基于PLC的云平臺(tái)污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫潔，許清河，于鳳臣，朱杰，張瑞新

（1.華北理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.南堡開發(fā)區(qū)城市建設(shè)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(huán)保科技有限公司，河北 唐山 063000）

隨著污水處理行業(yè)的日趨智能化、復(fù)雜化，在污水廠生產(chǎn)過程中需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)、采集的數(shù)據(jù)越來越多、越來越復(fù)雜。同時(shí)在生產(chǎn)過程中設(shè)備眾多，給設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控帶來了相應(yīng)的困難，其操作和維護(hù)將耗費(fèi)巨大的人力、物力。污水處理工藝生產(chǎn)過程的復(fù)雜性和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境的惡劣性，使得常規(guī)的監(jiān)控手段往往不能實(shí)現(xiàn)對(duì)許多現(xiàn)場(chǎng)重要參數(shù)、信息進(jìn)行快速性、實(shí)時(shí)性的監(jiān)控和采集，以至于不能做出相應(yīng)的控制決策。如何實(shí)現(xiàn)在污水處理中對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和維護(hù)，及對(duì)數(shù)據(jù)的采集、傳送則變得尤其重要[1]。利用云平臺(tái)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控這一方式在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)過程中還出現(xiàn)許多關(guān)鍵技術(shù)問題急需解決，如數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性反應(yīng)、曲線動(dòng)態(tài)繪制、遠(yuǎn)程調(diào)控及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、安全性等[2]。

傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)過程中的遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸將通過不同設(shè)備進(jìn)行協(xié)議整合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)流程的完整性和連通性。這就需要編寫大量的通訊協(xié)議來實(shí)現(xiàn)，這會(huì)給系統(tǒng)搭建增加很大的負(fù)擔(dān)和麻煩。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，常常采用可編程邏輯控制器（PLC）來實(shí)現(xiàn)，但由于傳輸數(shù)據(jù)能力局限性以及本地服務(wù)器承載水平的有限性，效果往往不是很穩(wěn)定[3]。這就急需設(shè)計(jì)出一種專業(yè)實(shí)用的云平臺(tái)來解決這些問題。

針對(duì)在污水處理中出現(xiàn)的這些問題，采用遙信消息隊(duì)列傳輸（message queuing telemetry trans?port，MQTT）系列智能網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理。智能網(wǎng)關(guān)在生產(chǎn)過程中能實(shí)現(xiàn)雙向通信，不僅能解決下對(duì)上的操作，也能進(jìn)行上對(duì)下的操作[4]；采用MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)關(guān)與PLC通信，通過協(xié)議操作將數(shù)據(jù)傳入IBM云端，通過對(duì)云端的操控實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)丟失是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中容易存在的問題，也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問題。這是由于數(shù)據(jù)采集過程中與非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理存在時(shí)間差異性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。在設(shè)計(jì)過程中需要采集硬件具有數(shù)據(jù)緩存的功能和具有非常短時(shí)間采樣周期實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，解決數(shù)據(jù)采集和處理所出現(xiàn)的差異性[5-6]。

采集系統(tǒng)硬件控制系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)分布式自動(dòng)化，并利用各式傳感器實(shí)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)信號(hào)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(tǒng)針對(duì)數(shù)據(jù)采集搭建硬件組態(tài)網(wǎng)絡(luò)視圖如圖1所示。

圖1 硬件組態(tài)網(wǎng)絡(luò)視圖Fig.1 Hardware configuration network view

1.1 系統(tǒng)硬件

1.1.1 西門子S7-1500

S7-1500 PLC以模塊化結(jié)構(gòu)、可擴(kuò)展性且卓越的系統(tǒng)性能，能快速縮短響應(yīng)時(shí)間、優(yōu)化控制性能，在生產(chǎn)過程中極大提高了生產(chǎn)效率。與S7-300 PLC相比具有聯(lián)網(wǎng)能力更強(qiáng)、處理效率更高、易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)分布式管理等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域當(dāng)中，成為實(shí)際生產(chǎn)中的一種常用的工業(yè)控制器[7]。使用S7-1500 PLC可在實(shí)際生產(chǎn)中添加ET200M模塊作為從站實(shí)現(xiàn)多輸入輸出參數(shù)，能完成簡(jiǎn)單復(fù)雜的邏輯控制、人機(jī)界面交互和網(wǎng)絡(luò)通信等操作。

1.1.2 MQTT系列智能網(wǎng)關(guān)

MQTT系列工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)是一款具備挖掘工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)并接入到用戶自主開發(fā)的云平臺(tái)或物通聯(lián)博IOT套件中智能嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。它具備數(shù)據(jù)采集、協(xié)議解析、邊緣計(jì)算、4G/3G/Wifi數(shù)據(jù)傳輸及接入MQTT云平臺(tái)[8-9]等功能。MQTT系列智能網(wǎng)關(guān)的特點(diǎn)概述如表1所示。

表1 智能網(wǎng)關(guān)的特點(diǎn)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(dòng)化軟件TIA portal的簡(jiǎn)稱，是西門子工業(yè)自動(dòng)化集團(tuán)發(fā)布的一款全新的全集成自動(dòng)化軟件?？蛇m用幾乎所有的自動(dòng)化任務(wù)，利用該軟件，可實(shí)現(xiàn)快速訪問、開發(fā)、實(shí)驗(yàn)自動(dòng)化系統(tǒng)。通過本地訪問私有云中的TIA博途，顯著地減少了軟件維護(hù)費(fèi)用，無需編程設(shè)備即可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目維護(hù)、安全訪問自動(dòng)化系統(tǒng)部件。還可以通過生產(chǎn)和IT網(wǎng)絡(luò)之間的結(jié)構(gòu)化接口，處理日益增加的復(fù)雜性通信和海量的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，安全可靠地實(shí)現(xiàn)工廠和機(jī)器的遠(yuǎn)程服務(wù)，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)組件直接集成于TIA博途。根據(jù)污水處理實(shí)際生產(chǎn)需求編寫相應(yīng)PLC程序、編寫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

1.2.2 Node-RED軟件

Node-RED提供了一個(gè)基于瀏覽器的編輯器，可以輕松地使用調(diào)色板中的廣泛節(jié)點(diǎn)流使節(jié)點(diǎn)連接在一起，這些節(jié)點(diǎn)可以通過單擊部署的方式進(jìn)行執(zhí)行。使用Node-RED，開發(fā)人員將輸入/輸出和處理節(jié)點(diǎn)連接起來，創(chuàng)建流程來處理數(shù)據(jù)，控制事物或發(fā)送警報(bào)。

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

1.2.3 MQTT協(xié)議

MQTT協(xié)議是輕量、簡(jiǎn)單、開放和易于實(shí)現(xiàn)的，這些特點(diǎn)使它適用范圍非常廣泛。在很多情況下，包括受限的環(huán)境中，如：機(jī)器與機(jī)器（M2M）通信和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）。其在通過衛(wèi)星鏈路通信傳感器、偶爾撥號(hào)的醫(yī)療設(shè)備、智能家居及一些小型化設(shè)備中已廣泛使用。MQTT協(xié)議工作原理如圖2所示。

圖2 MQTT協(xié)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(rèn)消息?？蛻鬊發(fā)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(fā)布溫度20℃，但客戶B沒有訂閱，消息代理不推送。消息B又發(fā)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(gè)過程非常簡(jiǎn)單清晰，容易理解。

1.3 數(shù)據(jù)采集與傳輸

污水處理控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的采集和傳輸是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)核心。利用PLC和傳感器采集數(shù)據(jù)，利用智能網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制。首先確定PLC和網(wǎng)關(guān)接線正確性，在本地服務(wù)器或者云平臺(tái)配置相應(yīng)采集參數(shù)，配置成功后，進(jìn)入Node-RED軟件訪問后臺(tái)web管理頁面，通過配置MQTT協(xié)議的地址和參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)本地調(diào)試MQTT協(xié)議的狀態(tài)，并添加PLC設(shè)備信息、通信參數(shù)、設(shè)置采集數(shù)據(jù)周期等。這樣就完成了數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)牟渴穑湍軐?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸[11]。通過智能網(wǎng)關(guān)就可以將PLC采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，相對(duì)的，通過云平臺(tái)就可以將指令通過智能網(wǎng)關(guān)下發(fā)給PLC，使得實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制[12-13]。

數(shù)據(jù)連接與傳輸原理圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)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(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 MBR膜單元功能設(shè)計(jì)

污水處理控制系統(tǒng)的控制對(duì)象是一種小型MBR膜中水處理設(shè)備，具體工藝流程為：原水由水泵提升進(jìn)入反應(yīng)器，經(jīng)過初步預(yù)處理，除去大顆粒的污染物，然后進(jìn)入MBR反應(yīng)室，在這里污水經(jīng)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(fù)壓抽出排入中水箱。通過膜池的清洗系統(tǒng)、吹掃系統(tǒng)及排空系統(tǒng)處理得到廢物和凈化的水分開處理，經(jīng)此循環(huán)得到合格排放的水。

圖4為膜單元功能設(shè)計(jì)圖，污水進(jìn)入的方向?yàn)閺淖笙蛴伊魅搿?/p>

圖4 膜單元功能設(shè)計(jì)圖Fig.4 Functional design drawing of membrane unit

2.2 PLC程序設(shè)計(jì)

根據(jù)污水處理的控制需求編寫程序，使用TIA Portal V14軟件進(jìn)行編寫。并在PLC軟件上建立膜處理控制子程序采集數(shù)據(jù)塊，記錄數(shù)據(jù)塊的地址。圖5為部分采集數(shù)據(jù)圖。

圖5 部分采集數(shù)據(jù)圖Fig.5 The diagram of the part of the data collection

2.3 控制系統(tǒng)硬件組成

污水處理控制系統(tǒng)的硬件由S7-1500 PLC、電磁閥、傳感器、繼電器、電源、各種開關(guān)和輔助部件組成。根據(jù)膜池系統(tǒng)控制要求，列出PLC所有的輸入輸出量、開關(guān)量。MBR膜控制系統(tǒng)啟動(dòng)前，將所需投入運(yùn)行的水泵、推流泵、空壓機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、加藥泵等設(shè)備開關(guān)撥至遠(yuǎn)程控制側(cè)，將所需投入膜單元?dú)鈩?dòng)閥上電、并把閥門控制箱上選擇開關(guān)遠(yuǎn)程控制側(cè)；再進(jìn)行膜系統(tǒng)投運(yùn)，設(shè)置好儀表風(fēng)壓力值，讓回流渠在自動(dòng)狀態(tài)等，并根據(jù)膜池的控制要求設(shè)計(jì)。由于該膜控制系統(tǒng)有50個(gè)輸入端口、21個(gè)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(jī)為HMI交互界面進(jìn)行上位機(jī)操作和監(jiān)控。

2.4 膜處理程序設(shè)計(jì)

針對(duì)污水處理實(shí)際生產(chǎn)需要，結(jié)合MBR法水處理技術(shù)完成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，隨著污水處理發(fā)展日趨智能化，復(fù)雜化，控制要求、性能的要求也會(huì)越來越高，膜池控制程序設(shè)計(jì)功能也趨向智能化。系統(tǒng)初始化，完成后打開電磁閥X1，設(shè)定延時(shí)時(shí)間，利用傳感器檢測(cè)真空度，判斷是否達(dá)到設(shè)定值，根據(jù)不同檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行不同操作，如果沒有達(dá)到設(shè)定值，啟動(dòng)水泵Y1，設(shè)定延時(shí)時(shí)間，再進(jìn)行壓力檢測(cè)是否達(dá)到設(shè)定值，從而進(jìn)行不同操作，判斷1#，2#管路是否故障，從而判斷電動(dòng)閥和水泵的開關(guān)。根據(jù)膜池控制要求實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸

3.1 數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)

數(shù)據(jù)采集傳輸與處理要求其連續(xù)性、實(shí)時(shí)性，防止中途出現(xiàn)中斷，造成數(shù)據(jù)的丟失，這就需要采集硬件具有數(shù)據(jù)緩存的功能和具有非常短時(shí)間采樣周期實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，解決數(shù)據(jù)采集和處理所出現(xiàn)的差異性。數(shù)據(jù)采集流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.7 Flow chart of data collection

數(shù)據(jù)傳輸通訊正常后即可將數(shù)據(jù)傳送到本地服務(wù)器及云端。圖8為現(xiàn)場(chǎng)污水生產(chǎn)曲線，可清晰地查看到現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)情況。無論在什么地方，均可通過瀏覽web進(jìn)行數(shù)據(jù)查看及設(shè)備監(jiān)控。在實(shí)際應(yīng)用過程中會(huì)存在一些故障等問題，如何保證系統(tǒng)正常運(yùn)行和解決數(shù)據(jù)傳輸時(shí)所出現(xiàn)的問題，也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重中之重。在數(shù)據(jù)傳輸中為防止出現(xiàn)設(shè)備斷網(wǎng)、離線等問題，采取數(shù)據(jù)離線傳輸?shù)炔僮鳎乐钩霈F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸中斷、數(shù)據(jù)丟失等問題。若出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堵塞導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，該系統(tǒng)利用的是MQTT協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，它能進(jìn)行“至少一次”消息傳輸，具有確保消息到達(dá)等優(yōu)勢(shì)。

圖8 生產(chǎn)曲線Fig.8 Production curves

3.2 傳輸性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

云平臺(tái)與本地服務(wù)器的區(qū)別在于對(duì)變化的過程數(shù)據(jù)的響應(yīng)速度。

對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，利用MQTT傳輸協(xié)議進(jìn)行傳輸，分別向云平臺(tái)和本地服務(wù)器傳輸相同數(shù)量的數(shù)據(jù)包，通過對(duì)比驗(yàn)證傳輸至兩者耗時(shí)大小證明云平臺(tái)和本地服務(wù)器的優(yōu)越性。將數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)用時(shí)與傳輸至本地服務(wù)器用時(shí)進(jìn)行對(duì)比分析，本地服務(wù)器與云平臺(tái)之間的延遲平均相差0.8 s左右，這樣的延時(shí)在智能制造遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸過程中是允許的。

圖9為傳輸性能對(duì)比圖。通過傳輸性能試驗(yàn)對(duì)比分析，證明云平臺(tái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)處理優(yōu)于本地服務(wù)器。

圖9 數(shù)據(jù)包傳輸性能對(duì)比圖Fig.9 Comparison diagram of packet transmission performance

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)利用PLC控制器、智能網(wǎng)關(guān)等輔助硬件搭建一個(gè)云平臺(tái)，將污水處理過程中生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆贫?，解決生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的設(shè)備問題和信息反饋不及時(shí)等問題。隨著智能制造、物聯(lián)網(wǎng)和云平臺(tái)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)采集、反饋、處理等問題成為重中之重。通過該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)下位機(jī)各設(shè)備多協(xié)議通訊，解決信息孤島等問題，還能通過瀏覽web實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)可視化并能及時(shí)處理數(shù)據(jù)下發(fā)指令給工作現(xiàn)場(chǎng)。通過數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)驗(yàn)證，生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)，傳輸過程具有性能強(qiáng)、消耗時(shí)間短、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，對(duì)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控是至關(guān)重要的。

本設(shè)計(jì)為其他行業(yè)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控也打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。