基于GPRS的污水處理監(jiān)控系統設計
摘要:首先介紹GPRS技術的原理和GPRS在污水處理監(jiān)控系統中的應用,針對某市污水處理廠的實際情況,提出一種基于GPRS技術的污水處理遠程監(jiān)控系統設計方案,并設計通信規(guī)約和上位機軟件。通過實際的系統運行,污水處理能力和效率均得到明顯提升。
關鍵詞:通用分組無線業(yè)務(GPRS);上位機;污水處理;遠程監(jiān)控
污水處理監(jiān)控存在設備分布點零散,而且每個點設備較少的情況。因此,對這些設備的實時監(jiān)測存在鋪設線路成本高、維護費用高、不易調整等問題。通用分組無線業(yè)務GPRS(General Packet Radio Service)數據傳輸網絡則為此提供一個最佳解決方案。在其基礎上可進行多種數據傳輸業(yè)務,按數據流量計算運行費用,運行成本低,無須維護傳輸平臺。而且GPRS網絡覆蓋面廣,具有數據傳輸速率高和永遠在線的特點。因此,GPRS通訊在污水處理監(jiān)控系統中的應用具有無可比擬的性價比優(yōu)勢。
傳統污水處理廠的運行主要依賴人工經驗知識,各個工藝流程階段都需要人工干預。而污水處理過程復雜,有很多不確定性和模糊性,傳統的PID控制方法需要精確的數學模型和分析過程,難以控制復雜的污水處理過程,所以一般由人工來完成整個過程的閉環(huán)控制。而過于依賴人工操作則會帶來太多人為因素,不利于系統的穩(wěn)定性。
針對傳統污水監(jiān)控系統由于監(jiān)控點位置的分散,通過有線的方式布置系統存在成本過高、缺乏靈活性,以及過于依賴人工操作不利于系統穩(wěn)定性等缺點,本文結合GPRS技術的特點,為某市污水處理公司設計一套基于GPRS的污水處理監(jiān)控系統。
1 基于GPRS的污水處理遠程監(jiān)控系統
遠程監(jiān)控系統的中控室主要由2臺計算機組成:系統監(jiān)控管理計算機和信息監(jiān)控管理計算機。系統監(jiān)控管理計算機部分,2臺交換機通過控制層實時通信網與本地現場PLC站通訊,可實時檢測與監(jiān)控污水處理廠自控系統范圍內的各類設備狀態(tài)、工藝過程參數,并顯示到人機界面,以供操作人員、管理人員進行運行管理,并可通過租用電信部門DDN數據通信專線與排水公司調度系統連接。信息監(jiān)控管理計算機負責實時和定時記錄生產報表并打印,同時作為系統監(jiān)控管理計算機的設備。
由于部分污水處理現場距中控室較遠,有的達幾千米甚至十幾千米,布置有線的方式成本開銷太大,故采用GPRS的通信方式對距中控室較遠的現場進行監(jiān)測與控制。遠端現場將采集的數據收集到遠端現場服務器。通過遠端現場的處理與轉換,再利用具有GPRS功能的數據終端通過無線方式與巾國移動基站通信,GPRS的分組從基站發(fā)送到GPRS服務支持節(jié)點(SGSN),SGSN再與GPRS網關支持節(jié)點(GGSN)通信,由GGSN對分組數據進行處理后,發(fā)送給中控室的GPRS收發(fā)裝置,中控室的監(jiān)控管理計算機通過數據包的地址對數據進行分別處理。中控室用戶監(jiān)控管理計算機申請一個固定IP地址,GPRS模塊一旦登陸GSM網絡,便會自動連接用戶數據中心。從而在GPRS模塊和用戶數據中心之間通過IP地址進行TCP/IP雙向通信擻據傳輸透明而可靠。
系統主要由遠程分站和中控室兩部分組成。遠程分站由GPRS模塊利用PLC與現場各種自動化儀表、傳感器及變送器等連接??刂浦行目刹捎肞C機結合GPRSMODEM,或PC機結合固定IP地址的方式?;贕PRS網絡的污水處理監(jiān)控系統方案如圖1所示。
2 通信規(guī)約設計
污水處理監(jiān)控系統的通信分為2種,一種是通過GPRS無線連接與DTU通信,另一種是局域網通信。GPRS選用TCP/IP協議通信。主要是DTU向服務器發(fā)送污水工序、氧化溝、污泥泵房、二沉池、配水井等設備運行情況的數據,以及服務器向DTU轉發(fā)上位機命令。而局域網通信主要是服務器向數據庫存儲數據、上位機查找數據庫數據,以及上位機向服務器發(fā)送請求命令。這里將局域網通信協議和GPRS通信協議統一為一種數據幀格式,如表l所示。
表l中,數據幀幀頭和幀尾都用0x7E表示,而為避免數據內容與幀頭、幀尾混淆,用2個“Ox7E”表示“0x7E”;幀長度是指除幀頭和幀尾外,所有數據的字節(jié)數。用2個字節(jié)表示;主命令說明發(fā)送方的請求內容:從命令輔助主命令定義數據發(fā)送周期的長短;DTU號碼用于標識DTU;ID號是DTU編碼;數據內容主要指污水工序、氧化溝、污泥泵房、二沉池、配水井設備運行情況等數據。
當信道上無數據傳輸時,通信雙方應每隔時間C發(fā)送心跳包以維持此連接。當心跳包發(fā)出超過時間T后未收到響應,則立即再發(fā)送心跳包。若連續(xù)發(fā)送(N-1)次后仍未得到響應,則斷開此連接。參數C、T、N原則上應可配置,現階段建議取值:C=3 min,T=60 s,N=3。網關與SP之間、網關與網關之間的消息發(fā)送后等待T后未收到響應,應立即重發(fā)。若連續(xù)發(fā)送(N-1)次后仍未得到響應則停發(fā)?,F階段建議取值是:T=60 s,N=3。采用并發(fā)方式發(fā)送消息,并加以滑動窗口流量控制,窗口大小參數W可配置,現階段建議取為16,即接收方應答前,1次收到的消息數最多不超過16條。
3 軟件部分設計
本系統上位機軟件的實現采用基于Windows 2000環(huán)境下的Intouch 8.O系統。Intouch具有領先的人機接口界面(HMI)和面向對象的圖形開發(fā)環(huán)境,便于高效、快捷地配置用戶的應用程序。目前常見的工控組態(tài)軟件有Intouch、LabView,Rsview(Allen-Brandley)、Ifix(GE Fanuc)、Kingview(組態(tài)王)、Wince (Siemens)、Interlution等,Intouch和這些軟件相比,其主要優(yōu)點有:優(yōu)化代碼;自帶SQL語言,方便數據庫設計;提供各種通信協議接口,包括PLC,GSM,GPRS等。基于以上特點,這里使用Intouch作為上位機軟件的開發(fā)工具,其實現的功能包括:自動形成生產日、月、年報表,定時自動打?。航⒃敿毜膸椭畔?,所有事故報警信息顯示清單;監(jiān)測數據的圖形化與報表形式顯示。圖2為污水廠進水預處理軟件界面。
4 系統應用分析
經過實際的系統運行,基于GPRS的污水處理監(jiān)控系統自投入使用以來,污水處理性能和效率提高很多,BOD5總去除率有較大幅度提高,COD達標率和BOD5達標率達到100%。圖3、圖4分別是污水處理廠某月出水監(jiān)測COD數據變化圖和BOD5數據變化圖。
整個系統界面友好,操作方便,可實現各等級權限密碼保護,系統安全可靠。并可根據用戶事先設定的監(jiān)控范圍對多種指標進行監(jiān)控,一旦超出設定范圍,計算機立即報警,并記錄有關數據、工況,以供分析處理。計算機所測數據可按一定時間間隔記錄到硬盤上,也可根據用戶的要求在各種條件下存盤,用戶可根據需要隨時調取有關數據進行顯示、打印。同時還可實現網絡發(fā)布功能。使各終端通過Web訪問服務器,實時了解監(jiān)控數據,同樣可以實現各種動畫、表格、曲線的顯示,滿足不同權限的用戶實時了解各站點工作情況及監(jiān)測數據的需求。
5 結論
本研究項目針對傳統污水監(jiān)控系統由于監(jiān)控點位置分散,通過有線的方式布置系統存在成本過高、缺乏靈活性等缺點,采用GPRS技術為某污水處理公司設計一套基于GPRS的污水處理監(jiān)控系統,基于Windows2000環(huán)境下的Intouch 8.0系統進行監(jiān)控軟件的2次開發(fā),通過系統的投產運行,該系統在處理污水的能力方面較以前有較大幅度的提升,且節(jié)約了經濟成本。GPRS技術由于其優(yōu)越性,在自動控制、環(huán)境監(jiān)測等方面將發(fā)揮更大的作用。