基于Web的污水處理遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

董 哲，韓 杰，陳夢嬌

(北方工業(yè)大學 電氣與控制工程學院, 北京 100144)

基于Web的污水處理遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

董 哲，韓 杰，陳夢嬌

(北方工業(yè)大學 電氣與控制工程學院, 北京 100144)

詳細闡述了針對一個中型污水處理過程中產生的溫度、流量、壓力、濃度等多個I/O數(shù)據(jù)進行實時采集與遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。監(jiān)控系統(tǒng)整體基于分布式結構并采用B/S架構實現(xiàn)，在介紹污水處理系統(tǒng)整體結構的基礎上，重點分析了中心服務器與現(xiàn)場PLC控制層的通信模式，闡述了Web監(jiān)控層的畫面設計過程以及功能實現(xiàn)，遠程客戶端可以通過瀏覽器實時觀測到現(xiàn)場的狀況。

遠程監(jiān)測;污水處理;Web技術

0 引言

隨著工業(yè)生產的快速發(fā)展，企業(yè)會在生產過程中產生大量的污水廢水，所以對污水做凈化處理勢在必行。利用臭氧作為氧化劑對工業(yè)廢水進行凈化和消毒處理已經在化工和環(huán)保領域廣泛應用[1-2]，并且企業(yè)需要對這些數(shù)據(jù)和現(xiàn)場的污水處理過程進行實時監(jiān)控與信息掌握，在其過程中需要監(jiān)測各項水質數(shù)據(jù)，包括水的溫度、壓力、流量、濁度、溶解氧濃度(DO)、生化需氧量(BOD)、化學模擬量(COD)等過程參數(shù)，以及監(jiān)控污水處理設備的運行狀態(tài)。遠程監(jiān)控系統(tǒng)融合了現(xiàn)場采集控制技術和網(wǎng)絡通信技術，使得工程人員不受地域限制，通過廣域網(wǎng)實時監(jiān)控現(xiàn)場運行情況[3]。

1 系統(tǒng)總體結構

整個系統(tǒng)方案采用分層結構設計[4]，主要包括現(xiàn)場PLC設備層、數(shù)據(jù)信息通信層、Web監(jiān)控層。系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構圖

整個系統(tǒng)采用B/S和C/S混合模式，現(xiàn)場污水處理過程中的數(shù)據(jù)采集模塊采用C/S結構開發(fā)，數(shù)據(jù)的監(jiān)測以及對外發(fā)布功能采用B/S結構開發(fā)。現(xiàn)場設備層主要是監(jiān)控污水處理的過程，遠程現(xiàn)場的過程數(shù)據(jù)和水質數(shù)據(jù)通過4G信號傳輸給服務器端進行數(shù)據(jù)匯總和存儲。數(shù)據(jù)信息通信層的功能主要是解析數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析和在線存儲到數(shù)據(jù)庫服務器中。主站監(jiān)控層主要實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的Web發(fā)布功能，客戶以及工程人員可以通過瀏覽器隨時查看現(xiàn)場的控制參數(shù)和檢測數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

2.1現(xiàn)場PLC設備層的方案設計

本文是結合實際項目進行開發(fā)的,具體污水處理工藝過程如圖2所示。整個處理過程分為3個部分，第一部分是氧氣投加過程，通過空氣壓縮機提供動力,其中監(jiān)測量包括氧氣濃度、氧氣漏點溫度等；第二部分是臭氧的生產過程，在臭氧發(fā)生室內利用介質阻擋放電法(Dielectric Barrier Discharge, DBD)將氧氣電離生成臭氧，監(jiān)測量主要有臭氧發(fā)生器電源板運行數(shù)據(jù)和PLC控制過程中的數(shù)據(jù)；第三部分是臭氧與污水進行化學反應的過程。

圖2 氧氣源系統(tǒng)及射流投加工過程

針對具體工藝流程，系統(tǒng)的控制設計采用西門子S7-200 SMART系列模塊，現(xiàn)場總線采用RS485通信總線，通信協(xié)議采用工業(yè)標準的MODBUS RTU協(xié)議。污水處理現(xiàn)場的控制總線結構圖如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場控制總線結構圖

從總線結構圖中可以看出臭氧生產系統(tǒng)主要控制設備有3套，分別控制調節(jié)臭氧的生產量，三個臭氧系統(tǒng)PLC作為MODBUS從站將臭氧發(fā)生器設備中的控制、開關、調節(jié)、報警、故障提示等數(shù)據(jù)進行記錄；與此同時一個PLC主站主要讀取3個從站的數(shù)據(jù)以及通過RS485總線讀取水質檢測傳感器數(shù)據(jù)(溫度、PH值、電導率、溶解氧等參數(shù))，數(shù)據(jù)匯總后寫入四號從站，四號從站通過4G路由信號將現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)送至遠端服務器。同時現(xiàn)場也有人機交互監(jiān)控設備實時監(jiān)測工況狀態(tài)并控制現(xiàn)場設備的運行?，F(xiàn)場監(jiān)控配置界面如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場監(jiān)控界面圖

2.2數(shù)據(jù)信息通信層設計

數(shù)據(jù)信息通信層主要解決遠程數(shù)據(jù)傳輸問題，工業(yè)現(xiàn)場總線運用比較多的協(xié)議有OPC協(xié)議、RS485/MODBUS協(xié)議、Ethernet/IP工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議等。針對項目的具體情況，對比這幾種協(xié)議在工業(yè)現(xiàn)場的運用情況，分別開發(fā)了基于MODBUS TCP協(xié)議的服務器程序和自定義協(xié)議棧的數(shù)據(jù)采集服務器程序。沒有選用傳統(tǒng)的OPC協(xié)議是因為其在作為遠程訪問時，Windows出于安全性考慮，需要配置DCOM組件，使得遠程訪問有諸多限制。圖5是開發(fā)的數(shù)據(jù)采集服務器程序界面。

圖5 數(shù)據(jù)采集服務器界面

服務器端的遠程數(shù)據(jù)采集程序設計基于C/S結構、TCP/IP協(xié)議開發(fā)?，F(xiàn)場PLC實時采集數(shù)據(jù)然后通過4G路由器發(fā)送至服務器端，數(shù)據(jù)采集程序同時兼容兩種通信協(xié)議，一是標準的MODBUS TCP協(xié)議，二是根據(jù)此項目實際情況自行開發(fā)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。在自定義協(xié)議棧的開發(fā)過程中充分考慮程序的擴展性和兼容性，開放了相應的接口和方法方便二次開發(fā)利用。同時，數(shù)據(jù)采集服務器是基于socket接口開發(fā)的多線程程序，允許多個客戶端的同時接入并傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集程序將現(xiàn)場所有檢測到的數(shù)據(jù)進行實時顯示和存儲，其中主要包括控制過程數(shù)據(jù)和水質檢測數(shù)據(jù)。

2.3數(shù)據(jù)庫模塊設計

數(shù)據(jù)庫模塊設計在遠程監(jiān)控系統(tǒng)中屬于比較重要的部分[5]。數(shù)據(jù)采集程序在收集到控制單元數(shù)據(jù)后，經過分析處理儲存到數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫服務器的功能是實現(xiàn)對各個監(jiān)測點數(shù)據(jù)的存儲和管理，數(shù)據(jù)類型大致分為污水參數(shù)、控制設備狀態(tài)、報警故障等。這些過程數(shù)據(jù)大致可以分為實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。所以考慮同時使用實時數(shù)據(jù)庫(PI)和關系型數(shù)據(jù)庫(MySql)，圖6為實時數(shù)據(jù)庫存儲流程。

圖6 實時數(shù)據(jù)庫存儲流程

來自現(xiàn)場的數(shù)據(jù)首先被送往接口程序進行例外測試，當數(shù)據(jù)變化程度超出采集的過程值預先設定的例外偏差，則數(shù)據(jù)被進一步傳送，否則就被丟棄。通過例外測試的數(shù)據(jù)進入快照子系統(tǒng)，成為新的快照值，舊的快照會通過“螺旋門”進一步壓縮后決定傳送還是放棄。接下來數(shù)據(jù)進入事件隊列，事件隊列中的數(shù)據(jù)被送往歸檔緩沖區(qū)，歸檔不可用時或隊列溢滿后數(shù)據(jù)被傳入磁盤，歸檔可用時數(shù)據(jù)進入歸檔數(shù)據(jù)庫。

關系數(shù)據(jù)庫主要儲存歷史數(shù)據(jù)，每個檢測點的每個時刻都產生一條記錄，不管檢測點的變化大小都要記錄,以方便對數(shù)據(jù)進行歷史查詢。本文選用MySql關系型數(shù)據(jù)庫來存儲歷史數(shù)據(jù)。

2.4 Web監(jiān)控層設計

主站監(jiān)控層主要是Web服務器端的功能開發(fā)和監(jiān)控界面的設計，其中主要包括3個部分的功能模塊設計，一是對污水處理過程中產生的重要數(shù)據(jù)進行圖表的實時顯示，如：溫度、PH值、溶解氧、COD等數(shù)據(jù)指標；二是對現(xiàn)場進行實時視頻監(jiān)控，使得工程人員可以實時觀測工況；三是對歷史數(shù)據(jù)的實時查詢，方便對整個污水處理過程進行數(shù)據(jù)分析與匯總。服務器端本文選用Apache Web服務器，使用PHP語言進行開發(fā)。

針對瀏覽器前端頁面的數(shù)據(jù)參數(shù)實時更新顯示問題，采用Ajax方法進行異步通信獲取實時數(shù)據(jù)，Ajax的工作方式如圖7所示[6]。客戶端通過Ajax引擎與服務器只交換有用的數(shù)據(jù)，而不是在客戶端向服務器端提交請求時，刷新整個頁面數(shù)據(jù)，這樣不僅可以減輕服務器的負擔，還可以提高系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。

圖7 Ajax應用程序工作方式

在前端數(shù)據(jù)可視化顯示方面，本文選用了開源的Highchart控件來圖形化地實時顯示現(xiàn)場動態(tài)數(shù)據(jù)。Highchart是一個用純Javascript編寫的圖表庫，開發(fā)人員可以利用它在Web上快速開發(fā)有交互性的圖表，同時控件可以通過Ajax來加載數(shù)據(jù)，頁面控件利用Javascript來實例化一個XMLHttpRequest對象，通過open函數(shù)來配置服務器端請求的URL及數(shù)據(jù)傳遞方式，并每隔1 s向前端頁面發(fā)送一次請求，然后取得數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳到客戶端控件，控件組織數(shù)據(jù)顯示。

3 實施效果

該系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測界面如圖8所示，鼠標移動到曲線的不同節(jié)點時，會自動顯示相應的數(shù)據(jù)值。

圖8 實時數(shù)據(jù)監(jiān)測圖

針對現(xiàn)場視頻監(jiān)控功能模塊設計，本文選用配有視頻服務器的攝像頭，在中心服務器端相應頁面配置視頻服務器的IP地址，就可以將視頻流引入頁面并顯示，視頻實時監(jiān)視功能包括多角度多畫面監(jiān)控、截圖、調整視頻的分辨率和刷新率等功能。

4 結論

本文針對基于Web的遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的關鍵技術進行研究，實現(xiàn)了對污水處理過程中的數(shù)據(jù)進行遠程監(jiān)測。該系統(tǒng)方案經過測試運行之后實際運行在一個中型污水處理項目中，達到了預期的設計目的和監(jiān)測效果，確保了對大量數(shù)據(jù)進行有效的傳輸和存儲，很好地滿足了功能需求。整個系統(tǒng)結構簡單，易操作，易維護，擴展性好，可廣泛地適用于不同的工業(yè)污水處理現(xiàn)場。

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[2] 戴金峰，王杰亭.工業(yè)污水處理自動監(jiān)控技術的應用[J].電子技術與軟件工程，2016(6):154.

[3] AGUADOA D, ROSENB C. Multivariate statistical monitoring of continuous wastewater treatment plants[J].Engineering Application of Artificial Intelligence(S0952-1976),2008,21(7):1080-1091.

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Design of remote monitoring system for wastewater treatment based on Web

Dong Zhe, Han Jie, Chen Mengjiao

(College of Electrical and Control Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China)

In this paper, the design of a Web based remote monitoring system is presented, and the system is used in a medium-sized water treatment process which collecting real-time data such as temperature, water flow, gas pressure, soild concentration and the I/O type of data from the process of production. The whole system is based on distributed structure and adopts B/S architecture. On the basis of introducing the whole structure of the water treatment system, the paper mainly analyzes communication mode between the host server and PLC control layer, and expatiates the Web design process and the functions implementation of the monitoring system. Users can observe the condition of the site by the browser.

remote monitoring and control; wastewater treatment; Web technology

TP312

：A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.17.028

董哲，韓杰，陳夢嬌.基于Web的污水處理遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].微型機與應用，2017,36(17)：96-98,105.

2017-02-13)

董哲(1981-)，男，博士，副教授，主要研究方向：工業(yè)自動化、網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)、無線傳感網(wǎng)絡等。韓杰(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：網(wǎng)絡化控制。陳夢嬌(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術。