基于Web的污水處理遠程監控系統設計

董 哲，韓 杰，陳夢嬌

(北方工業大學 電氣與控制工程學院, 北京 100144)

基于Web的污水處理遠程監控系統設計

董 哲，韓 杰，陳夢嬌

(北方工業大學 電氣與控制工程學院, 北京 100144)

詳細闡述了針對一個中型污水處理過程中產生的溫度、流量、壓力、濃度等多個I/O數據進行實時采集與遠程監控系統的設計與實現。監控系統整體基于分布式結構并采用B/S架構實現，在介紹污水處理系統整體結構的基礎上，重點分析了中心服務器與現場PLC控制層的通信模式，闡述了Web監控層的畫面設計過程以及功能實現，遠程客戶端可以通過瀏覽器實時觀測到現場的狀況。

遠程監測;污水處理;Web技術

0 引言

隨著工業生產的快速發展，企業會在生產過程中產生大量的污水廢水，所以對污水做凈化處理勢在必行。利用臭氧作為氧化劑對工業廢水進行凈化和消毒處理已經在化工和環保領域廣泛應用[1-2]，并且企業需要對這些數據和現場的污水處理過程進行實時監控與信息掌握，在其過程中需要監測各項水質數據，包括水的溫度、壓力、流量、濁度、溶解氧濃度(DO)、生化需氧量(BOD)、化學模擬量(COD)等過程參數，以及監控污水處理設備的運行狀態。遠程監控系統融合了現場采集控制技術和網絡通信技術，使得工程人員不受地域限制，通過廣域網實時監控現場運行情況[3]。

1 系統總體結構

整個系統方案采用分層結構設計[4]，主要包括現場PLC設備層、數據信息通信層、Web監控層。系統的總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

整個系統采用B/S和C/S混合模式，現場污水處理過程中的數據采集模塊采用C/S結構開發，數據的監測以及對外發布功能采用B/S結構開發。現場設備層主要是監控污水處理的過程，遠程現場的過程數據和水質數據通過4G信號傳輸給服務器端進行數據匯總和存儲。數據信息通信層的功能主要是解析數據，對數據進行分析和在線存儲到數據庫服務器中。主站監控層主要實現了數據的Web發布功能，客戶以及工程人員可以通過瀏覽器隨時查看現場的控制參數和檢測數據。

2 系統的具體實現

2.1現場PLC設備層的方案設計

本文是結合實際項目進行開發的,具體污水處理工藝過程如圖2所示。整個處理過程分為3個部分，第一部分是氧氣投加過程，通過空氣壓縮機提供動力,其中監測量包括氧氣濃度、氧氣漏點溫度等；第二部分是臭氧的生產過程，在臭氧發生室內利用介質阻擋放電法(Dielectric Barrier Discharge, DBD)將氧氣電離生成臭氧，監測量主要有臭氧發生器電源板運行數據和PLC控制過程中的數據；第三部分是臭氧與污水進行化學反應的過程。

圖2 氧氣源系統及射流投加工過程

針對具體工藝流程，系統的控制設計采用西門子S7-200 SMART系列模塊，現場總線采用RS485通信總線，通信協議采用工業標準的MODBUS RTU協議。污水處理現場的控制總線結構圖如圖3所示。

圖3 現場控制總線結構圖

從總線結構圖中可以看出臭氧生產系統主要控制設備有3套，分別控制調節臭氧的生產量，三個臭氧系統PLC作為MODBUS從站將臭氧發生器設備中的控制、開關、調節、報警、故障提示等數據進行記錄；與此同時一個PLC主站主要讀取3個從站的數據以及通過RS485總線讀取水質檢測傳感器數據(溫度、PH值、電導率、溶解氧等參數)，數據匯總后寫入四號從站，四號從站通過4G路由信號將現場數據發送至遠端服務器。同時現場也有人機交互監控設備實時監測工況狀態并控制現場設備的運行。現場監控配置界面如圖4所示。

圖4 現場監控界面圖

2.2數據信息通信層設計

數據信息通信層主要解決遠程數據傳輸問題，工業現場總線運用比較多的協議有OPC協議、RS485/MODBUS協議、Ethernet/IP工業以太網協議等。針對項目的具體情況，對比這幾種協議在工業現場的運用情況，分別開發了基于MODBUS TCP協議的服務器程序和自定義協議棧的數據采集服務器程序。沒有選用傳統的OPC協議是因為其在作為遠程訪問時，Windows出于安全性考慮，需要配置DCOM組件，使得遠程訪問有諸多限制。圖5是開發的數據采集服務器程序界面。

圖5 數據采集服務器界面

服務器端的遠程數據采集程序設計基于C/S結構、TCP/IP協議開發。現場PLC實時采集數據然后通過4G路由器發送至服務器端，數據采集程序同時兼容兩種通信協議，一是標準的MODBUS TCP協議，二是根據此項目實際情況自行開發的數據通信協議。在自定義協議棧的開發過程中充分考慮程序的擴展性和兼容性，開放了相應的接口和方法方便二次開發利用。同時，數據采集服務器是基于socket接口開發的多線程程序，允許多個客戶端的同時接入并傳輸數據。數據采集程序將現場所有檢測到的數據進行實時顯示和存儲，其中主要包括控制過程數據和水質檢測數據。

2.3數據庫模塊設計

數據庫模塊設計在遠程監控系統中屬于比較重要的部分[5]。數據采集程序在收集到控制單元數據后，經過分析處理儲存到數據庫中。數據庫服務器的功能是實現對各個監測點數據的存儲和管理，數據類型大致分為污水參數、控制設備狀態、報警故障等。這些過程數據大致可以分為實時數據和歷史數據。所以考慮同時使用實時數據庫(PI)和關系型數據庫(MySql)，圖6為實時數據庫存儲流程。

圖6 實時數據庫存儲流程

來自現場的數據首先被送往接口程序進行例外測試，當數據變化程度超出采集的過程值預先設定的例外偏差，則數據被進一步傳送，否則就被丟棄。通過例外測試的數據進入快照子系統，成為新的快照值，舊的快照會通過“螺旋門”進一步壓縮后決定傳送還是放棄。接下來數據進入事件隊列，事件隊列中的數據被送往歸檔緩沖區，歸檔不可用時或隊列溢滿后數據被傳入磁盤，歸檔可用時數據進入歸檔數據庫。

關系數據庫主要儲存歷史數據，每個檢測點的每個時刻都產生一條記錄，不管檢測點的變化大小都要記錄,以方便對數據進行歷史查詢。本文選用MySql關系型數據庫來存儲歷史數據。

2.4 Web監控層設計

主站監控層主要是Web服務器端的功能開發和監控界面的設計，其中主要包括3個部分的功能模塊設計，一是對污水處理過程中產生的重要數據進行圖表的實時顯示，如：溫度、PH值、溶解氧、COD等數據指標；二是對現場進行實時視頻監控，使得工程人員可以實時觀測工況；三是對歷史數據的實時查詢，方便對整個污水處理過程進行數據分析與匯總。服務器端本文選用Apache Web服務器，使用PHP語言進行開發。

針對瀏覽器前端頁面的數據參數實時更新顯示問題，采用Ajax方法進行異步通信獲取實時數據，Ajax的工作方式如圖7所示[6]。客戶端通過Ajax引擎與服務器只交換有用的數據，而不是在客戶端向服務器端提交請求時，刷新整個頁面數據，這樣不僅可以減輕服務器的負擔，還可以提高系統整體的穩定性。

圖7 Ajax應用程序工作方式

在前端數據可視化顯示方面，本文選用了開源的Highchart控件來圖形化地實時顯示現場動態數據。Highchart是一個用純Javascript編寫的圖表庫，開發人員可以利用它在Web上快速開發有交互性的圖表，同時控件可以通過Ajax來加載數據，頁面控件利用Javascript來實例化一個XMLHttpRequest對象，通過open函數來配置服務器端請求的URL及數據傳遞方式，并每隔1 s向前端頁面發送一次請求，然后取得數據，數據傳到客戶端控件，控件組織數據顯示。

3 實施效果

該系統的實時數據監測界面如圖8所示，鼠標移動到曲線的不同節點時，會自動顯示相應的數據值。

圖8 實時數據監測圖

針對現場視頻監控功能模塊設計，本文選用配有視頻服務器的攝像頭，在中心服務器端相應頁面配置視頻服務器的IP地址，就可以將視頻流引入頁面并顯示，視頻實時監視功能包括多角度多畫面監控、截圖、調整視頻的分辨率和刷新率等功能。

4 結論

本文針對基于Web的遠程監控系統中的關鍵技術進行研究，實現了對污水處理過程中的數據進行遠程監測。該系統方案經過測試運行之后實際運行在一個中型污水處理項目中，達到了預期的設計目的和監測效果，確保了對大量數據進行有效的傳輸和存儲，很好地滿足了功能需求。整個系統結構簡單，易操作，易維護，擴展性好，可廣泛地適用于不同的工業污水處理現場。

[1] 朱強、周春蘭、王書梅.臭氧發生器在污水處理系統中的應用[J].化工中間體, 2015(2):47-48.

[2] 戴金峰，王杰亭.工業污水處理自動監控技術的應用[J].電子技術與軟件工程，2016(6):154.

[3] AGUADOA D, ROSENB C. Multivariate statistical monitoring of continuous wastewater treatment plants[J].Engineering Application of Artificial Intelligence(S0952-1976),2008,21(7):1080-1091.

[4] Liu Guijie, Mei Ning, Tan Junzhe. Research on Web based remote monitor and control system for grinding process[J].Materials Science Forum(S0255-5476),2006,532/533(26): 1112-1115.

[5] 王淑榮,李耀君,趙晉松.實時數據庫與關系數據庫在電廠中的集成應用[J].熱力發電,2006,35(6):10-13.

[6] 張修建，靳碩，趙茜. 基于Web的工業污水處理遠程監控系統[J].系統仿真學報,2012,24(5): 1104-1108.

Design of remote monitoring system for wastewater treatment based on Web

Dong Zhe, Han Jie, Chen Mengjiao

(College of Electrical and Control Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China)

In this paper, the design of a Web based remote monitoring system is presented, and the system is used in a medium-sized water treatment process which collecting real-time data such as temperature, water flow, gas pressure, soild concentration and the I/O type of data from the process of production. The whole system is based on distributed structure and adopts B/S architecture. On the basis of introducing the whole structure of the water treatment system, the paper mainly analyzes communication mode between the host server and PLC control layer, and expatiates the Web design process and the functions implementation of the monitoring system. Users can observe the condition of the site by the browser.

remote monitoring and control; wastewater treatment; Web technology

TP312

：A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.17.028

董哲，韓杰，陳夢嬌.基于Web的污水處理遠程監控系統設計[J].微型機與應用，2017,36(17)：96-98,105.

2017-02-13)

董哲(1981-)，男，博士，副教授，主要研究方向：工業自動化、網絡化控制系統、無線傳感網絡等。韓杰(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：網絡化控制。陳夢嬌(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向：物聯網技術。