基于NB-IoT的海島海水淡化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

馮 濤，俞永江，尹立輝，王可寧，王金燕

(自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

目前，我國水資源嚴(yán)重匱乏，人均水資源占有量僅為全世界人均的25%。此外，受水資源時空分布不均勻的限制以及海島地形地貌的影響，全國占地面積超過500 m3的6500多個島嶼中，有70%以上存在可用水資源短缺的問題。而海水淡化作為解決海島水質(zhì)型缺水的有效途徑目前已被廣泛應(yīng)用。由于海島地處偏遠(yuǎn)，缺乏專業(yè)操作人員對設(shè)備進(jìn)行日常監(jiān)控和定期維護(hù)[1-3]。傳統(tǒng)維護(hù)方式往往是設(shè)備故障出現(xiàn)后，再安排專業(yè)人員登島檢修，這對于偏僻的海島而言，不僅會在往返途中浪費(fèi)大量時間，也會極大地增加人力和運(yùn)維成本。因此，如何保證在無人值守的情況下島用海水淡化裝置能長期穩(wěn)定運(yùn)行就顯得尤為重要[4-6]。

通過借鑒國內(nèi)外行業(yè)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)來看，目前諸如澳大利亞珀斯、西班牙阿利坎特等國外大型海水淡化廠都通過設(shè)立海水淡化遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)來加強(qiáng)對海水淡化生產(chǎn)過程的監(jiān)管和干預(yù)[7-8]。國內(nèi)在線監(jiān)測技術(shù)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外如水利、環(huán)保、電力和海洋等多個領(lǐng)域，已建立了多個在線監(jiān)測系統(tǒng)，但主要集中在地表水水質(zhì)在線監(jiān)測、在線污染源監(jiān)測、海洋環(huán)境在線監(jiān)測等領(lǐng)域，針對海水淡化尤其是邊遠(yuǎn)海島海淡設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)測及評估方面的研究則較為滯后，尚未得到廣泛應(yīng)用。因此，開發(fā)符合我國島嶼應(yīng)用環(huán)境的海水淡化遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)，對降低海水淡化運(yùn)維成本、提高海水淡化集中化監(jiān)管能力和推動海水淡化產(chǎn)業(yè)良性可持續(xù)發(fā)展都具有十分重要的意義[9-11]。

根據(jù)測控距離、數(shù)據(jù)傳輸量以及應(yīng)用場合等幾方面的考慮，可選用不同的通信及組網(wǎng)方式，目前常用的數(shù)據(jù)通信方式按照特點(diǎn)以及應(yīng)用場合劃分為表1所示的幾種。

表1 主流通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)對比及應(yīng)用場合

通過對各種通信方式進(jìn)行比較，并針對海島海水淡化項(xiàng)目普遍存在的特點(diǎn)，結(jié)合窄帶物聯(lián)網(wǎng)(即NB-IoT)自身優(yōu)勢，本文設(shè)計開發(fā)了一套基于NB-IoT的海島海水淡化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，與傳統(tǒng)基于微波或光纖等模式的海水淡化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)相比，其具備設(shè)備功耗低、信號覆蓋廣、建設(shè)成本低和信號存儲容量大的特點(diǎn)。

系統(tǒng)圍繞硬件設(shè)計和軟件開發(fā)兩方面進(jìn)行研究，硬件設(shè)計主要包括遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信模塊的選型設(shè)計以及配套外圍電路設(shè)計；軟件開發(fā)方面主要從數(shù)據(jù)通信軟件、數(shù)據(jù)庫軟件以及上位監(jiān)控軟件三部分進(jìn)行闡述和開發(fā)。目前，該系統(tǒng)已完成研發(fā)并依托位于福建漳州古雷港的示范工程中試實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了海水淡化工程給/排水側(cè)參數(shù)、生產(chǎn)運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)和能耗等系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時采集和監(jiān)控[12-15]。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本文設(shè)計的基于NB-IOT模式的海島海水淡化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由現(xiàn)場設(shè)備層、現(xiàn)場監(jiān)控層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層3層架構(gòu)組成，整體的系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 海水淡化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

現(xiàn)場設(shè)備層主要由海水淡化本體裝置與信號采集傳感兩部分組成，其中海水淡化裝置按照工藝模塊可劃分為取水、預(yù)處理、超濾、反滲透等單元；而在線傳感器的主要功能是將采集到的過程參數(shù)信號，如流量、溫度、壓力、pH、電導(dǎo)等參數(shù)，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電流(4～20 mA)或電壓(1～5 V)信號傳輸至PLC系統(tǒng)中進(jìn)行存儲和處理。

現(xiàn)場監(jiān)控層則由PLC、上位監(jiān)控單元和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信單元3部分組成。一方面，PLC接收來自現(xiàn)場傳感器采集的壓力(膜組進(jìn)水、膜組段間、膜組濃水、濃水排放等)、溫度(進(jìn)水、化學(xué)清洗等)、流量(進(jìn)水、濃水、產(chǎn)水等)、電導(dǎo)(膜組進(jìn)水、產(chǎn)水等)、pH(膜組產(chǎn)水)等數(shù)據(jù)信號，并通過PLC程序段內(nèi)部處理直接來自傳感器的信號，通過計算得到反滲透系統(tǒng)回收率、脫鹽率及噸水電耗等系統(tǒng)性能指標(biāo)，最后通過以太網(wǎng)的傳輸方式將數(shù)據(jù)傳送至現(xiàn)場上位機(jī)終端予以顯示。其中系統(tǒng)回收率低于設(shè)計值10%或系統(tǒng)跨膜壓差較初始上升15%，則表明系統(tǒng)膜組件存在嚴(yán)重污堵，需要停機(jī)進(jìn)行膜組更換或化學(xué)清洗。另一方面，PLC單元的主控制器CPU將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS232/RS485格式存儲至數(shù)據(jù)傳輸終端DTU中。而后DTU通過NB-IoT將數(shù)據(jù)發(fā)送至云端并在遠(yuǎn)程監(jiān)控端通過信號接收器接收云端傳輸而來的數(shù)據(jù)。

遠(yuǎn)程監(jiān)控層主要包括數(shù)據(jù)接入路由器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、服務(wù)器通信路由、防火墻、網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)中心和視頻監(jiān)控中心。首先通過路由器將NB-IoT網(wǎng)絡(luò)引入，經(jīng)路由器傳輸至監(jiān)測中心服務(wù)器機(jī)組，而后數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的監(jiān)控終端主機(jī)通過專門開發(fā)的數(shù)據(jù)通信軟件將存儲在服務(wù)器中的監(jiān)測數(shù)據(jù)在監(jiān)控終端予以顯示和分析。

2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 PLC系統(tǒng)的硬件設(shè)計

現(xiàn)場層級的PLC系統(tǒng)均采用西門子系列產(chǎn)品。設(shè)計遵循“集中管理、分散控制”的原則，負(fù)責(zé)采集工藝過程數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、自動調(diào)節(jié)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、控制工藝設(shè)備運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對整個工藝流程的集中管理和自動控制。根據(jù)工程規(guī)模以及監(jiān)控點(diǎn)數(shù)對PLC型號進(jìn)行選型，點(diǎn)位在100點(diǎn)以下的項(xiàng)目選用Smart200系列CPU；100點(diǎn)以上系統(tǒng)選用300，1200，1500等系列CPU。

本文依托的中試實(shí)驗(yàn)裝置屬中小型，監(jiān)控點(diǎn)數(shù)88 點(diǎn)，其中模擬量輸入(AI)26點(diǎn)，模擬量輸出(AO)4點(diǎn)，開關(guān)量輸入(DI)45點(diǎn)，開關(guān)量輸出(DO)13點(diǎn)。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、適用性、可靠性及可擴(kuò)展性，本系統(tǒng)采用了西門子S7-200Smart型號產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品適用于中小型系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的擴(kuò)容性，此外還集成了獨(dú)立的以太網(wǎng)口，同時可滿足與遠(yuǎn)程通信模塊(DTU)的TCP/IP通信協(xié)議，組態(tài)通信更加方便靈活。

2.2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信模塊的設(shè)計

數(shù)據(jù)通信模塊(DTU)是整個海水淡化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的主要組成部分，針對海島海水淡化試點(diǎn)分布廣泛、部分試點(diǎn)地處偏遠(yuǎn)、能源供給不穩(wěn)定和高鹽高濕等環(huán)境特點(diǎn)，本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊開發(fā)以NB-IoT技術(shù)為核心，采用BC95系列產(chǎn)品做為系統(tǒng)射頻模組，其主要性能參數(shù)如表2所示。

表2 NB-IoT BC95系列產(chǎn)品性能參數(shù)表

采用這種方式的主要優(yōu)勢有以下幾點(diǎn)。

① 覆蓋范圍廣：同頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)增益約20 dB，相當(dāng)于提升百倍左右的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力，可實(shí)現(xiàn)對邊遠(yuǎn)海島地區(qū)的信號覆蓋。

② 低功耗：終端的遠(yuǎn)程通信模塊待機(jī)時間長達(dá)10年。

③ 兼容性強(qiáng)：模塊內(nèi)部支持TCP、UDP、IPv4和CoAP等多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議。

2.3 DTU硬件電路設(shè)計

2.3.1 供電電路設(shè)計

供電電路設(shè)計是否合理對DTU模塊能否穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。本設(shè)計中要求VBAT輸入電壓在3.1～4.2 V范圍內(nèi)，典型值為3.6 V。此外，設(shè)計過程中還考慮到VBAT 的印制電路板(PCB)布線應(yīng)盡量短且寬，以降低 VBAT 運(yùn)行過程中產(chǎn)生的等效阻抗，確保在最大輸出功率下供電側(cè)不會產(chǎn)生過大的電壓降。除此之外，設(shè)計同時考慮通過UPS電池作為備用電源進(jìn)行供電，保證遠(yuǎn)程傳輸模塊持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。供電電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 DTU模塊供電電路圖

2.3.2 通信串口電路設(shè)計

這部分的電路設(shè)計，主要是為了實(shí)現(xiàn)對PLC系統(tǒng)的中央處理器(CPU)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。針對不同海島試點(diǎn)CPU選型的不同，設(shè)計的串口通信電路分別兼容RS232和RS485兩種串口數(shù)據(jù)上傳。系統(tǒng)支持的通信波特率分別為9600和19200。圖3以RS232串口電路設(shè)計為例進(jìn)行說明。

圖3 DTU模塊RS232串口通信電路圖

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件開發(fā)

3.1 軟件需求分析

通過前面的硬件選型、設(shè)計和組網(wǎng)完成了對海島海水淡化裝置的數(shù)據(jù)采集并將其傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控層的服務(wù)器。因此，接下來的工作需要在監(jiān)控終端建立SQL數(shù)據(jù)庫，并利用自主開發(fā)的數(shù)據(jù)通信軟件將服務(wù)器中存儲的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)中心終端的數(shù)據(jù)庫，并通過B/S架構(gòu)的網(wǎng)頁瀏覽方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在終端的顯示、分析和存儲。

軟件開發(fā)主要由現(xiàn)場PLC軟件、數(shù)據(jù)通信軟件、SQL數(shù)據(jù)庫軟件和網(wǎng)站終端監(jiān)控軟件4部分組成。整套海水淡化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件功能框圖如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能框圖

3.2 PLC軟件設(shè)計

本文依托的中試實(shí)驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)程序設(shè)計采用與西門子S7-200Smart配套的STEP 7-MicroWIN SMART編程語言進(jìn)行開發(fā)。設(shè)計采用模塊化的思路，這種設(shè)計思路的優(yōu)勢在于程序具有較強(qiáng)的可讀性和擴(kuò)容性。具體包括：初始化模塊、模擬量轉(zhuǎn)化模塊、預(yù)處理模塊、反滲透模塊、清洗及加藥系統(tǒng)模塊等，其中反滲透模塊是整個程序設(shè)計的關(guān)鍵。

反滲透控制模塊實(shí)現(xiàn)的主要連鎖保護(hù)有：

① 原水箱設(shè)置低液位保護(hù)和中液位啟動，當(dāng)液位低于低液位，系統(tǒng)停機(jī)并報警，當(dāng)液位恢復(fù)至中液位以上后，系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行。

② 高壓泵進(jìn)出口分別設(shè)置高低壓保護(hù)，當(dāng)膜組進(jìn)水壓力過高則表明膜組件污堵嚴(yán)重，反之當(dāng)供水壓力過低，則表明前端的保安過濾器污堵嚴(yán)重，這兩種情況下系統(tǒng)均停機(jī)并報警。

③ 產(chǎn)水電導(dǎo)大于設(shè)定值，合格閥關(guān)閉，不合格閥打開，對產(chǎn)水進(jìn)行排放。

④ 反滲透進(jìn)水ORP過高時，系統(tǒng)啟動還原劑加藥泵防止反滲透膜元件被氧化導(dǎo)致膜組件報廢。

3.3 數(shù)據(jù)通信軟件

數(shù)據(jù)通信軟件的開發(fā)主要是為實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與監(jiān)控終端數(shù)據(jù)庫之間的通信，具體功能包括：

① 設(shè)計時鐘電路，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性；

② 定時上發(fā)數(shù)據(jù)包，保障及時獲取數(shù)據(jù)；

③ 計算安全校驗(yàn)碼，保障數(shù)據(jù)安全可靠。

指令接收函數(shù)部分代碼如下：

uint1_t UartDma_Read(uint8_t*buf,uint16_t len)

{

uint1_t cnt;

for(cnt=0；cnt

{

if(！DMA_NEW_RX(dmaCfg.rxHead))

break;

*buf++=DMA_GET_RX(dmaCfg.rxHead)

dmaCfg.rxHead=0;

}

return cnt；

}

3.4 數(shù)據(jù)庫軟件開發(fā)

在對數(shù)據(jù)進(jìn)行成功接收之后，接下來最重要的任務(wù)就是利用開發(fā)的數(shù)據(jù)庫軟件將所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。目前主流的數(shù)據(jù)庫開發(fā)平臺有SQL Server和Access兩種。針對海島試點(diǎn)分布廣、系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大、系統(tǒng)操作頻繁等特點(diǎn)對兩種開發(fā)平臺進(jìn)行比選，最終選擇 SQL Server 2008 作為本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫開發(fā)平臺。

針對海水淡化工藝測量參數(shù)的特點(diǎn)，整個數(shù)據(jù)庫由流量數(shù)據(jù)表(FlowData)、壓力數(shù)據(jù)表(PressureData)、液位數(shù)據(jù)表(LevelData)、水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)表(WaterQualityData)、報警數(shù)據(jù)表(AlarmData)和系統(tǒng)用戶管理表(SystemUserData)6個數(shù)據(jù)表單組成。

3.5 監(jiān)控軟件開發(fā)

遠(yuǎn)程監(jiān)控終端界面采用客戶端/瀏覽器模式(B/S模式)，網(wǎng)站后臺采用ASP.NET技術(shù)進(jìn)行搭建，網(wǎng)站前端則利用C#和HTML5等標(biāo)準(zhǔn)化編程語言進(jìn)行開發(fā)，主要功能及特點(diǎn)如下。

① 用戶權(quán)限管理：系統(tǒng)設(shè)置管理員用戶、操作員用戶和游客3種權(quán)限。3種用戶置于統(tǒng)一的管理系統(tǒng)之下，其中管理員用戶可對其他用戶進(jìn)行添加、修改、刪除等操作。此外，還可根據(jù)實(shí)際情況對遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的各項(xiàng)功能，如站點(diǎn)故障分析、歷史數(shù)據(jù)查詢、報警參數(shù)設(shè)置實(shí)行權(quán)限分級設(shè)置的管理。

② 歷史數(shù)據(jù)分析：可根據(jù)站點(diǎn)以往運(yùn)行情況，查詢各個測量點(diǎn)位的歷史運(yùn)行參數(shù)，并實(shí)時生成歷史曲線圖，便于對設(shè)備進(jìn)行更加直觀的分析管理。

③ 故障診斷分析：如設(shè)備發(fā)生故障時，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)采集的站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障樹分析，并生成故障維修方案反饋至站點(diǎn)，可有效降低專業(yè)人員赴島維修頻率。

④ 報表管理：針對不同站點(diǎn)的數(shù)據(jù)和故障記錄，使用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行保存，并提供報表打印功能。

4 工程應(yīng)用情況

4.1 試點(diǎn)概況

以福建古雷港100 t/d反滲透海水淡化中試示范工程為依托進(jìn)行海水淡化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的首批試點(diǎn)建設(shè)。主體工藝采用“超濾+兩級反滲透”。取水方式采用開放式取水；首級反滲透分段設(shè)計用于提高系統(tǒng)回收率，二級反滲透用于提高整套反滲透系統(tǒng)的脫鹽率，提高產(chǎn)品水水質(zhì)。

4.2 現(xiàn)場硬件配置

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集裝置由PLC主控制器、PLC擴(kuò)展模塊、在線傳感器及遠(yuǎn)程通信裝置(DTU)組成，實(shí)現(xiàn)對海水淡化工程運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。該試點(diǎn)部分硬件配置如表3所示。

表3 示范工程試點(diǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集硬件配置表

4.3 試點(diǎn)運(yùn)行情況

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)配合試點(diǎn)海水淡化工程連續(xù)運(yùn)行結(jié)果表明：系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對試點(diǎn)工程生產(chǎn)情況的連續(xù)監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確可靠、通信丟包率較低，遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)如表4所示，平均誤差在±1.5%以內(nèi)。

表4 遠(yuǎn)程監(jiān)控數(shù)據(jù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集誤差對比表

海水淡化裝置生產(chǎn)期間遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件運(yùn)行過程中的部分監(jiān)控畫面如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件運(yùn)行界面

5 結(jié)束語

本文開發(fā)建立的以窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)為主要技術(shù)的海島海水淡化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)測量采集精準(zhǔn)、通信傳輸穩(wěn)定可靠、監(jiān)控終端界面友好，系統(tǒng)能夠滿足對試點(diǎn)工程生產(chǎn)情況的連續(xù)監(jiān)測，在有效解決邊遠(yuǎn)島礁設(shè)備維護(hù)困難、提高海島海水淡化設(shè)備集中監(jiān)管力度、提高海水淡化智慧化水平等方面具有指導(dǎo)性意義。