(东北大学 信息学院, 辽宁 沈阳 110004)
摘 要:随着移动通讯技术的飞速发展,基于GPRS技术的无线通讯当前正得到广泛应用,将该通讯技术应用于工业控制系统中,可以把传统的数据采集方式转变为远程无线数据采集,实现物联网终端设备的互联互通｡本参赛项目正是基于物联网这一热点话题,应用三菱Q系列PLC,GPRS-DTU等设备,针对橡胶厂在生产过程中产生的碱性工业废水净化处理工艺,研发高效低耗的污水处理网络控制系统｡
关 键 词:物联网;Q系列PLC;CC-Link;GPRS;DTU;变频器;污水处理;人机界面
中图分类号:TP 文献标识码:A
The terminal sewage treatment plant network control system of The Internet of Things based on GPRS
HUANG Yi-ze,ZHANG Ye-wei, ZHU Hong-qing ZHAO Su,JIA Xu,
(College of Information Science and Engineering , Northeastern University, Shenyang 110004, China)
Abstract: With the rapid development of mobile communication technology, GPRS-based wireless communication is currently widely used. The communication technology used in industrial control systems can change the traditional data collection methods for remote wireless data collection, the terminal equipment of things to achieve interoperability. It is based on the entries of things that a hot topic, the application of the Mitsubishi Q series of PLC, DTU and other equipment for rubber factory in the production process of alkaline industrial waste water purification treatment process research and development efficiency and low consumption of the sewage treatment network control system.
Key words: The Internet of Things; Q series of PLC; Transducer; GPRS; DTU; Inverter; Sewage Treatment
1 引 言
在传统污水处理工业中，一直存在着监测节点分散，有线网络数据传输有限｡污水处理作为工业生产的附加产业，为提高生产效益,降低工程费用，实现远程监控、少人甚至无人监管具有重要的意义｡将网络覆盖范围更广、网络连接更方便的GPRS技术应用到污水处理监控系统，与工业现场的传感器相融合，从根本上解决原有问题，实现工业现场的远程实时监控｡
2 GPRS 技术简介
GPRS（General Packet Radio Service），通用无线分组业务，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接｡通俗地讲，GPRS是一项高速数据处理的技术，方法是以“分组”的形式将资料到传送用户手上｡GPRS被广泛应用于www浏览、信息查询，远程监控等领域｡GPRS除了频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及TDMA帧结构与GSM相同，还具有以下的特点：
1)高速传输
可以稳定地传送大容量的高质量音频与视频文件，实际应用中GPRS可提供高达56~115 kb/s的传输速度，最高理论值能达171.2kb/s｡
2)永远在线
当进行通信时，只要能够得到无线信道，GPRS就能建立连接；而用户处于“在线”状态，不需使用拨号Modem建立连接。
3)价格低廉
对于分组交换模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率｡计费以用户通信的数据量为主要依据｡[1]
综合上述技术特点，GPRS技术特别适用于间断的，突发性的或频繁的少量的数据传输场合。
3 污水处理工艺简介
我国污水处理相对于发达国家而言起步较晚，目前城市污水处理率只有6.7%｡结合我国实际情况，参考国外先进技术和经验，建设污水处理厂应符合节约投资，降低成本，减少占地，除氮效果显著以及与现代技术有机结合等几个发展方向｡
本项目所设计的污水处理厂网络控制系统采用分级处理工艺，分为一级处理和二级处理｡一级处理采用物化方法，通过格栅拦截、沉淀等手段去除原水中大块悬浮物和砂粒等物质｡二级处理则采用生物方法,通过微生物接触氧化，水下曝气等工艺来去除原水中的悬浮性、溶解性有机物以及氮、磷等营养盐｡工艺流程如图3.1所示。
图3.1 系统工艺流程图
4 污水处理网络控制系统
4.1硬件系统架构
对于污水处理厂而言，存在大量传感器、控制器等现场设备，他们通常相当零散的分布在较大的范围内，由他们构成的控制底层网络，单个节点的控制信息量不大，信息传输的任务较简单，但对其传输信息的实时性、快速性要求较高。又因为污水处理的水池体积都较为庞大,更导致数据采集点相对分散,距离远，不便于集中管理。因此,本系统采用三菱PLC+CC-Link+ GPRS组成双层网络远程控制系统｡硬件系统由PLC系统、数据采集节点、GPRS通讯、远程监控上位PC机4个部分组成｡硬件结构图如4.1。
图 4.1 污水处理自动控制系统硬件结构图
根据污水处理的工艺要求，选用三菱Q00J的CUP作为主站，用F700变频器，远程输入、远程输出、远程A/D模块，FX2N系列PLC作为从站，构成污水处理的CC-Link现场总线控制网络。
现场总线就是通过一对传输线将分散孤立的带有通讯功能的自动化设备或模块互联成网络。它作为纽带将挂在总线上的网络节点组成自动化系统，把通讯线路延伸到现场的生产设备，构成生产自动化的现场设备和仪表互联的现场通讯网络。
各现场智能设备分别作为一个网络节点，通过现场总线实现各节点之间、现场节点与上位机之间的信息传递与沟通。向上传送信息实现资源共享、集中管理，向下延伸扩大控制规模、分散控制。完成各种复杂的综合自动化功能。
CC-Link现场总线技术具有节省配线，实现高速通信，使系统更加具有灵活性的特点。同时具有丰富的功能：简单的系统组态功能，自动刷新功能，丰富的RAS（Reliability Availability Serviceability）功能，预约站功能，备用主站功能，子站脱离功能，自动上线功能，监控功能等。
CC-Link现场总线网络将网络技术运用于控制系统，极大的提高了控制系统的灵活性和可靠性，能够实现控制系统的一体化和协调性 。
将FX2N系列的RS-422内置接口连接HMI(Human Machine Interface )人机界面接口，实现工业现场控制；将 FX2N系列FX2N-485-BD扩展接口与DTU(Data Transfer unit)连接。DTU全称为数据传输单元（沈阳市兴达科技开发有限公司生产），是专门用来将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据，通过无线通信网络进行传送的无线终端设备。它具有组网迅速灵活，建设周期短、成本低，网络覆盖范围广，安全保密性能高的优点。DTU上电运行后先注册到移动的GPRS网络,然后与后台中心建立SOCKET连接，后台中心作为SOCKET的服务端｡DTU是SOCKET连接的客户端｡在建立连接后，前端的现场设备和后台中心就可以通过DTU进行双向无线数据传输｡[2]从而实现该系统的无线远程控制与监视。
4.2软件系统设计
软件系统的设计由PLC编程，上位机监控和HMI的触摸屏人机界面构成SCADA( Supervisor Control And Data Acquisiti)系统。
考虑到运行的安全性和灵活性，系统有自动、手动2种操作方式，且2种操作方式互相独立｡在自动方式下，PLC取得完全的控制权，它根据预定的工艺流程对现场设备进行控制｡上位机起“监视”的作用，只有检测到异常时，它才会相应产生报警信号以提醒工作人员｡在步操和点操下，PLC处于等待状态，上位机根据操作人员从输入设备输入的信息向PLC发出相应的指令，然后，PLC才控制现场设备的动作｡手动操作是指根据画面上的步序开关或阀门来控制设备的运行｡各步序通过时间或根据水质、工艺要求来控制｡
4.2.1 PLC程序设计
通过PLC编程实现污水处理流程的控制，设计系统包含自动、手动2种互相独立的操作方式｡Q主站实现开关量以及模拟输入量的采集，将采集的数据经过处理后通过CC-Link网络传送给变频器和FX等从站，从而实现对现场的控制。FX从站主要负责与上位机监控系统的通信和具体的污水处理过程，包括泵的开启，电机的运转等。
针对污水处理工艺以及需要采集的数据信息，编写PLC程序，其流程图如下图｡
图4.2 PLC程序设计
4.2.2 易控组态软件
由于对污水处理的多项工艺指标需要进行实时跟踪,保证工艺要求，工业现场情况又十分复杂,不适宜工作人员长期进行现场操作，因此为了便于工作人员对现场的远程监控和管理，我们借助易控组态软件建立监控系统。组态软件具有丰富的设备驱动程序、灵活的组态方式和数据链接功能，用其构造监控系统能大大缩短开发时间，并能保证系统的质量｡操作人员可以通过计算机监控画面向PLC发出各种控制命令，还可同时将PLC的各种实时数据采集回来，在用户画面上用状态图、趋势图或棒图等动态图表和图形表示出来，实现对生产过程的全程监控，易控软件系统还具有实时报警和历史数据保存等功能。
本项目中，将易控软件中的CDMA_GPRS通信接口通道与DTU-GPRS通过互联网(Internet)链接，组态软件接收到PLC现场总线通过DTU发送到Internet的信息，并不断自动刷新,使监控界面实现如下功能：
1）实时反映污水处理流程中各个环节的水质情况、如进出水电导率、PH值、液位、流量等信息，并自动保存实时曲线、历史曲线、报表三种形式的数据信息，供管理人员管理、分析、决策。
2）手动、自动控制切换功能，通过编写组态软件，实现与现场人机界面相同的手动、自动运行切换功能。
3）故障报警，当污水处理各环节中出现超过或低于限制值的情况时，该监控系统可发出循环声音报警信号，直到故障排除。
4）事件处理,通过该监控系统，可以修改现场PLC控制器的寄存器中的数值，实现对现场紧急事件的处理，也可以切换至手动方式，直接控制阀门开关，泵的启停。
5）用户权限管理等功能，该系统设计了软件操作人员登陆管理机制，设置了多级权限，实现多级控制，因此可将一套监控系统应用于多级管理机构，节省了资源。
利用GPRS通讯技术，使得控制系统更加灵活、可操作、方便扩大控制规模，实现远程监控｡上位机监视画面示意图如图4.3所示。
图4.3监视画面
4.2.3 人机界面
在软件的开发过程中，人机界面的友好性显得至关重要，因为它直接和操作人员交流信息｡[3]良好的人机界面不仅要直观、生动，而且还要能准确地实时再现被控对象的起初状态，如阀门的开关，泵的启停｡
我们选用步科电气公司生产的MT4300C型触摸屏做人机界面接口｡用户可以通过HMI人机界面接口修改风机等设备的运行时间，从而适应不同的污水达标要求｡针对具体工艺要求，该系统具有两种运行方式 ｡
1) 自动运行方式｡控制系统根据集水井的液位高度，自动开启或关闭污水阀；集水井内PH计的设定范围，决定是否自动开启调节池或事故池；调节池的液位高度，限定自动控制提升泵1的运行；加药泵1依据PH计1令变频器控制加药量；根据电导率的测定值，自动控制电动阀门2的开启；变频器与溶解氧测定仪连锁控制风机2的鼓风量，溶解氧测定仪显示溶解氧含量，当溶解氧低于某值时自动报警；根据污泥池的液位高度，自动控制螺杆泵的启动；带式污泥脱水机自带报警显示｡
2) 手动运行方式。手动运行方式也就是单步运行操作，既可以手动操作整个系统运行，也可对于系统进行检修，对部件进行逐个调试｡共有3种调试方法：用控制柜中的开关对其进行控制，或通过HMI人机界面对其进行单步控制，也可以使用上位机的监视画面对其进行操作。
5 物联网概念在本项目中的应用
物联网这一概念是指将无处不在的，末端设备和设施，包括具备“内在智能”的传感器，移动终端，工业系统等通过各种无线/有线的长距离/短距离通讯网络实现互联互通，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、报警联动、远程控制、安全防范、远程维保、统计报表、决策支持、领导桌面等管理和服务功能，实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化。[4]
在工业控制行业中,过去的思路一直是将物理基础设施和IT基础设施分开，一方面是工业现场，仪器仪表，另一方面是数据中心，个人电脑、宽带等｡在物联网时代，仪器仪表、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施，这一概念的提出，必然带动传感器技术及无线传感器网络技术的发展，并为我国正在推进的信息化与工业化融合提供新的思路｡
在污水处理工艺中，需要设置大量的数据采集节点,如液位，PH值，电导率，含氧量等，现场总线技术虽然解决了布线简单、高速通讯、维护方便等问题，但毕竟信号传输距离有限。
在本项目中通过GPRS无线通讯技术，使这些节点形成了具有一定规模的传感器网络，通过把底层网络与上位机监控平台与互联网结合，实现现场数据与控制信号的双向收发，构成了一个典型的物联网络终端｡组网示意图如图5.1所示。
图5.1 污水处理组网应用示意图
6 总结
本项目针对分布范围广、布局复杂的污水处理控制系统提出了一种较好的方法｡应用三菱Q系列PLC等设备及GPRS无线通讯技术，构建了基于GPRS的物联网终端污水处理网络控制系统，实现了无线远程多级监控｡该项目在实际应用中能够运行正常，性能稳定、可靠，监控界面友好直观，操作简便｡这种无线传感器网络的应用，使自动控制系统更加具有实用性和灵活性｡这也正是一种物联网概念的体现与运用｡
参考文献
[1] 韩冰,李芬华.GPRS技术在数据采集与监控系统中的应用 [J]. 电子技术, 2003, 30 (8) _4.
[2] 刘教瑜,吴美玲,谭杰等.GPRS DTU的设计及研究 [J]. 电力自动化设备, 2006, 26 (3) _3.
[3] 李培元.火力发电厂水处理及水质控制 [M].北京：中
国电力出版社,1999.
[4] 姚万华. 关于物联网的概念及基本内涵 [J].中国信息界,2010 , (5) .