污水排放遠程監控系統的實現

（交通運輸部天津水運工程科學研究院，天津 300456）

企業隨意偷排污和非達標排污，造成環境嚴重污染的情況時有發生，因此在控制、監測方面提供一個有效、使用先進的監控系統和解決方法，建立污水排放在線監控系統，提高監管能力，勢在必行。污水排放遠程監控系統依托于通信技術、網絡技術和軟件技術，將原本分布于各企業的污水排放設備進行遠程控制，數據自動采集、存儲和管理。通過總控中心對各企業排污的遠程控制、監測及數據查詢的方式，解決了以往只能通過前往現場才能看到實時狀態的難題。

1 系統結構

污水排放遠程監控系統由遠程終端、通訊網絡和監控中心3部分組成。遠程終端安裝在不同地理位置的企業內部，通過通訊網絡使監控中心信息和本地信息相互傳輸，實時監控排污設備的動作狀態和流量數據。通訊網絡基于GPRS網絡技術遠程無線連接遠程終端和監控中心，是兩者之間信息傳輸的橋梁[1]。監控中心實時顯示GPRS網絡通訊狀態，通過人為操作遠程監控排污設備的動作狀態和流量數據。系統框架如圖1所示。

圖1 系統框架Fig.1 System framework

1.1 遠程終端

遠程終端包括執行機構、自控中樞和信息轉換。

執行機構包括LDG-211電磁流量計儀表、EX型電動開關閥[2]設備。流量計儀表采集流量的電磁信息傳輸給自控中樞儀表變送器，由變送器信息轉換。電動開關閥接收控制中樞開關量信號后執行相應動作，并將動作狀態的開關量信號反饋于自控中樞。本污水排放遠程監控系統涉及13個企業，各企業的遠程終端根據排污管道數量、型號安裝相應排污設備。

自控中樞是遠程終端的控制核心，發揮承上啟下的作用，包括儀表電磁流量計表頭、西門子PLC CPU 222CN和EM231模塊、外圍電氣控制配件。儀表變送器把接收的電磁信號轉換成電信號以及4～20 mA模擬信號，電信號通過顯示器實時顯示排污管道內流經污水的瞬時流量和累計流量，同時將4～20 mA模擬信號傳輸給EM231模塊；PLC CPU 222CN模塊有2個作用：（1）和外圍控制配件組成電氣控制中樞，實時接收控制方式、開關閥動作和狀態的信息，另外根據接收到上位機的信息對閥執行相應動作。控制方式分為本地控制和遠程控制，本地控制顯示控制方式、開關閥狀態和通訊狀態，遠程控制即監控中心上位機軟件控制；（2）主要信號轉換，CPU將EM231采集的模擬信號、開關量信號轉換成數字量信號，以9600、無校驗、1位停止位協議方式通過自由口通訊連接信息轉換模塊，把執行機構狀態、數據傳輸給信息轉換模塊，同時對上位機信號轉換成識別信號。

信息轉換包括LQ8110E GPRS DTU模塊和移動SIM卡。GPRS DTU模塊以登陸成功后自動上傳自身信息，便于數據中心識別確認、自動通過心跳包協議保持通訊鏈路、實現數據的可靠透明傳輸、實時性好，可實時觀察到所有模塊的在線情況的優點通過SIM卡的GPRS、Internet通訊連接上位機和CPU 222CN。另外模塊通過自身配置分配各遠程終端地址，與上位機相應控制界面通訊。

遠程終端實現以上所有功能，需進行如下配置：

1）CPU 222CN下載程序中設置組網中唯一的地址；

2）CPU 222CN下載程序中設置與GPRS DTU通訊相同協議，即9600、無校驗、8位數據位、1位停止位；

3）GPRS DTU配置組網中唯一的10位標示地址，通過標示地址與監控軟件互相尋址通訊；

4）GPRS DTU配置組網協議，即TCP/IP；

5）GPRS DTU配置通訊協議，即9600、無校驗、8位數據位、1位停止位；

遠程終端控制原理圖如圖2、圖3所示。

圖2 電氣原理（一）Fig.2 Electrical diagram（one）

圖3 電氣原理（二）Fig.3 Electrical diagram（two）

1.2 通訊網絡

通訊網絡分為公網IP網絡和內網IP網絡。根據監控中心網絡的條件使用不同通訊網絡，本系統采用公網IP網絡。

公網IP網絡即上網的計算機得到的IP地址是Internet上的非保留地址，公網的計算機和Internet上的其他計算機可隨意互相訪問。本系統監控中心網絡屬于一級局域網，采用公網固定IP方式配置GPRS DTU，信號經過Internet穿透路由器已映射的端口連接監控中心，實現數據無線傳輸。公網IP網絡通訊穩定、便捷、受影響因素少，但經過多級NAT轉換的局域網，無法使用。

內網IP網絡即內網的計算機以NAT（網絡地址轉換）協議，通過一個公共的網關訪問Internet。經過多級NAT轉換，內網IP已動態化，無法尋找到正確地址，監控中心在這種情況下，采用動態域名解析方式連接GPRS DTU和監控中心上位機，同樣實現數據無線傳輸。這種通訊網絡結構復雜，受第三者動態域名解析軟件影響大，并增加了工程費用。

1.3 監控中心

污水排放遠程監控系統監控軟件采用組態王6.55編制。組態王采用STANDARD.MWP自由口通訊協議分別與13個遠程終端GPRS連接。系統軟件每個終端分2部分，軟件通訊和控制界面。

軟件通訊自由口通訊方式是一種通訊協議完全開放的工作方式，在該方式下的通訊口的協議由外設決定，PLC通過程序來適應外設。從而使得PLC可以與任何具有通訊能力的并且協議公開的設備相通訊。在與組態王采用自由口協議方式通訊時，為主從的問答方式，裝有組態王的上位機為主呼方，下位機為應答方。

遠程終端信息流通過GPRS DTU設備，轉換成TCP/IP協議數據，通過GPRS連接Internet網絡，經過公網IP尋址方式連接監控中心，監控主機通過定義的虛擬KVCOM口設備將數據傳輸到軟件內部各類寄存器中，通過監控界面完成數據的顯示和監控。通訊示意如圖4所示。

圖4 通訊示意Fig.4 Communication diagram

控制界面包括開關閥、通訊網絡、流量計儀表。

開關閥包括控制狀態和反饋狀態。點擊開閥（關閥）按鈕，遠程開關閥按照指令動作，相應按鈕固定頻率閃爍；開關閥動作到指定位置，按鈕停止閃爍，位置狀態顯示開（綠色）或關（紅色），如圖5所示。

圖5 控制界面Fig.5 Control interface

通訊網絡包括控制方式和通訊狀態。遠程終端控制方式切換至監控中心操作，位置狀態顯示遠程，通訊網絡斷線或切換本地操作時，位置狀態顯示本地；通訊成功時通訊控制變為綠色，通訊失敗時變為紅色。

流量計實時顯示排污管道瞬時流量和累計流量。瞬時流量存在時，排污管道流動性指示。累計流量的數值根據人為操作可以設置定期時間內已累計的流量。

2 結語

污水排放遠程監控系統的工程項目經過天津港測試、應用，于2015年3月竣工驗收，獲得天津港良好的評價。遠程終端電氣控制電路的設計、GPRS DTU模塊利用通訊網絡以自由口通訊協議方式數據傳輸、以及遠程監控系統的軟件編制。實現了遠距離、多站點設備的數據、狀態監控，減少了工程成本，使得系統具有很強的通用性，不管是用于污水排放系統，還是在水利研究、環境監測、工控等領域中，有著非常好的發展前景[3]。

[1]黃承安，張躍，云懷中.基于GPRS的遠程儀表監控系統[J].電測與儀表，2003，40（8）：42-45.

[2]蘇云，潘豐，肖應旺.基于組態王與PLC的遠程控制系統[J].工業儀表與自動化裝置，2004（2）：53-55.

[3]王建新，楊世鳳，史永江，等.遠程監控技術的發展現狀和趨勢[J].國外電子測量技術，2005（4）：9-12.