive operation mode of water treatment system， PLC control system is communicated with IOT gateway to realize the combination of IOT technology and traditional water treatment control system， and a remote monitoring system is designed by using IOT cloud platform. Based on the research of practical application of water treatment， this paper introduces the content of remote monitoring using Internet of things in the process of water treatment.

[Keywords]water treatment; internet of things; remote monitoring

當前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，物聯(lián)網(wǎng)與經(jīng)濟社會各領(lǐng)域、各行業(yè)的深度融合，已成為全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要內(nèi)容和焦點。在傳統(tǒng)的水處理控制系統(tǒng)中，由于運行效率

低、缺乏有效監(jiān)管及運行模式粗放等問題，造成運行成本不斷升高。本項目順應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，對傳統(tǒng)水處理控制系統(tǒng)進行改造，達到優(yōu)化管理模式、提高水處理運行效率、降低水處理成本的目的。

1 物聯(lián)網(wǎng)概述

自20世紀末首次提出物聯(lián)網(wǎng)的概念以來，經(jīng)過二十余年的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，并被廣泛應(yīng)用于多個行業(yè)領(lǐng)域，如醫(yī)藥行業(yè)、物流行業(yè)以及環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域等，并取得了一系列創(chuàng)新成果。物聯(lián)網(wǎng)是由互聯(lián)網(wǎng)世界從被動接收到主動獲取的跨越式發(fā)展所產(chǎn)生的，是信息化發(fā)展的必然產(chǎn)物。從物聯(lián)網(wǎng)的特性來看，物聯(lián)網(wǎng)可以概括為由具備感知與智能化處理能力的物體借助于無線或者有線通信手段，在互聯(lián)網(wǎng)或者其他通信網(wǎng)絡(luò)上建立的、覆蓋多種事物的一種泛在網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)屬性就是萬物互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)是無線通信、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、人工智能、信息安全、嵌入式系統(tǒng)以及信息安全等多種現(xiàn)代化技術(shù)的有機融合體。在水處理的遠程控制方面，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用主要是通過遠程控制、運行監(jiān)控、故障診斷以及過程控制等手段實現(xiàn)水處理的自動化、智能化管控。

2 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系可以分為三層，分別是感知層、傳輸層以及應(yīng)用層。其中，感知層主要通過各種智能化識別以及傳感器等設(shè)備獲取外界信息;傳輸層主要是利用無線或者有線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)信息;應(yīng)用層主要是系統(tǒng)的軟件以及硬件設(shè)施。

2.1 感知層

感知層主要由多種可以感知物體狀態(tài)的智能識別設(shè)備和傳感器等物理實體構(gòu)成，其主要功能是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的要求獲取特定的信息，包括動態(tài)信息與靜態(tài)信息。感知層是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)層，其核心技術(shù)主要是傳感技術(shù)以及無線通信技術(shù)。

2.2 傳輸層

傳輸層主要由無線或有線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，主要功能是實現(xiàn)物與物間的連接和通信，是連接感知層與應(yīng)用層的中間環(huán)節(jié)。借助傳輸層可以將感知層獲取的信息通過網(wǎng)絡(luò)快速向應(yīng)用層傳輸，應(yīng)用層完成信息接收后即可作出相應(yīng)的控制動作。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的核心，主要由應(yīng)用軟件、操作系統(tǒng)以及中間件構(gòu)成，其主要功能是接收傳輸層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，并對相關(guān)數(shù)據(jù)信息進行挖掘分析，從而對可感知范圍的情況作出判斷，進而對相關(guān)控制對象發(fā)出控制指令，實現(xiàn)自動化、智能化處理。

3 系統(tǒng)設(shè)計總體思路

本系統(tǒng)充分應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)，將現(xiàn)有PLC控制系統(tǒng)采集的開關(guān)、按鈕、水泵、電機、流量、液位、水質(zhì)等設(shè)備的數(shù)據(jù)，通過通信設(shè)備發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，云端對采集的數(shù)據(jù)進行實時處理后，在遠程電腦、手機應(yīng)用端進行實時展示和操控，從而實現(xiàn)設(shè)備和人員之間的遠程實時互聯(lián)互通。主要分為設(shè)備端、通信端、云端、應(yīng)用端等四部分，系統(tǒng)圖見圖1。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1.1 設(shè)備端

設(shè)備端主要實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)的采集和控制，包括上位機、PLC、現(xiàn)場設(shè)備儀表等。本系統(tǒng)采用西門子公司S7-200PLC，中央控制器為226CN，通信模塊CP243-1，模擬量模塊為EM231CN，數(shù)字量模塊為EM223CN。上位機運行MCGS通用版6.2組態(tài)軟件。上位機和S7-200PLC通過以太網(wǎng)進行通信，EM223CN的1/O點對開關(guān)、按鈕、水泵、電機的工作狀態(tài)進行收集與控制，EM231CN收集流量、液位、水質(zhì)等傳感器的有關(guān)數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC的CPU，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。

3.1.2 通信端

通信端主要實現(xiàn)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)化和數(shù)據(jù)的遠程實時傳輸。主要的通信設(shè)備有DTU和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。DTU是專門用于將串口數(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)進行傳送的無線終端設(shè)備，透明數(shù)據(jù)傳輸，沒有協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是連接感知網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的紐帶，它可以實現(xiàn)感知網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)，以及不同類型感知網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，既可以實現(xiàn)廣域互聯(lián)，也可以實現(xiàn)局域互聯(lián)。本系統(tǒng)選擇支持西門子S7以太網(wǎng)轉(zhuǎn)Modbus-TCP和MQTT協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與PLC通信，DTU與終端控制器通信，與物聯(lián)網(wǎng)云平臺實現(xiàn)連通。

3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.2.1 云端

云端主要將采集的數(shù)據(jù)在云平臺進行存儲、計算和分析等。本系統(tǒng)采用TLink物聯(lián)網(wǎng)云平臺，云平臺與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過Modbus-TCP協(xié)議進行通信，并對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行分析處理和存儲，實現(xiàn)對開關(guān)、按鈕、水泵、電機、流量、液位、水質(zhì)的遠程實時監(jiān)測和控制。

3.2.2 應(yīng)用端

應(yīng)用端主要將云端的計算分析結(jié)果進行展現(xiàn)和應(yīng)用。本系統(tǒng)的電腦端搭建水處理遠程云組態(tài)系統(tǒng)，云組態(tài)具備了現(xiàn)場組態(tài)界面的所有功能，同時對數(shù)據(jù)進行計算和深加工，形成歷史趨勢等。手機端采用微信公眾號，在公眾號平臺中建立公眾號、獲得接口權(quán)限，通過平臺提供的開發(fā)接口與微信公眾號對接服務(wù)，實時監(jiān)測實時報警提示，隨時隨地遠程監(jiān)測生產(chǎn)狀況。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

4.1 設(shè)備聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)屬性是萬物互聯(lián)，通過網(wǎng)絡(luò)將水處理各項設(shè)備進行連接，可以實現(xiàn)不同設(shè)備間的通信，并且能實現(xiàn)集中控制。本項目中對水處理現(xiàn)場的傳統(tǒng)電控系統(tǒng)進行了改造，實現(xiàn)設(shè)備與云端的互聯(lián)互通，實現(xiàn)傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備的智能化應(yīng)用，如根據(jù)水質(zhì)參數(shù)實現(xiàn)智能加藥的控制。

4.2 遠程監(jiān)控

遠程監(jiān)控主要依賴于物聯(lián)網(wǎng)感知層，通過在特定水域布設(shè)傳感設(shè)備以及水質(zhì)探測設(shè)備等，持續(xù)收集各項信息，并通過通信網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳輸至應(yīng)用端。應(yīng)用端將生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過多樣化形式展現(xiàn)和應(yīng)用，實現(xiàn)隨時隨地在手機移動端進行可視化組態(tài)、遠程控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測、故障報警等功能，同時根據(jù)需要按照實時計算的結(jié)果設(shè)定執(zhí)行的動作，一旦出現(xiàn)故障或水質(zhì)超標，現(xiàn)場報警器響起的同時發(fā)送到操作人員和管理人員的手機上，實現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控移動化。

4.3 遠程調(diào)度

遠程調(diào)度是智能化控制的核心。系統(tǒng)應(yīng)用層通過對感知層采集的數(shù)據(jù)信息進行挖掘分析，可以快速判斷系統(tǒng)各部分運行狀態(tài)，掌握生產(chǎn)現(xiàn)場的詳細情況，進而實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場的控制設(shè)備集中遠程統(tǒng)一調(diào)度。巡檢人員通過系統(tǒng)可以實時得到現(xiàn)場主機的報警反饋，一旦出現(xiàn)異?？梢钥焖俣ㄎ徊⒌竭_現(xiàn)場進行處理;管理人員也可以隨時隨地監(jiān)測生產(chǎn)參數(shù)，實現(xiàn)“無人值守，有人巡檢”的管理模式，從減人值守向無人值守邁進，實現(xiàn)值班值守?zé)o人化。

4.4 運維管理

基于物聯(lián)網(wǎng)的水處理遠程控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對各項設(shè)備的動態(tài)化監(jiān)控，實時采集設(shè)備的運行狀態(tài)，一旦設(shè)備故障可以快速發(fā)出報警信息，為設(shè)備管理人員及操作人員提供流程化的設(shè)備報障、維修、工作執(zhí)行等功能。運維管理人員根據(jù)系統(tǒng)報警信息可以快速確定故障部位以及故障詳細信息，從而采取針對性的維修保養(yǎng)措施。在此過程中節(jié)省了前期分析故障部位以及故障原因的時間，最大化提高設(shè)備運行效能和檢修維護人員的工作效率，從而降低成本、提高利潤，實現(xiàn)檢修維護流程化。

4.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析功能主要是通過對系統(tǒng)運行過程中采集的數(shù)據(jù)進行分析，挖掘其中有價值的信息，以實現(xiàn)對水處理系統(tǒng)的進一步優(yōu)化。比如通過對設(shè)備整體能源消耗情況進行分析，可以充分挖掘設(shè)備效能，發(fā)現(xiàn)管理漏洞和節(jié)能空間;通過監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)及水質(zhì)參數(shù)，進行數(shù)據(jù)分析可以得出系統(tǒng)最佳運行狀態(tài)，提醒調(diào)整加藥量和實施維修，提高維修效率，為科學(xué)決策提供指導(dǎo)，實現(xiàn)設(shè)備效能最大化。

5 項目開展的經(jīng)濟與勞動效益

5.1 經(jīng)濟效益

本系統(tǒng)可有效實現(xiàn)減員增效，降低成本。實時查看設(shè)備狀態(tài)、獲取報警和遠程開關(guān)機等，既可減少人員投入，又能提高工作效率。同時通過獲取開關(guān)機率、待機率、損耗時間等有價值的數(shù)據(jù)，促進設(shè)備完好運行，從而提升設(shè)備管理效能，降低設(shè)備維護和運行費用。此外，記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)并形成分析數(shù)據(jù)，獲取當天生產(chǎn)統(tǒng)計、能耗統(tǒng)計和報警提醒等，方便科學(xué)安排生產(chǎn)，有效避免不必要的經(jīng)濟損失。

5.2 勞動效益

本系統(tǒng)通過遠程監(jiān)控推進崗位兼并，實行一人兼多崗，最大限度降低勞動強度，精簡管理人員，從而制定合理的定員定崗和勞動定額，實現(xiàn)滿負荷、高效率組織生產(chǎn)，提高勞動效率和工時利用率，有效降低人力資源成本。通過使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對制約生產(chǎn)建設(shè)的難題進行處理，從管理模式和業(yè)務(wù)流程上都是一個技術(shù)革新，順應(yīng)市場形勢，增強了企業(yè)競爭力，從而節(jié)約資源，提高效率，精簡流程，為企業(yè)的節(jié)能減排工作做出了貢獻。

6 結(jié)語

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行遠程監(jiān)控可有效解決水處理工作中遇到的各種難題，同時有效實現(xiàn)減員提效、節(jié)能減排、精簡流程以及科學(xué)生產(chǎn)，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益和勞動效益。對于促進業(yè)務(wù)模式的轉(zhuǎn)型升級、推動礦業(yè)企業(yè)的持續(xù)發(fā)展以及提高企業(yè)經(jīng)濟效益都具有極大的積極作用。

參考文獻

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