基于物聯網的污水處理監控系統研究

吳海明

（廈門東海職業技術學院，福建 廈門 361100）

0 引言

我國水資源豐富，但人口眾多，人均水資源僅為世界平均水平的28%[1]。隨著我國經濟社會的發展，生產、生活用水不斷增加，污水排放問題越來越嚴重。污水排放導致水體、土壤等受到污染，嚴重威脅人民群眾的身體健康，因此污水處理極為重要。對污水處理過程進行監控是保證污水處理正常高效運轉的重要手段[2?4]。目前，大部分污水處理廠仍依靠人工進行24 h值守監控，信息傳輸采用有線方式，無法進行歷史數據的查詢、收集、分析等[5]。物聯網技術的不斷發展，手機、平板電腦等無線設備的不斷普及，使遠程實時監控成為可能。本文利用物聯網模塊、PLC等設計了一套基于物聯網的污水處理監控系統，解決了目前污水處理監控系統遠程監控的難題，為實現污水處理遠程監控提供借鑒。

1 系統總體架構

根據基于物聯網的污水處理監控系統的需求分析，污水處理場包括格柵井、調節池、厭氧池、接觸氧化池、沉淀池、接觸消毒池、污泥池、事故池等污水污泥處理系統，以及廢氣處理系統。監控系統要實現對污水池中動力泵的監控和對水位、余氯等模擬量的監控，出現故障時系統能夠自動報警。上述功能需在現場端及遠程端同時實現，其工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

根據物聯網結構劃分規則，將整個系統分為感知層、網絡層及應用層。其中，感知層是最底層，包括現場各類傳感器、浮球及PLC，實現現場數據采集分析。網絡層則是整個物聯網系統的中樞神經，包括工業智能網關、交換機、各通信協議，將系統中的各種設備、應用程序、通信協議等連接在一起，實現各設備信息的交互。應用層是三層結構的頂層，主要包括現場端應用程序及遠程端應用程序。現場端應用程序為觸摸屏應用程序，遠程端應用程序包括計算機端組態程序及手機App，用戶通過應用程序可以實現對現場設備運行情況的監控。整個監控系統結構如圖2所示。

圖2 監控系統結構框圖

2 系統硬件設計

污水處理監控系統的硬件部分主要由核心控制器、工業智能網關、觸摸屏、變頻器、提升泵、液位傳感器、余氯檢測儀、流量傳感器等組成，通過手機App、網頁、計算機組態程序及觸摸屏等實時監控設備運行情況，硬件系統架構如圖3所示。

圖3 硬件系統架構框圖

根據監控系統結構框圖及硬件系統架構框圖，分析所需器件，得到具體材料清單。本系統共包含7臺動力泵，其中調節池中兩臺污水提升泵通過兩個浮球控制其依次或同時工作，接觸氧化池中設計混合液回流泵，當調節池中污水提升泵運行時，其聯動運行，到達運行設定時間時停止運行。沉淀池中配備污泥提升泵，該污泥提升泵由變頻器接入，可通過系統設定工作時間。污泥池中配備兩臺污泥提升泵，通過污泥池浮球控制兩臺提升泵依次切換工作或同時工作。事故池中配備事故提升泵，根據事故池及調節池的液位控制該提升泵運行。系統還需實現對余氯發生器、鼓風機、潛水攪拌機等設備的控制。

根據硬件系統架構框圖及硬件電路設計要求畫出電路圖，在電控柜外部安裝觸摸屏、電源開關、指示燈、急停按鈕等，在電控柜內部安裝PLC、電源模塊、智能網關等設備。

3 系統軟件設計

要實現對設備的監控，除了設計基于物聯網的污水處理監控系統的硬件架構外，還需要設計配套的軟件。系統通過軟件將污水處理現場的設備參數采集后反饋到平臺控制端，平臺控制端根據反饋的信息進行設備的自動控制，在遠程端利用手機、計算機等設備根據接收到的數據及時調整現場設備狀態，當設備出現故障時及時報警、定位并記錄。

3.1 PLC程序設計

本系統選用某品牌PLC作為核心控制器件，采用程序塊模式進行編程。編程前需根據PLC型號進行系統配置，完成后即可進行程序編寫。因程序塊編程方式將整個系統按照實際功能分成若干個程序塊，通過一個主程序控制各子程序塊的運行，便于整個模塊的控制、修改及維護。

在主程序中接入急停按鈕，當急停按鈕通電時，設備正常運轉，掉電時各子程序停止工作，實現急停。

根據系統功能需求，子程序塊包括用于讀取系統時間的CLOCK模塊，用于定時啟動部分設備的定時啟動模塊，用于時間轉換的數值轉換模塊，用于自動控制污水處理設備狀態的自動模塊，用于自動報警的報警模塊，用于PLC與變頻器間通信的MOD?BUS模塊，用于讀取外部模擬量信號的模擬量模塊。程序框圖如圖4所示。

圖4 PLC程序框圖

3.2 觸摸屏組態軟件設計

系統選用自帶集成開發系統的觸摸屏，可以直接在其自帶的開發系統中進行組態設計。

軟件設計前，通過通信連接設置、接口設置及通信端口屬性設置，將其與系統中的PLC進行配對，配對成功后即可進行程序設計。根據系統實際情況，在觸摸屏中設置開機頁面、運行界面、設置頁面、報警頁面及變頻器設置頁面等人機交互界面，設計完成后將頁面中各組態控件與PLC中各設備輸入輸出地址進行參數綁定。通過以上幾個界面的設置，用戶可以在各頁面查看設備的運行情況，設置設備啟停時間，查看歷史報警記錄等。所有信息配置完成后，通過USB或以太網即可將工程文件下載到觸摸屏中。觸摸屏程序設計流程如圖5所示。

圖5 觸摸屏程序設計流程

3.3 計算機端組態軟件設計

計算機端組態軟件即上位機程序，主要用于在監控室或辦公室等固定場所進行監控。上位機以前常采用VB語言或C語言進行設計，雖然能夠實現個性化的界面定制，但是對開發人員的素質要求高，且工作效率低，移植效果差，成本高。目前上位機編程大都采用組態軟件來實現，組態軟件實現了標準化、模塊化設計，設計人員只需從系統中調取模塊并進行簡單的編程就可實現復雜、高效、穩定的上位機功能，成本低，效率高，開發周期短。

利用工程創建向導完成工程的創建，之后進行串口設計，通過串口與PLC進行通信。為該串口指定PLC中的地址，設置完成后該工程軟件即可與PLC進行通信。

串口設計完成后，需進行數據詞典設計，用于進行數據控制及交換，根據PLC程序及觸摸屏等設備設置的地址進行數據規劃，指定對應變量名及寄存器端口，建立設備間的聯系。之后即可進行人機交互界面設計。人機交互界面包括主界面、運行界面、I/O界面、參數界面、變頻器的模擬量界面、報警界面6個界面。計算機端組態軟件設計流程如圖6所示。

圖6 計算機端組態軟件設計流程

3.4 手機端平臺配置

手機端平臺的作用是讓用戶在手機端實現對現場設備的監控，通常通過智能網關來實現。平臺配置包括軟件配置及云端組態設計。

1）軟件配置。選擇合適的物聯網盒子，并添加到軟件中，通過以太網將其與系統中的PLC連接，進行系統監控變量配置、報警記錄配置、歷史數據配置并將數據上傳至服務器。

2）云端組態設計。設計前先將軟件中配置的數據如數據表、變量表及告警表等導入云端，以便后續創建的組態控件與PLC、觸摸屏等設備進行通信。

云端組態設計與觸摸屏組態設計類似，具有較好的屏幕自適應性，不需要進行畫布大小設置即可適配各種屏幕尺寸的設備。云端組態設計的界面包括主界面、運行界面、變頻設置界面及時間設置界面。各界面控件布置完成后，將前面定義的各數據變量與對應的組件進行數據綁定，以便將組態控件與實際設備連接。所有界面配置完成后進行狀態測試，測試成功后即可發布。此時通過計算機云平臺或手機云助手App即可進行設備實時數據和畫面監控、報警數據和歷史數據查看等。手機端平臺配置流程如圖7所示。

圖7 手機端平臺配置流程

4 污水處理監控系統功能測試

測試前將PLC、觸摸屏、遠程模塊通過網線接入到交換機中，并讓各設備處于同一網絡頻段，交換機連接外部以太網，分別利用4個開關模擬4個浮球，利用PLC程序模擬外部余氯、水流量等模擬量輸入，連接完成后通電即可進入測試模式。本文分別進行手動控制測試和自動控制測試。

4.1 手動控制測試

電控柜上的開關為三檔控制開關，每個開關控制系統中的一個動力設備，開關上方設有指示燈，當設備運行時，對應開關的指示燈亮，停止時指示燈滅。三檔開關中間為停止，左邊為手動啟動，右邊為自動啟動。測試前將所有開關撥至中間檔，通電后所有指示燈均為熄滅狀態，說明此時無設備運行。將開關逐個向左撥時，每向左撥動一個開關，對應的指示燈點亮。當所有開關均撥至左側后，電控柜上所有指示燈均點亮，說明所有設備均處于運行狀態，手動控制功能正常。

4.2 自動控制測試

自動控制測試前，先將所有三檔開關撥到右側，然后分別通過觸摸屏端、計算機端及手機App端進行定時啟動測試、運行時長測試及變頻器測試。經過測試，所有設備均能按要求正常啟停，說明自動控制功能正常，滿足設計要求。

測試各設備在浮球控制下的運行情況。分別測試高浮球、高高浮球、污泥池浮球及事故池浮球開啟、關閉時各設備的運行情況。經測試，設備都能按照預設要求正常運行，在觸摸屏端、手機App端及計算機端都能查看設備運行情況，查看水流量、水位及余氯量等數據。讓高浮球和高高浮球同時開啟，測試水量過大無法及時排出時系統能否正常報警。測試顯示，當水量過大且達到設定時間后，報警蜂鳴器響，系統記錄報警信息，并通過手機微信公眾號發布報警信息，提醒用戶及時查看設備情況。自動控制測試流程如圖8所示。

圖8 自動控制測試流程

5 結語

本文設計了一套基于物聯網的污水處理監控系統，并進行手動控制和自動控制功能測試。測試表明該系統可實現現場及遠程設備監控，使用戶能夠隨時隨地掌握污水處理設備運行狀況，提高生產效率，降低成本。