徐亮+王輝

摘 要：為了通過計(jì)算機(jī)和手機(jī)終端監(jiān)測(cè)異構(gòu)污水處理過程，架設(shè)了監(jiān)測(cè)專用服務(wù)器，通過GPRS-DTU模塊實(shí)現(xiàn)各污水處理點(diǎn)PLC與服務(wù)器虛擬串口之間的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)透?jìng)?，通過OPC技術(shù)提取各種型號(hào)PLC的關(guān)鍵數(shù)據(jù)分類存入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過IIS+ASP.NET快速部署Web Service實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程推送。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，該方案具有成本低廉、運(yùn)行穩(wěn)定、部署快捷、維護(hù)方便等特點(diǎn)。

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(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)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(gè)融合物理學(xué)、化學(xué)及生物學(xué)的復(fù)雜過程，離不開人為的干預(yù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，人們得以實(shí)現(xiàn)通過計(jì)算機(jī)、手機(jī)等終端遠(yuǎn)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(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)在污水處理領(lǐng)域的研究與應(yīng)用已然成為業(yè)界一大熱點(diǎn)。目前國(guó)家強(qiáng)制規(guī)定，企業(yè)排放的污水水質(zhì)必須滿足國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)各企業(yè)污水排放口位置分散的情況，文獻(xiàn)[1，2]分別給出了由安裝在各個(gè)排水口并帶有GPRS通信功能的傳感器模塊檢測(cè)排水水質(zhì)，然后將檢測(cè)數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)上傳到監(jiān)測(cè)站計(jì)算機(jī)的解決方案；污水的處理過程往往需要檢測(cè)多個(gè)工藝參數(shù)，如溫度、色度、P含量等，針對(duì)同一污水處理過程中傳感器數(shù)量較多且位置相對(duì)集中的情況，文獻(xiàn)[3，4]分別給出了由多個(gè)帶有ZigBee通信功能的傳感器模塊檢測(cè)各個(gè)工藝參數(shù)，接著通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)匯總至ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)，最后將檢測(cè)數(shù)據(jù)打包后通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至監(jiān)測(cè)站計(jì)算機(jī)的解決方案；針對(duì)污水處理點(diǎn)分散而又需集中監(jiān)控的需求，文獻(xiàn)[5]介紹了一種通過OPC技術(shù)從污水處理點(diǎn)PLC遠(yuǎn)程采集污水處理工藝參數(shù)，并使用SVG技術(shù)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控畫面的應(yīng)用方案。

然而上述文獻(xiàn)介紹的內(nèi)容，都是一個(gè)監(jiān)控平臺(tái)對(duì)應(yīng)一個(gè)或者一類污水處理項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)方案。本文針對(duì)多種污水處理項(xiàng)目需要統(tǒng)一監(jiān)測(cè)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(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并以無(wú)錫某高檔住宅區(qū)雨水收集利用項(xiàng)目與無(wú)錫某大型購(gòu)物中心中水回收利用項(xiàng)目為例扼要介紹將各異構(gòu)污水處理項(xiàng)目數(shù)據(jù)接入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方法。

1 總體方案設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前暫時(shí)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(xiàng)目，項(xiàng)目主控器一般采用國(guó)產(chǎn)信捷XC系列PLC，但有時(shí)應(yīng)客戶需求，也會(huì)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(diǎn)PLC通過GPRS-DTU模塊實(shí)現(xiàn)PLC串口與服務(wù)器虛擬串口之間的數(shù)據(jù)透?jìng)?，服?wù)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(kù)中，而Web Service則根據(jù)用戶請(qǐng)求從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)并通過Web或微信公眾號(hào)推送給用戶。

2 系統(tǒng)硬件配置

2.1 項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)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(luò)作為傳輸途徑的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)[6]，模塊具備一個(gè)RS-232/RS-485串口，需要獨(dú)占一個(gè)PLC串口。安裝過程為：首先通過計(jì)算機(jī)串口以AT指令設(shè)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(duì)接，并將天線安裝在電氣柜外側(cè)并通過導(dǎo)線穿過電氣柜預(yù)留通孔連接到模塊本體，接好5V電源適配器。endprint

2.2 服務(wù)器端的硬件配置

考慮到服務(wù)器的流量構(gòu)成除了少量圖片就是字符，對(duì)服務(wù)器性能和網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求并不高，因此本方案選擇了聯(lián)想小型服務(wù)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(wù)器軟件配置

3.1 OPC Server的配置

OPC（OLE for Process Control）技術(shù)是為實(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)化領(lǐng)域計(jì)算機(jī)與控制器之間數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)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(duì)應(yīng)PLC的數(shù)據(jù)[9]。

KEPServerEX配置步驟為，首先配置通道“CN-------”，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)一個(gè)虛擬串口，每個(gè)通道選定的PLC驅(qū)動(dòng)必須與虛擬串口對(duì)接的PLC型號(hào)相一致；然后配置設(shè)備“Device”，每個(gè)設(shè)備對(duì)應(yīng)一臺(tái)PLC，KEPServerEX允許每個(gè)通道可掛載多個(gè)設(shè)備，但由于實(shí)際上所有污水處理項(xiàng)目中每個(gè)GPRS-DTU模塊僅安裝在一臺(tái)PLC上，因此實(shí)際配置的時(shí)候每個(gè)通道僅掛載一個(gè)設(shè)備；最后配置每個(gè)設(shè)備對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)“Tag---”，一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)PLC軟元件，而每個(gè)設(shè)備均掛載多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。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(kù)的設(shè)計(jì)

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

考慮到未來(lái)用戶通過網(wǎng)絡(luò)訪問會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)PostgreSQL作為數(shù)據(jù)庫(kù)解決方案，三類污水處理項(xiàng)目按“項(xiàng)目編號(hào)-時(shí)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(yè)面共有三個(gè)模板，分別的對(duì)應(yīng)三種污水項(xiàng)目。用戶可通過瀏覽器或者微信公眾號(hào)向Web Service提交檢索命令，Web Service隨即從數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索相應(yīng)污水處理項(xiàng)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(dāng)有新項(xiàng)目需要接入該系統(tǒng)時(shí)，項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)端PLC僅需安裝一個(gè)GPRS-DTU模塊，服務(wù)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(gè)虛擬串口即可，無(wú)需修改源代碼，服務(wù)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(gè)工程項(xiàng)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(wú)錫某高檔住宅區(qū)雨水收集利用項(xiàng)目，該住宅區(qū)臨近蠡湖風(fēng)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(lái)的泥沙等固體顆粒雜質(zhì)外，基本上無(wú)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(cè)的數(shù)據(jù)僅有清水池水體濁度一項(xiàng)，次要監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)有雨量傳感器狀態(tài)量、排污泵狀態(tài)量與計(jì)量泵（1臺(tái)）脈沖量三項(xiàng)，項(xiàng)目主控器采用信捷XC3-32R-E型PLC。數(shù)據(jù)接入時(shí)，項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)端采用RS-232串口型GPRS-DTU模塊與PLC通信口1對(duì)接，服務(wù)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(xiàng)，并且KEPServerEX新增通道選擇Modbus Serial即Modbus RTU驅(qū)動(dòng)，項(xiàng)目編號(hào)與通道編號(hào)都設(shè)定為“2016101”，接著按GPRS-DTU編號(hào)在虛擬串口配置工具中新增一個(gè)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(wú)錫某大型購(gòu)物中心中水回收利用項(xiàng)目，該購(gòu)物中心總面積約7萬(wàn)平方米。項(xiàng)目工藝流程如圖6所示，取雨水、生活污水（主要來(lái)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(jī)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(jī)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(xì)菌后進(jìn)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(cè)的數(shù)據(jù)有中水池水體濁度、溶氧量?jī)身?xiàng)，次要監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)有雨量傳感器狀態(tài)量、調(diào)節(jié)電機(jī)頻率、羅茨風(fēng)機(jī)頻率、排污泵狀態(tài)量、計(jì)量泵（2臺(tái)）脈沖值五項(xiàng)，項(xiàng)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(shí)，項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)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(duì)接，服務(wù)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(xiàng)，并且KEPServerEX新增通道選擇Siemens S7 MPI即S7-300/400驅(qū)動(dòng)，項(xiàng)目編號(hào)與通道編號(hào)都設(shè)定為“2016201”，接著按GPRS-DTU編號(hào)在虛擬串口配置工具中新增一個(gè)虛擬串口即完成數(shù)據(jù)接入的配置工作。

4.3 運(yùn)行效果

案例1、2項(xiàng)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(gè)項(xiàng)目均有約10組數(shù)據(jù)保存進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)，此時(shí)分別打開微信與電腦瀏覽器，即可根據(jù)項(xiàng)目編號(hào)檢索到相應(yīng)項(xiàng)目的歷史/最新數(shù)據(jù)，如圖7所示。

目前公司有三個(gè)雨水收集利用項(xiàng)目、一個(gè)中水回收利用項(xiàng)目和一個(gè)農(nóng)村污水處理項(xiàng)目，共計(jì)五個(gè)項(xiàng)目連接到該遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)過將近半年的測(cè)試證明該系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，從用戶檢索到數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)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(yàn)較好。

5 結(jié) 語(yǔ)

利用GPRS-DTU模塊的串口數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程透?jìng)骷夹g(shù)可以很方便的實(shí)現(xiàn)PLC與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)無(wú)縫對(duì)接，利用OPC技術(shù)可以很好的解決不同品牌、型號(hào)PLC的數(shù)據(jù)提取問題，為服務(wù)器穩(wěn)定采集各污水處理點(diǎn)數(shù)據(jù)提供保障，通過IIS+ASP.NET實(shí)現(xiàn)Web Service的快速部署，為用戶隨時(shí)監(jiān)測(cè)污水處理過程實(shí)時(shí)/歷史參數(shù)提供了良好的體驗(yàn)。該方案成本低廉、運(yùn)行穩(wěn)定、部署快捷、維護(hù)方便，具有一定的推廣價(jià)值。

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