基于3G網絡和PLC的循環水監控凈化系統的設計與實現

【摘要】本文相對傳統的人工現場化學加藥的循環水處理方法，提出一種以最新的3G網絡作為遠程信號的傳輸平臺，可以實時對循環水系統中的各項指標進行監測，及時發現循環水系統中的超標指標，并自動對循環水系統進行化學加藥處理的新型循環水處理系統。從系統結構、3G終端和PLC的通信方法、PLC控制系統的設計、控制中心的設計，闡述了整個遠程監控系統的實現，該方案可以使得水處理企業可以實時準確的為各種政府企業提供優質的水質凈化服務。

【關鍵詞】3G網絡可編程控制器件PLC循環水系統

本系統以3G網絡作為遠程信號的傳輸平臺，以可編程控制器件PLC（Programmable logic Controller）作為自動化控制系統終端。實時對循環水系統中的各項指標進行監測，及時的發現循環水系統中的超標指標，并且自動對循環水系統進行化學加藥處理，為今后3G技術的應用與發展以及循環水處理系統的自動化、網絡化、智能化提供重要的參考。

一、系統的組成以及結構

整個系統采用C/S架構，完成對循環水水質的實時自動監測管理，遠程控制，數據信息綜合處理等功能。以客戶信息數據服務器和監控中心計算機為遠程控制中心，以PLC和3G數據模塊為現場控制系統。

遠程控制中心由數據中心和監控中心構成，由監控中心計算機完成所有對循環水工程項目的監控、決策、數據的統計處理等功能，通過計算機網絡連接3G網絡并發送控制指令到現場控制系統的3G終端，并將現場控制系統所傳回的數據錄入數據中心服務器。

現場控制系統，由PLC、3G終端、加藥泵、加藥桶、水質傳感系統構成，可以對現場循環水質各項數據的測量和采集，檢出系統故障，并將數據傳回遠程控制中心；可以按照來自控制中心的指令完成控制系統控制模式的切換，以及相關手動控制模式下由控制中心發來的例如加藥泵開關，加藥速率的調整，實時監測數據讀取等功能。

整個系統結構如圖1所示。

遠程控制中心，具有良好的決策能力，能同時監控多個現場多系統循環水指標，實現全局的控制，為遠程綜合監控提供了保障。

二、現場控制系統設計

2.1控制原理以及流程

PLC控制原理如下：

（1）腐蝕、結垢的控制：

腐蝕、結垢的控制一般是通過投加緩蝕阻垢藥劑來控制系統的腐蝕和結垢趨勢。根據緩蝕阻垢藥劑的不同特性，在不同濃縮倍數的循環水系統中，藥劑的有效性也不完全相同，只有在一定的濃縮倍數范圍內，以及一定的藥劑含量范圍內，藥劑的有效性能才能達到最佳。為了控制系統的腐蝕、結垢趨勢需要控制兩個水質參數：濃縮倍數、藥劑濃度。

濃縮倍數的控制：根據系統補水電導率儀和系統循環水電導率儀把系統的補水、循環水電導率值傳到PLC中，由PLC計算出當前系統的濃縮倍數，再結合預設的濃縮倍數（根據藥劑特性預先設定）上、下限值，由PLC經過邏輯運算最后通過控制排污電動閥門的開關來控制系統的濃縮倍數，使其穩定在預設的范圍內。

藥劑濃度的控制：根據緩蝕阻垢藥劑的特性，緩蝕阻垢藥劑會不斷消耗、分解，而且系統水也會不斷飛濺、滲漏，這樣影響藥劑濃度就有很多可變的因素。通過PLC采集系統循環水中的pH儀信號、系統補水流量儀信號、藥劑分解性能及系統水損失因數的數值，經過水處理智能控制算法計算出加藥量，最后控制加藥泵的運行時間或開度以達到使藥劑濃度穩定在預設的范圍內。

運行參數調整方法：根據系統腐蝕在線儀、污垢熱阻儀實時檢測的數值可以很直觀的反映出系統的腐蝕和結垢情況。根據腐蝕、結垢量化后的數值調整水處理方案、藥劑的成份、濃度等參數。

（2）細菌、藻類的控制：

根據殺菌藥劑的特性，在不同的pH值情況下，殺菌藥劑的效果會有所不同，結合系統的pH在線檢測儀表所檢pH，再通過ORP在線儀可以檢測出系統循環水的氧化性能，根據系統中的pH、ORP儀的數據，經過水處理智能控制算法控制殺菌藥劑的投加，最終控制系統中的細菌以及藻類的數量始終保持在一個安全的范圍內。

2.2 PLC與3G模塊通信設計

PLC自動化控制系統通過RS-232通訊模塊實現與3G遠程模塊通訊的功能，由于PLC的通信格式與3G通信格式不一樣，它們之間通信需要通過PLC的內部數據寄存器與3G模塊完成數據交換。在程序設計中把3G模塊作為被動接收方，PLC作為主動通信和處理的上位機。PLC和3G模塊所有的參數都設成相同的，如波特率，奇偶校驗，數據長度等等。

3G模塊接收遠程模塊的指令然后傳送給PLC，PLC接收到指令與內部程序做比較，得到不同的結果然后執行不同的相對應的程序，PLC執行程序控制外部設備（如閥門，電機等），從而實現遠程操作。

PLC通信程序設計中首先需要用RS指令定義需發送字符的數據長度，并將數據以ASCII碼形式存儲在定義存儲器中，數據發送完成后定義停止位通知PLC終止傳輸。

2.3 3G模塊與控制中心通信步驟

利用2.2節中的方法使用PLC的相關寄存器給3G模塊發送以下AT指令以實現3G模塊到固定IP地址以及端口的TCP連接傳輸數據以及斷開操作：

1、AT^IPINIT=”3GNET”（設置3G模塊接入點）；

2、AT^IPOPEN=1，\"TCP\"，\"61.172.201.195\"，4000，34567（請求TCP連接，對應參數分別為：連接ID，連接類型，服務器IP地址，服務器端口號，本地端口號）

3、AT^IPENTRANS=1（給1號連接設置透明傳輸，使得單次數據傳輸長度無限制）

4、AT^IPSEND=1，1PH76NU……（在1號連接上傳輸數據）

5、AT^IPCLOSE=1（關閉1號連接）

在連接成功即步驟2后，3G模塊會自動向PLC發送所收到數據，PLC會根據寄存器所收到數據自動進行指令解析，完成相應動作。

三、遠程控制中心設計

遠程控制中心主要完成TCP/UDP連接的端口監聽；發送指令給現場控制系統并且處理來自現場控制系統的數據；將數據錄入數據庫，通過對數據庫的調用完成對數據統計歸納等功能。

監控中心軟件作為C/S架構的服務器端使用Visual studio 2008進行設計。由于篇幅限制本文簡單介紹軟件中關鍵技術的實現

3.1 Winsock技術

軟件主要采用Winsock技術實現基于TCP/IP協議的網絡連接技術，C/S模式下的服務器端流套接字編程主要實現步驟如下：（1）構造一個套接字對象，并調用socket（）函數創建套接字；（2）調用Bind（）函數并將此套接字綁定到指定的地址，并為服務器套接字分配端口號；（3）服務器調用Listen（）函數開始偵聽連接請求，在無連接時阻塞服務進程，使得服務器處于持續偵聽狀態；（4）當服務器每偵聽到來自3G網卡的連接請求時，就創建新的線程和一個新套接字，并將其傳送給Accept（）函數以接收連接請求，同時喚醒服務進程。（5）調用Send（）函數和recv（）函數進行雙向通信，先前的套接字繼續用于監聽來自3G網卡的連接請求并返回狀態4；（6）通信結束后服務進程調用closesocket（）函數關閉相應TCP連接，線程結束。

以此方法實現的服務器軟件可以配合內嵌TCP/IP協議的MU203 3G模塊作為客戶端進行連接，實現基于3G網絡與Internet網絡的遠程無線通信。

3.2 數據庫交互技術

軟件采用CDatabase類（數據庫類）、CRecordset類（記錄集類）、CRecordView類（記錄視圖類）、CFieldExchange類（記錄集與數據庫的數據交換）實現數據庫的ODBC訪問技術。

數據庫訪問編程的主要實現步驟如下：（1）構造CDatabase對象；（2）獲取相應CDatabase對象的指針，并利用此指針構造CRecordset派生類及其對象；（3）在調用CDatabase對象的成員函數Open （ ）以及SQL語句打開相應數據庫后，（4）調用CRecordset中的成員函數MoveFirst（）；MoveLast（）；MoveNext（）；MovePrev（）；Move（）進行記錄定位和遍歷；IsEOF（），IsBOF（）進行定位越界判斷。（5）調用CRecordset的成員函數Requery（），AddNew（），Delete（），Edit（）進行數據庫記錄的查詢，添加，刪除，編輯等操作。

四、結束語

采用3G網絡系統和PLC構建的循環水監控凈化系統，截至目前，已投入運行2個多月，系統運行穩定、數據及時準確。原來的長間隔人工現場采樣，化驗指標，手動加藥的工作模式，被現在系統的實時監控，自動加藥所代替。大大提高了水處理行業的服務質量和工作效率，節約了企業的人力和物力成本，大幅度提升了企業的自動化水平。另一方面，這種以3G無線網為傳輸媒介，對循環水進行遠程監控方式，在國內同行業中，尚屬首例。這為今后3G技術的應用與發展以及循環水處理系統的自動化、網絡化、智能化提供重要的參考。