基于PLC的云平臺污水處理控制系統設計

孫潔，許清河，于鳳臣，朱杰，張瑞新

（1.華北理工大學 電氣工程學院，河北 唐山 063210；2.南堡開發區城市建設管理局，河北 唐山 063305；3.唐山城市排水有限公司西郊污水處理二廠，河北 唐山 063305；4.柯美瑞（唐山）環保科技有限公司，河北 唐山 063000）

隨著污水處理行業的日趨智能化、復雜化，在污水廠生產過程中需要監控的數據、采集的數據越來越多、越來越復雜。同時在生產過程中設備眾多，給設備狀態監控帶來了相應的困難，其操作和維護將耗費巨大的人力、物力。污水處理工藝生產過程的復雜性和現場作業環境的惡劣性，使得常規的監控手段往往不能實現對許多現場重要參數、信息進行快速性、實時性的監控和采集，以至于不能做出相應的控制決策。如何實現在污水處理中對系統的遠程控制和維護，及對數據的采集、傳送則變得尤其重要[1]。利用云平臺技術實現遠程監控這一方式在當前實驗過程中還出現許多關鍵技術問題急需解決，如數據實時性反應、曲線動態繪制、遠程調控及數據傳輸的實時性、安全性等[2]。

傳統的工業生產過程中的遠程監控、數據處理、數據傳輸將通過不同設備進行協議整合實現系統流程的完整性和連通性。這就需要編寫大量的通訊協議來實現，這會給系統搭建增加很大的負擔和麻煩。在數據傳輸過程中，常常采用可編程邏輯控制器（PLC）來實現，但由于傳輸數據能力局限性以及本地服務器承載水平的有限性，效果往往不是很穩定[3]。這就急需設計出一種專業實用的云平臺來解決這些問題。

針對在污水處理中出現的這些問題，采用遙信消息隊列傳輸（message queuing telemetry trans?port，MQTT）系列智能網關，實現現場設備數據采集、傳輸和處理。智能網關在生產過程中能實現雙向通信，不僅能解決下對上的操作，也能進行上對下的操作[4]；采用MQTT協議實現智能網關與PLC通信，通過協議操作將數據傳入IBM云端，通過對云端的操控實現數據監測與控制，實現云平臺污水處理控制系統設計。

1 系統總體設計

數據丟失是實時數據采集系統設計中容易存在的問題，也是系統設計的難點問題。這是由于數據采集過程中與非實時操作系統數據處理存在時間差異性，導致數據丟失。在設計過程中需要采集硬件具有數據緩存的功能和具有非常短時間采樣周期實現數據采集，解決數據采集和處理所出現的差異性[5-6]。

采集系統硬件控制系統由S7-1500 PLC、西門子從站接口模塊和IM模塊組成，本地可采用profi?net總線形式，實現分布式自動化，并利用各式傳感器實現設備參數信號采集。其中PN/IE_1是PLC控制器和HMI_1相連接，另一部分則是PLC控制器和各從站之間相連接的線。

污水處理控制系統針對數據采集搭建硬件組態網絡視圖如圖1所示。

圖1 硬件組態網絡視圖Fig.1 Hardware configuration network view

1.1 系統硬件

1.1.1 西門子S7-1500

S7-1500 PLC以模塊化結構、可擴展性且卓越的系統性能，能快速縮短響應時間、優化控制性能，在生產過程中極大提高了生產效率。與S7-300 PLC相比具有聯網能力更強、處理效率更高、易于實現生產現場分布式管理等優勢，廣泛應用在工業控制領域當中，成為實際生產中的一種常用的工業控制器[7]。使用S7-1500 PLC可在實際生產中添加ET200M模塊作為從站實現多輸入輸出參數，能完成簡單復雜的邏輯控制、人機界面交互和網絡通信等操作。

1.1.2 MQTT系列智能網關

MQTT系列工業智能網關是一款具備挖掘工業設備數據并接入到用戶自主開發的云平臺或物通聯博IOT套件中智能嵌入式網絡設備。它具備數據采集、協議解析、邊緣計算、4G/3G/Wifi數據傳輸及接入MQTT云平臺[8-9]等功能。MQTT系列智能網關的特點概述如表1所示。

表1 智能網關的特點概述Tab.1 Overview of intelligent gateway features

1.2 軟件介紹

1.2.1 TIA博途

TIA博途是全集成自動化軟件TIA portal的簡稱，是西門子工業自動化集團發布的一款全新的全集成自動化軟件。可適用幾乎所有的自動化任務，利用該軟件，可實現快速訪問、開發、實驗自動化系統。通過本地訪問私有云中的TIA博途，顯著地減少了軟件維護費用，無需編程設備即可進行現場項目維護、安全訪問自動化系統部件。還可以通過生產和IT網絡之間的結構化接口，處理日益增加的復雜性通信和海量的工業物聯網數據，安全可靠地實現工廠和機器的遠程服務，各個網絡組件直接集成于TIA博途。根據污水處理實際生產需求編寫相應PLC程序、編寫數據采集系統和控制系統。

1.2.2 Node-RED軟件

Node-RED提供了一個基于瀏覽器的編輯器，可以輕松地使用調色板中的廣泛節點流使節點連接在一起，這些節點可以通過單擊部署的方式進行執行。使用Node-RED，開發人員將輸入/輸出和處理節點連接起來，創建流程來處理數據，控制事物或發送警報。

Node-RED是一種全新的編程工具，以有趣的方式將硬件設備、API和在線服務連接在一起[10]。這使得它非常適合運行在低成本的硬件（如Raspberry Pi以及云）上。

1.2.3 MQTT協議

MQTT協議是輕量、簡單、開放和易于實現的，這些特點使它適用范圍非常廣泛。在很多情況下，包括受限的環境中，如：機器與機器（M2M）通信和物聯網（IoT）。其在通過衛星鏈路通信傳感器、偶爾撥號的醫療設備、智能家居及一些小型化設備中已廣泛使用。MQTT協議工作原理如圖2所示。

圖2 MQTT協議工作原理Fig.2 Working principle of MQTT protocol

從圖2中可以看出，客戶端A連接到消息代理，消息代理返回確認消息。客戶B發布消息溫度25℃，客戶A訂閱‘溫度’，消息代理把消息推給客戶A，客戶A發布溫度20℃，但客戶B沒有訂閱，消息代理不推送。消息B又發布了溫度38℃，客戶A就再次收到訂閱的消息38℃。最后客戶端斷開連接。整個過程非常簡單清晰，容易理解。

1.3 數據采集與傳輸

污水處理控制系統中，數據的采集和傳輸是整個系統的基礎核心。利用PLC和傳感器采集數據，利用智能網關將數據傳輸到服務器，進而實現系統遠程控制。首先確定PLC和網關接線正確性，在本地服務器或者云平臺配置相應采集參數，配置成功后，進入Node-RED軟件訪問后臺web管理頁面，通過配置MQTT協議的地址和參數，可以實現本地調試MQTT協議的狀態，并添加PLC設備信息、通信參數、設置采集數據周期等。這樣就完成了數據采集傳輸的部署，就能實現數據的采集與傳輸[11]。通過智能網關就可以將PLC采集到的數據傳輸到云平臺，實現遠程監控，相對的，通過云平臺就可以將指令通過智能網關下發給PLC，使得實現遠程控制[12-13]。

數據連接與傳輸原理圖如圖3所示。

圖3 數據連接與傳輸原理圖Fig.3 Schematic diagram of data connection and transmission

2 污水處理控制系統設計

2.1 MBR膜單元功能設計

污水處理控制系統的控制對象是一種小型MBR膜中水處理設備，具體工藝流程為：原水由水泵提升進入反應器，經過初步預處理，除去大顆粒的污染物，然后進入MBR反應室，在這里污水經過膜的過濾作用，還有活性污泥中微生物的降解，得到凈化的中水，由抽吸泵負壓抽出排入中水箱。通過膜池的清洗系統、吹掃系統及排空系統處理得到廢物和凈化的水分開處理，經此循環得到合格排放的水。

圖4為膜單元功能設計圖，污水進入的方向為從左向右流入。

圖4 膜單元功能設計圖Fig.4 Functional design drawing of membrane unit

2.2 PLC程序設計

根據污水處理的控制需求編寫程序，使用TIA Portal V14軟件進行編寫。并在PLC軟件上建立膜處理控制子程序采集數據塊，記錄數據塊的地址。圖5為部分采集數據圖。

圖5 部分采集數據圖Fig.5 The diagram of the part of the data collection

2.3 控制系統硬件組成

污水處理控制系統的硬件由S7-1500 PLC、電磁閥、傳感器、繼電器、電源、各種開關和輔助部件組成。根據膜池系統控制要求，列出PLC所有的輸入輸出量、開關量。MBR膜控制系統啟動前，將所需投入運行的水泵、推流泵、空壓機、鼓風機、加藥泵等設備開關撥至遠程控制側，將所需投入膜單元氣動閥上電、并把閥門控制箱上選擇開關遠程控制側；再進行膜系統投運，設置好儀表風壓力值，讓回流渠在自動狀態等，并根據膜池的控制要求設計。由于該膜控制系統有50個輸入端口、21個輸出端口，采用西門子S7-1500 PLC作為主控單元，添加ET200M分布式模塊作為從站，添加I/O模塊。配置PC機為HMI交互界面進行上位機操作和監控。

2.4 膜處理程序設計

針對污水處理實際生產需要，結合MBR法水處理技術完成控制系統的軟件設計，隨著污水處理發展日趨智能化，復雜化，控制要求、性能的要求也會越來越高，膜池控制程序設計功能也趨向智能化。系統初始化，完成后打開電磁閥X1，設定延時時間，利用傳感器檢測真空度，判斷是否達到設定值，根據不同檢測結果進行不同操作，如果沒有達到設定值，啟動水泵Y1，設定延時時間，再進行壓力檢測是否達到設定值，從而進行不同操作，判斷1#，2#管路是否故障，從而判斷電動閥和水泵的開關。根據膜池控制要求實現邏輯控制。

膜池控制邏輯流程圖如圖6所示。

圖6 膜池控制邏輯流程圖Fig.6 Flow chart of membrane pool control logic

3 污水處理數據傳輸

3.1 數據傳輸實驗

數據采集傳輸與處理要求其連續性、實時性，防止中途出現中斷，造成數據的丟失，這就需要采集硬件具有數據緩存的功能和具有非常短時間采樣周期實現數據采集，解決數據采集和處理所出現的差異性。數據采集流程如圖7所示。

圖7 數據采集流程圖Fig.7 Flow chart of data collection

數據傳輸通訊正常后即可將數據傳送到本地服務器及云端。圖8為現場污水生產曲線，可清晰地查看到現場生產的數據情況。無論在什么地方，均可通過瀏覽web進行數據查看及設備監控。在實際應用過程中會存在一些故障等問題，如何保證系統正常運行和解決數據傳輸時所出現的問題，也是系統設計的重中之重。在數據傳輸中為防止出現設備斷網、離線等問題，采取數據離線傳輸等操作，防止出現數據傳輸中斷、數據丟失等問題。若出現網絡堵塞導致數據丟失，該系統利用的是MQTT協議進行數據傳輸，它能進行“至少一次”消息傳輸，具有確保消息到達等優勢。

圖8 生產曲線Fig.8 Production curves

3.2 傳輸性能實驗驗證

云平臺與本地服務器的區別在于對變化的過程數據的響應速度。

對該系統進行實驗驗證，利用MQTT傳輸協議進行傳輸，分別向云平臺和本地服務器傳輸相同數量的數據包，通過對比驗證傳輸至兩者耗時大小證明云平臺和本地服務器的優越性。將數據包數據傳輸至云平臺用時與傳輸至本地服務器用時進行對比分析，本地服務器與云平臺之間的延遲平均相差0.8 s左右，這樣的延時在智能制造遠程數據傳輸過程中是允許的。

圖9為傳輸性能對比圖。通過傳輸性能試驗對比分析，證明云平臺的數據存儲與數據處理優于本地服務器。

圖9 數據包傳輸性能對比圖Fig.9 Comparison diagram of packet transmission performance

4 結論

本設計利用PLC控制器、智能網關等輔助硬件搭建一個云平臺，將污水處理過程中生產數據、設備數據實時傳輸到云端，解決生產過程中出現的設備問題和信息反饋不及時等問題。隨著智能制造、物聯網和云平臺的不斷發展，生產過程中數據采集、反饋、處理等問題成為重中之重。通過該設計可以實現下位機各設備多協議通訊，解決信息孤島等問題，還能通過瀏覽web實現信息數據可視化并能及時處理數據下發指令給工作現場。通過數據傳輸試驗驗證，生產數據傳輸至云平臺，傳輸過程具有性能強、消耗時間短、數據傳輸穩定等優勢，對實現遠程監控是至關重要的。

本設計為其他行業實現遠程監控也打下了堅實的基礎。