基于ZigBee的污水處理監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李明河等

【摘要】 針對現(xiàn)有有線污水處理監(jiān)控系統(tǒng)布線困難、成本高等問題，提出了引入ZigBee技術(shù)的應(yīng)用方案。文章介紹了由西門子S7-200PLC、ZigBee和工控組態(tài)軟件組成的無線監(jiān)控系統(tǒng)在污水處理廠中的應(yīng)用。本文分別對通信組網(wǎng)方法、現(xiàn)場控制端PLC通信程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)通信軟件設(shè)計(jì)做出了詳細(xì)說明。實(shí)驗(yàn)表明：系統(tǒng)構(gòu)建簡單，工作穩(wěn)定可靠，在監(jiān)控中心通信與控制軟件端可以很好地模擬出現(xiàn)場端的實(shí)時運(yùn)行狀況。

【關(guān)鍵詞】 ZigBee 曝氣生物濾池 監(jiān)控系統(tǒng) 污水處理

一、引言

近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，生活污水的排放量與日俱增，污水處理行業(yè)越來越受到政府的重視。但目前國內(nèi)的生活污水處理監(jiān)控系統(tǒng)，大多數(shù)只是局限于單點(diǎn)監(jiān)控或者是局域網(wǎng)內(nèi)的監(jiān)控，當(dāng)控制系統(tǒng)需要擴(kuò)展時，往往就會造成數(shù)據(jù)不能共享，硬件投資成本較高等問題[1]。在我國污水處理領(lǐng)域，還存在著規(guī)模小、操作復(fù)雜、大量數(shù)據(jù)冗余等不足。但是在國外，網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)控和管理系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)成熟了，已經(jīng)應(yīng)用到自動化所涉及到的很多領(lǐng)域，如電力、冶金、化工、制藥等等。因此為了進(jìn)一步與國際技術(shù)接軌，基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的自動監(jiān)控技術(shù)必將在未來幾年中得到普及和推廣，并將會成為現(xiàn)代自動化技術(shù)應(yīng)用的主流[1]。

二、監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備分布情況和控制要求，采用西門子PLC200作為數(shù)據(jù)采集器件，結(jié)合其PROFIBUS-DP總線、工業(yè)以太網(wǎng)和ZigBee無線技術(shù)，組成開放的分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。綜合采用數(shù)據(jù)自動采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)存儲與處理等技術(shù)，為污水處理提供一個可視化、智能化的技術(shù)支持平臺。控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，與監(jiān)控中心相連的ZigBee模塊為中心節(jié)點(diǎn)，與現(xiàn)場控制器PLC相連的為終端節(jié)點(diǎn)[2]。

三、制軟件的設(shè)計(jì)

3.1 PLC的自由口通信

S7-200PLC支持多種通信協(xié)議。由于本系統(tǒng)中的通信使用了ZigBee無線設(shè)備，所以選擇了通信方式更加靈活的自由口通信模式[3]。本設(shè)計(jì)中將Port0端口設(shè)置為自由口通信模式，其相關(guān)參數(shù)設(shè)置為波特9600bit/s，8數(shù)據(jù)位，無校驗(yàn)，1停止位；將Prot1端口設(shè)置為PPI模式。只有當(dāng)CPU處于RUN模式時，才能使用自由端口模式。CPU處于STOP模式時，自由端口模式被禁止，自動進(jìn)入PPI模式，可以與編程設(shè)備通信。其工作流程如圖2所示。

3.2 VB與組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)交換

由于上位機(jī)使用的組態(tài)王軟件中沒有集成ZigBee設(shè)備相應(yīng)的驅(qū)動程序，所以現(xiàn)場PLC傳遞來的數(shù)據(jù)是先通過Visual Basic軟件采集至上位機(jī)再通過DDE（動態(tài)數(shù)據(jù)交換）的方式與組態(tài)軟件連接，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令的交換。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）在Visual Basic程序中創(chuàng)建與組態(tài)軟件的鏈接。

（2）設(shè)置窗體為DDE發(fā)布端。

在運(yùn)行時，當(dāng)現(xiàn)場PLC有數(shù)據(jù)傳遞至VB通信界面并顯示在對應(yīng)的文本文件中時，文本文件中數(shù)據(jù)會進(jìn)行更新，而組態(tài)王中與其相對應(yīng)的數(shù)據(jù)變量的值也隨之更新，并保存到相關(guān)的數(shù)據(jù)庫中，實(shí)時的反應(yīng)在監(jiān)控中心的人機(jī)界面上，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的，程如圖3所示。

3.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)需求，監(jiān)控中心對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的記錄必須要有SQLServer數(shù)據(jù)庫的支持，這里用到是SQL Server 2000。本系統(tǒng)中的監(jiān)控部分需要完成兩個主要功能，即數(shù)據(jù)采集存儲與執(zhí)行控制命令的存儲。這里用到是SQL Server 2000，根據(jù)需求建立兩張數(shù)據(jù)表：（1）采集表：采集表是用來記錄VB采集PLC控制的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，為通信軟件提供數(shù)據(jù)源。（2）control表：control表是用來記錄控制中心發(fā)送的關(guān)于設(shè)備的相關(guān)控制命令。

3.4 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控采用組態(tài)王軟件，使用組態(tài)王研發(fā)工業(yè)監(jiān)控的項(xiàng)目，加強(qiáng)了用戶在生產(chǎn)中的控制效果，從而提升企業(yè)的生產(chǎn)效率，提升產(chǎn)品的質(zhì)量，降低成本以及對原材料的消耗，利用組態(tài)王軟件完成上位機(jī)所需的現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控畫面，包括監(jiān)控中心主畫面、系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)圖、工藝參數(shù)報(bào)警、曝氣濾池罐監(jiān)控畫面、液位等模擬量趨勢、操作日志、報(bào)表輸出等。可直觀、動態(tài)地顯示出現(xiàn)場各部位重要參數(shù)的變化，實(shí)現(xiàn)人性化的信息交換[3]。

四、結(jié)語

本課題結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目需求，對通信方案做出了設(shè)計(jì)，構(gòu)建了基于ZigBee的污水處理廠監(jiān)控系統(tǒng)。綜合應(yīng)用了BAF技術(shù)和無線ZigBee通信技術(shù)，解決了整個污水處理廠數(shù)據(jù)的采集和在線監(jiān)控問題，融合了較先進(jìn)的現(xiàn)場總線技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)測、控、管一體化的污水處理廠綜合自動化功能。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 鄧雪萍. 無線通信中ZigBee技術(shù)淺析. 消費(fèi)導(dǎo)刊·科技論壇，2008，8：182

[2] 王翥，郝曉強(qiáng)，魏德寶. 基于WSN和GPRS網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng). 儀表技術(shù)與傳感器，2010（1）

[3] 李戰(zhàn)明，劉寶. ZigBee傳感器M絡(luò)在路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009，（02）