小型電滲析設備的遠程監測與數據管理系統

鄭高峰,傅 剛,姜佳昕,柳 娟

(廈門大學航空航天學院，福建廈門361102)

目前，淡水資源短缺已成為當前世界性的資源問題.地球海洋資源十分豐富，海水淡化已經成為解決水資源問題最具發展潛力的方法之一[1].隨著遠洋航行、海洋工程、海島開發等行業的發展，小型、高效的海水淡化技術已經成為研究的重點[2-3].現有的海水淡化方法主要有蒸餾法、反滲透和電滲析等[4-5].其中，電滲析技術具有建設成本低、能耗低、分離效率高等特點，可滿足船舶、海島、海洋工程等領域對小型海水淡化的應用需求，近年來獲得了廣泛關注[3,6].而小型電滲析海水淡化設備的應用面臨使用環境分散復雜，過程監管、維護不便等挑戰，亟待引入完善的智能化監控系統以便進一步推廣小型電滲析技術的應用[7-8].

電滲析采用直流電場驅動水體中的陰離子和陽離子分別選擇性通過離子交換膜，從而實現離子分離和水體淡化[9-10].極板兩端施加的電壓是離子定向移動的動力來源，離子定向移動形成的遷移電流是電滲析器膜堆使用壽命、出水質量等工作狀態的重要監控指標.增加極板間的電壓可加速離子遷移、加快水處理效率、提高出水質量；但過高的電壓既增加了能耗，也易引發短路產生危險[11].電導率是衡量電滲析水處理分離效率的重要指標，可用于直接監控淡水純度[12-13].此外，濃縮水和淡水的pH值可反映陽離子交換膜和陰離子交換膜交換效率的一致性；而水泵供水流量決定了淡水的處理質量[14-15].小型電滲析設備應用研究仍主要基于電導率和pH值反饋的單臺設備的自動化管理，而對于數據管理分析與遠程控制仍較為缺乏，限制了電滲析大數據分析水平的提升與設備的推廣應用.

本文針對分布式應用的發展需求，構建了小型電滲析設備的遠程監測與數據管理系統，實現了電壓、電流、電導率、pH值、溫度、流量、水壓等運行狀態參數的實時監測、傳輸與存儲管理.

1 小型電滲析設備控制系統的構建

圖1 小型電滲析設備控制系統Fig.1The small electrodialysis equipment control system

開發了如圖1所示的小型電滲析設備控制系統，包括可編程邏輯控制器(PLC)、電磁閥、膜堆、蓄水池、水泵、散熱風扇、水泵驅動、蓄電池等，并設有電壓電流傳感器完成極板間電壓、離子遷移電流的檢測.膜堆是電滲析主要部件，安裝有電滲析離子交換膜組，可實現陰、陽離子的定向選擇性遷移.水泵用于驅動水體傳輸，蓄水池用于存儲電滲析過程的濃縮水、淡化水以及原水，與各個水體通道相連接，電磁閥用于控制設備供水、出水等水路的工作狀態.散熱風扇用于設備降溫，太陽能電池控制器和蓄電池可為設備的運行提供電能，提升設備的自適應能力.

小型電滲析設備控制系統的控制流程框圖如圖2所示.采用PLC作為設備主控制器，采集電壓、電流、水溫、pH值、電導率、水壓、電磁閥開關等工作狀態信息，并以水溫、水壓、電流值作為電滲析設備安全運行的重要監測指標.本研究開發了電滲析工藝自適性控制算法，可根據電滲析工作狀態反饋信息自動輸出控制信號完成電機水泵速度、電磁閥開關、電壓源輸出電壓值的調節，并通過全球移動通信系統(GSM)網路模塊把電滲析設備工作狀態傳輸到云服務器.

圖2 電滲析設備控制流程圖Fig.2The control flow diagram of electrodialysis equipment

2 數據通訊與遠程監測系統的設計

電滲析水處理數據管理與遠程監測系統采用客戶端/服務器(C/S)架構.服務器運行端口監聽程序和數據庫服務，用于監聽和轉存數據；客戶端包括PC端程序和在手機上運行的微信小程序，用于電滲析系統狀態的監測和歷史運行數據的查詢.

2.1 數據采集與上傳

數據的采集通過PLC來完成，采集現場設備電滲析水處理過程中的數據(設備運行狀態數據)，還有各項運行數據的檢測(電壓、電流、濃縮室pH值、淡化室pH值、濃縮室電導率以及淡化室電導率).現場收集到的數據通過ModBusRTU通訊協議發送到GSM模塊.GSM模塊將數據按GPRS方式發往云端服務器，云端服務器運行端口監聽程序接收GSM傳輸的監控信息，并將信息歸類處理后填充到MySQL數據庫中存儲，數據通訊過程如圖3所示.

圖3 電滲析設備控制系統數據通訊示意圖Fig.3Data communication diagram of electrodialysis equipment control system

2.2 服務器層數據傳輸

本套系統的數據載體放置于云端，PC端以及移動端的搭建依賴于服務端，服務端由云數據庫以及云服務器組成，此為服務層以及數據管理層.表示層的數據來自于與服務層以及數據層進行數據交互產生的數據.表示層與應用層數據是交互式的，表示層向應用層發送請求時，應用層接收到請求后，根據請求向數據層發送基于超文本預處理器(PHP)語句的指令，再用結構化查詢語言(SQL)對數據庫進行操作.數據層返回的數據通過應用層傳輸回用戶層，此為一個數據傳輸流程.通過超文本傳輸安全協議(HTTPS)訪問的過程安全性高，便于系統的維護，數據管理以及遠程監測系統具有良好的兼容性，方便用戶進行數據查詢，系統的整體數據流圖如圖4所示.

2.3 用戶端數據查詢

用戶端查詢包括個人電腦(PC)端和手機端查詢兩種，其數據管理系統結構框架如圖5所示.采用C#開發了PC端查詢程序，具備數據讀取與查詢、系統運動狀態監測、報表生成、數據導出等功能.PC端程序主要是面向維修及管理人員，便于進行運行狀態的監測、變化趨勢的跟蹤、控制技術的研究.微信小程序主要是面向普通用戶進行數據的遠程與實時查詢，具有數據交互查詢、數據圖表繪制、用戶界面(UI)設計以及異常報警等功能.手機端程序的開發方便了運行數據實時監測與查詢，有助于快速掌握電滲析設備的運行故障信息，極大提高了設備運行的安全性.

3 系統測試與驗證

在云服務器端對電滲析系統進行監控和歷史數據查詢，需要通過管理員賬戶登陸MySQL服務器賬號直接訪問數據庫，打開端口監聽程序中設定的數據表，就可以查詢到電滲析設備控制系統的運行數據，如圖6所示，數據庫中按時間順序記錄了電滲析設備運行時的電壓值、電流值、系統運行的功率、系統目前時間的耗電總量、電滲析膜堆中淡水室的電導率和pH值.這里的數據是PC端和手機微信小程序訪問的數據源，如果對此數據庫信息進行修改，PC端和微信小程序訪問到的數據也隨之修改，因此云服務器端的訪問只對開發人員開放.

圖4 電滲析設備控制系統的數據流圖Fig.4Data flow of electrodialysis equipment control system

圖5 數據管理系統總體架構圖Fig.5Overall architecture for data management system

圖6 電滲析設備控制系統云數據庫信息Fig.6Cloud database information of electrodialysis euipment control system

在PC端對電滲析系統進行監控和歷史數據查詢是通過C#編程語言寫的窗體小程序實現的，程序通過文本框(TextBox)控件獲得需要查詢的電滲析設備運行數據所在的數據庫名稱和登陸密碼，然后通過C#編程語言提供的訪問數據庫方法對云端數據庫進行訪問，如圖7所示.除此之外，程序還提供了電滲析設備控制系統特定時間段運行的數據查詢功能，可以分別對溫度、pH值、電導率、電壓和電流的數據趨勢進行觀察.數據可以Excel表格的格式導出保存.

圖7 電滲析系統電腦端程序Fig.7Computer program of electrodialysis system

在手機端對電滲析系統進行監控和歷史數據查詢需要登陸微信小程序，注冊個人信息后方可進入圖8(a)所示的導航界面，小程序的主要功能包括數據查詢和報警信息查詢.如圖8(b)所示的就是報警信息頁面，在該頁面可以設置電滲析設備工作的電壓和電流的極限值，電壓或電流一旦超過極限值就會生成報警信息，工作人員可以查看報警信息來確定設備的運行狀態并排查電滲析設備的故障.圖8(c)所示為數據查詢功能頁面，在該頁面一方面可以實時觀測電滲析設備的運行狀態，查看電滲析設備近期的運行歷史數據，運行狀態趨勢圖如圖8(d)所示.手機微信小程序端主要是為工作人員提供一個便利實時的數據觀測，從而及時了解設備運行狀態.

通過實驗驗證，系統實現電滲析系統運行數據的檢測、遠程傳輸、云數據保存、端口查詢等功能，可滿足小型電滲析設備分布式應用的發展需求.

4 結 論

針對小型電滲析設備遠程監測和數據管理的發展需求，完成數據通訊和遠程監測系統設計.構建PLC電滲析設備自動控制系統，實現運行狀態的實時檢測與數據上傳；構建了服務器層云數據傳輸系統，實現運行數據的遠程保存與管理；基于云數據庫管理系統，分別面向專業維修管理和普通用戶開發了PC端和手機端兩種查詢程序，實現了大數據的分析、保存、查詢及異常數據報警.遠程監測數據管理與系統的開發，有助于加深小型電滲析設備控制技術的研究，為分布式海水淡化設備推廣應用提供基礎.

圖8 電滲析系統微信小程序Fig.8Wechat program of electrodialysis system