基于物聯(lián)網(wǎng)的水處理遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

高增勝

[摘? ? 要]針對(duì)水處理系統(tǒng)運(yùn)行效率低、缺乏有效監(jiān)管及運(yùn)行模式粗放等缺陷，將PLC控制系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)水處理控制系統(tǒng)的結(jié)合，利用物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)設(shè)計(jì)出一種遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。文章基于對(duì)水處理實(shí)際應(yīng)用的研究，對(duì)水處理過(guò)程中使用物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了介紹。

[關(guān)鍵詞]水處理;物聯(lián)網(wǎng);遠(yuǎn)程監(jiān)控

[中圖分類號(hào)]X703 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）05–000–02

Water Treatment Remote Control System Based on Internet of Things

Gao Zeng-sheng

[Abstract]Aiming at the defects of low efficiency， lack of effective supervision and extensive operation mode of water treatment system， PLC control system is communicated with IOT gateway to realize the combination of IOT technology and traditional water treatment control system， and a remote monitoring system is designed by using IOT cloud platform. Based on the research of practical application of water treatment， this paper introduces the content of remote monitoring using Internet of things in the process of water treatment.

[Keywords]water treatment; internet of things; remote monitoring

當(dāng)前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，物聯(lián)網(wǎng)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)各領(lǐng)域、各行業(yè)的深度融合，已成為全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要內(nèi)容和焦點(diǎn)。在傳統(tǒng)的水處理控制系統(tǒng)中，由于運(yùn)行效率

低、缺乏有效監(jiān)管及運(yùn)行模式粗放等問(wèn)題，造成運(yùn)行成本不斷升高。本項(xiàng)目順應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)傳統(tǒng)水處理控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，達(dá)到優(yōu)化管理模式、提高水處理運(yùn)行效率、降低水處理成本的目的。

1 物聯(lián)網(wǎng)概述

自20世紀(jì)末首次提出物聯(lián)網(wǎng)的概念以來(lái)，經(jīng)過(guò)二十余年的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，并被廣泛應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，如醫(yī)藥行業(yè)、物流行業(yè)以及環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域等，并取得了一系列創(chuàng)新成果。物聯(lián)網(wǎng)是由互聯(lián)網(wǎng)世界從被動(dòng)接收到主動(dòng)獲取的跨越式發(fā)展所產(chǎn)生的，是信息化發(fā)展的必然產(chǎn)物。從物聯(lián)網(wǎng)的特性來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)可以概括為由具備感知與智能化處理能力的物體借助于無(wú)線或者有線通信手段，在互聯(lián)網(wǎng)或者其他通信網(wǎng)絡(luò)上建立的、覆蓋多種事物的一種泛在網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)屬性就是萬(wàn)物互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)是無(wú)線通信、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、人工智能、信息安全、嵌入式系統(tǒng)以及信息安全等多種現(xiàn)代化技術(shù)的有機(jī)融合體。在水處理的遠(yuǎn)程控制方面，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用主要是通過(guò)遠(yuǎn)程控制、運(yùn)行監(jiān)控、故障診斷以及過(guò)程控制等手段實(shí)現(xiàn)水處理的自動(dòng)化、智能化管控。

2 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系可以分為三層，分別是感知層、傳輸層以及應(yīng)用層。其中，感知層主要通過(guò)各種智能化識(shí)別以及傳感器等設(shè)備獲取外界信息;傳輸層主要是利用無(wú)線或者有線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)信息;應(yīng)用層主要是系統(tǒng)的軟件以及硬件設(shè)施。

2.1 感知層

感知層主要由多種可以感知物體狀態(tài)的智能識(shí)別設(shè)備和傳感器等物理實(shí)體構(gòu)成，其主要功能是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的要求獲取特定的信息，包括動(dòng)態(tài)信息與靜態(tài)信息。感知層是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)層，其核心技術(shù)主要是傳感技術(shù)以及無(wú)線通信技術(shù)。

2.2 傳輸層

傳輸層主要由無(wú)線或有線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，主要功能是實(shí)現(xiàn)物與物間的連接和通信，是連接感知層與應(yīng)用層的中間環(huán)節(jié)。借助傳輸層可以將感知層獲取的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)快速向應(yīng)用層傳輸，應(yīng)用層完成信息接收后即可作出相應(yīng)的控制動(dòng)作。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的核心，主要由應(yīng)用軟件、操作系統(tǒng)以及中間件構(gòu)成，其主要功能是接收傳輸層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行挖掘分析，從而對(duì)可感知范圍的情況作出判斷，進(jìn)而對(duì)相關(guān)控制對(duì)象發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化處理。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體思路

本系統(tǒng)充分應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)，將現(xiàn)有PLC控制系統(tǒng)采集的開(kāi)關(guān)、按鈕、水泵、電機(jī)、流量、液位、水質(zhì)等設(shè)備的數(shù)據(jù)，通過(guò)通信設(shè)備發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，云端對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理后，在遠(yuǎn)程電腦、手機(jī)應(yīng)用端進(jìn)行實(shí)時(shí)展示和操控，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備和人員之間的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)互聯(lián)互通。主要分為設(shè)備端、通信端、云端、應(yīng)用端等四部分，系統(tǒng)圖見(jiàn)圖1。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 設(shè)備端

設(shè)備端主要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集和控制，包括上位機(jī)、PLC、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備儀表等。本系統(tǒng)采用西門子公司S7-200PLC，中央控制器為226CN，通信模塊CP243-1，模擬量模塊為EM231CN，數(shù)字量模塊為EM223CN。上位機(jī)運(yùn)行MCGS通用版6.2組態(tài)軟件。上位機(jī)和S7-200PLC通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，EM223CN的1/O點(diǎn)對(duì)開(kāi)關(guān)、按鈕、水泵、電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行收集與控制，EM231CN收集流量、液位、水質(zhì)等傳感器的有關(guān)數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC的CPU，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。

3.1.2 通信端

通信端主要實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)化和數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸。主要的通信設(shè)備有DTU和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。DTU是專門用于將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送的無(wú)線終端設(shè)備，透明數(shù)據(jù)傳輸，沒(méi)有協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是連接感知網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的紐帶，它可以實(shí)現(xiàn)感知網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)，以及不同類型感知網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，既可以實(shí)現(xiàn)廣域互聯(lián)，也可以實(shí)現(xiàn)局域互聯(lián)。本系統(tǒng)選擇支持西門子S7以太網(wǎng)轉(zhuǎn)Modbus-TCP和MQTT協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與PLC通信，DTU與終端控制器通信，與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)連通。

3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 云端

云端主要將采集的數(shù)據(jù)在云平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算和分析等。本系統(tǒng)采用TLink物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，云平臺(tái)與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過(guò)Modbus-TCP協(xié)議進(jìn)行通信，并對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)、按鈕、水泵、電機(jī)、流量、液位、水質(zhì)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

3.2.2 應(yīng)用端

應(yīng)用端主要將云端的計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行展現(xiàn)和應(yīng)用。本系統(tǒng)的電腦端搭建水處理遠(yuǎn)程云組態(tài)系統(tǒng)，云組態(tài)具備了現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)界面的所有功能，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和深加工，形成歷史趨勢(shì)等。手機(jī)端采用微信公眾號(hào)，在公眾號(hào)平臺(tái)中建立公眾號(hào)、獲得接口權(quán)限，通過(guò)平臺(tái)提供的開(kāi)發(fā)接口與微信公眾號(hào)對(duì)接服務(wù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)報(bào)警提示，隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)生產(chǎn)狀況。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

4.1 設(shè)備聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)屬性是萬(wàn)物互聯(lián)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將水處理各項(xiàng)設(shè)備進(jìn)行連接，可以實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備間的通信，并且能實(shí)現(xiàn)集中控制。本項(xiàng)目中對(duì)水處理現(xiàn)場(chǎng)的傳統(tǒng)電控系統(tǒng)進(jìn)行了改造，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與云端的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備的智能化應(yīng)用，如根據(jù)水質(zhì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)智能加藥的控制。

4.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控

遠(yuǎn)程監(jiān)控主要依賴于物聯(lián)網(wǎng)感知層，通過(guò)在特定水域布設(shè)傳感設(shè)備以及水質(zhì)探測(cè)設(shè)備等，持續(xù)收集各項(xiàng)信息，并通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳輸至應(yīng)用端。應(yīng)用端將生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)多樣化形式展現(xiàn)和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地在手機(jī)移動(dòng)端進(jìn)行可視化組態(tài)、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警等功能，同時(shí)根據(jù)需要按照實(shí)時(shí)計(jì)算的結(jié)果設(shè)定執(zhí)行的動(dòng)作，一旦出現(xiàn)故障或水質(zhì)超標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警器響起的同時(shí)發(fā)送到操作人員和管理人員的手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控移動(dòng)化。

4.3 遠(yuǎn)程調(diào)度

遠(yuǎn)程調(diào)度是智能化控制的核心。系統(tǒng)應(yīng)用層通過(guò)對(duì)感知層采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行挖掘分析，可以快速判斷系統(tǒng)各部分運(yùn)行狀態(tài)，掌握生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的詳細(xì)情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的控制設(shè)備集中遠(yuǎn)程統(tǒng)一調(diào)度。巡檢人員通過(guò)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)得到現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)的報(bào)警反饋，一旦出現(xiàn)異?？梢钥焖俣ㄎ徊⒌竭_(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理;管理人員也可以隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)生產(chǎn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值守，有人巡檢”的管理模式，從減人值守向無(wú)人值守邁進(jìn)，實(shí)現(xiàn)值班值守?zé)o人化。

4.4 運(yùn)維管理

基于物聯(lián)網(wǎng)的水處理遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)設(shè)備的動(dòng)態(tài)化監(jiān)控，實(shí)時(shí)采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，一旦設(shè)備故障可以快速發(fā)出報(bào)警信息，為設(shè)備管理人員及操作人員提供流程化的設(shè)備報(bào)障、維修、工作執(zhí)行等功能。運(yùn)維管理人員根據(jù)系統(tǒng)報(bào)警信息可以快速確定故障部位以及故障詳細(xì)信息，從而采取針對(duì)性的維修保養(yǎng)措施。在此過(guò)程中節(jié)省了前期分析故障部位以及故障原因的時(shí)間，最大化提高設(shè)備運(yùn)行效能和檢修維護(hù)人員的工作效率，從而降低成本、提高利潤(rùn)，實(shí)現(xiàn)檢修維護(hù)流程化。

4.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析功能主要是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，挖掘其中有價(jià)值的信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水處理系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化。比如通過(guò)對(duì)設(shè)備整體能源消耗情況進(jìn)行分析，可以充分挖掘設(shè)備效能，發(fā)現(xiàn)管理漏洞和節(jié)能空間;通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)及水質(zhì)參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可以得出系統(tǒng)最佳運(yùn)行狀態(tài)，提醒調(diào)整加藥量和實(shí)施維修，提高維修效率，為科學(xué)決策提供指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備效能最大化。

5 項(xiàng)目開(kāi)展的經(jīng)濟(jì)與勞動(dòng)效益

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

本系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)減員增效，降低成本。實(shí)時(shí)查看設(shè)備狀態(tài)、獲取報(bào)警和遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)機(jī)等，既可減少人員投入，又能提高工作效率。同時(shí)通過(guò)獲取開(kāi)關(guān)機(jī)率、待機(jī)率、損耗時(shí)間等有價(jià)值的數(shù)據(jù)，促進(jìn)設(shè)備完好運(yùn)行，從而提升設(shè)備管理效能，降低設(shè)備維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用。此外，記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)并形成分析數(shù)據(jù)，獲取當(dāng)天生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、能耗統(tǒng)計(jì)和報(bào)警提醒等，方便科學(xué)安排生產(chǎn)，有效避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

5.2 勞動(dòng)效益

本系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控推進(jìn)崗位兼并，實(shí)行一人兼多崗，最大限度降低勞動(dòng)強(qiáng)度，精簡(jiǎn)管理人員，從而制定合理的定員定崗和勞動(dòng)定額，實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷、高效率組織生產(chǎn)，提高勞動(dòng)效率和工時(shí)利用率，有效降低人力資源成本。通過(guò)使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)制約生產(chǎn)建設(shè)的難題進(jìn)行處理，從管理模式和業(yè)務(wù)流程上都是一個(gè)技術(shù)革新，順應(yīng)市場(chǎng)形勢(shì)，增強(qiáng)了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，從而節(jié)約資源，提高效率，精簡(jiǎn)流程，為企業(yè)的節(jié)能減排工作做出了貢獻(xiàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控可有效解決水處理工作中遇到的各種難題，同時(shí)有效實(shí)現(xiàn)減員提效、節(jié)能減排、精簡(jiǎn)流程以及科學(xué)生產(chǎn)，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和勞動(dòng)效益。對(duì)于促進(jìn)業(yè)務(wù)模式的轉(zhuǎn)型升級(jí)、推動(dòng)礦業(yè)企業(yè)的持續(xù)發(fā)展以及提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益都具有極大的積極作用。

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