吴海明

（厦门东海职业技术学院，福建 厦门 361100）

我国水资源丰富，但人口众多，人均水资源仅为世界平均水平的28%[1]。随着我国经济社会的发展，生产、生活用水不断增加，污水排放问题越来越严重。污水排放导致水体、土壤等受到污染，严重威胁人民群众的身体健康，因此污水处理极为重要。对污水处理过程进行监控是保证污水处理正常高效运转的重要手段[2−4]。目前，大部分污水处理厂仍依靠人工进行24 h值守监控，信息传输采用有线方式，无法进行历史数据的查询、收集、分析等[5]。物联网技术的不断发展，手机、平板电脑等无线设备的不断普及，使远程实时监控成为可能。本文利用物联网模块、PLC等设计了一套基于物联网的污水处理监控系统，解决了目前污水处理监控系统远程监控的难题，为实现污水处理远程监控提供借鉴。

根据基于物联网的污水处理监控系统的需求分析，污水处理场包括格栅井、调节池、厌氧池、接触氧化池、沉淀池、接触消毒池、污泥池、事故池等污水污泥处理系统，以及废气处理系统。监控系统要实现对污水池中动力泵的监控和对水位、余氯等模拟量的监控，出现故障时系统能够自动报警。上述功能需在现场端及远程端同时实现，其工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程图

根据物联网结构划分规则，将整个系统分为感知层、网络层及应用层。其中，感知层是最底层，包括现场各类传感器、浮球及PLC，实现现场数据采集分析。网络层则是整个物联网系统的中枢神经，包括工业智能网关、交换机、各通信协议，将系统中的各种设备、应用程序、通信协议等连接在一起，实现各设备信息的交互。应用层是三层结构的顶层，主要包括现场端应用程序及远程端应用程序。现场端应用程序为触摸屏应用程序，远程端应用程序包括计算机端组态程序及手机App，用户通过应用程序可以实现对现场设备运行情况的监控。整个监控系统结构如图2所示。

图2 监控系统结构框图

污水处理监控系统的硬件部分主要由核心控制器、工业智能网关、触摸屏、变频器、提升泵、液位传感器、余氯检测仪、流量传感器等组成，通过手机App、网页、计算机组态程序及触摸屏等实时监控设备运行情况，硬件系统架构如图3所示。

图3 硬件系统架构框图

根据监控系统结构框图及硬件系统架构框图，分析所需器件，得到具体材料清单。本系统共包含7台动力泵，其中调节池中两台污水提升泵通过两个浮球控制其依次或同时工作，接触氧化池中设计混合液回流泵，当调节池中污水提升泵运行时，其联动运行，到达运行设定时间时停止运行。沉淀池中配备污泥提升泵，该污泥提升泵由变频器接入，可通过系统设定工作时间。污泥池中配备两台污泥提升泵，通过污泥池浮球控制两台提升泵依次切换工作或同时工作。事故池中配备事故提升泵，根据事故池及调节池的液位控制该提升泵运行。系统还需实现对余氯发生器、鼓风机、潜水搅拌机等设备的控制。

根据硬件系统架构框图及硬件电路设计要求画出电路图，在电控柜外部安装触摸屏、电源开关、指示灯、急停按钮等，在电控柜内部安装PLC、电源模块、智能网关等设备。

要实现对设备的监控，除了设计基于物联网的污水处理监控系统的硬件架构外，还需要设计配套的软件。系统通过软件将污水处理现场的设备参数采集后反馈到平台控制端，平台控制端根据反馈的信息进行设备的自动控制，在远程端利用手机、计算机等设备根据接收到的数据及时调整现场设备状态，当设备出现故障时及时报警、定位并记录。

3.1 PLC程序设计

本系统选用某品牌PLC作为核心控制器件，采用程序块模式进行编程。编程前需根据PLC型号进行系统配置，完成后即可进行程序编写。因程序块编程方式将整个系统按照实际功能分成若干个程序块，通过一个主程序控制各子程序块的运行，便于整个模块的控制、修改及维护。

在主程序中接入急停按钮，当急停按钮通电时，设备正常运转，掉电时各子程序停止工作，实现急停。

根据系统功能需求，子程序块包括用于读取系统时间的CLOCK模块，用于定时启动部分设备的定时启动模块，用于时间转换的数值转换模块，用于自动控制污水处理设备状态的自动模块，用于自动报警的报警模块，用于PLC与变频器间通信的MOD⁃BUS模块，用于读取外部模拟量信号的模拟量模块。程序框图如图4所示。

图4 PLC程序框图

3.2 触摸屏组态软件设计

系统选用自带集成开发系统的触摸屏，可以直接在其自带的开发系统中进行组态设计。

软件设计前，通过通信连接设置、接口设置及通信端口属性设置，将其与系统中的PLC进行配对，配对成功后即可进行程序设计。根据系统实际情况，在触摸屏中设置开机页面、运行界面、设置页面、报警页面及变频器设置页面等人机交互界面，设计完成后将页面中各组态控件与PLC中各设备输入输出地址进行参数绑定。通过以上几个界面的设置，用户可以在各页面查看设备的运行情况，设置设备启停时间，查看历史报警记录等。所有信息配置完成后，通过USB或以太网即可将工程文件下载到触摸屏中。触摸屏程序设计流程如图5所示。

图5 触摸屏程序设计流程

3.3 计算机端组态软件设计

计算机端组态软件即上位机程序，主要用于在监控室或办公室等固定场所进行监控。上位机以前常采用VB语言或C语言进行设计，虽然能够实现个性化的界面定制，但是对开发人员的素质要求高，且工作效率低，移植效果差，成本高。目前上位机编程大都采用组态软件来实现，组态软件实现了标准化、模块化设计，设计人员只需从系统中调取模块并进行简单的编程就可实现复杂、高效、稳定的上位机功能，成本低，效率高，开发周期短。

利用工程创建向导完成工程的创建，之后进行串口设计，通过串口与PLC进行通信。为该串口指定PLC中的地址，设置完成后该工程软件即可与PLC进行通信。

串口设计完成后，需进行数据词典设计，用于进行数据控制及交换，根据PLC程序及触摸屏等设备设置的地址进行数据规划，指定对应变量名及寄存器端口，建立设备间的联系。之后即可进行人机交互界面设计。人机交互界面包括主界面、运行界面、I/O界面、参数界面、变频器的模拟量界面、报警界面6个界面。计算机端组态软件设计流程如图6所示。

图6 计算机端组态软件设计流程

3.4 手机端平台配置

手机端平台的作用是让用户在手机端实现对现场设备的监控，通常通过智能网关来实现。平台配置包括软件配置及云端组态设计。

1）软件配置。选择合适的物联网盒子，并添加到软件中，通过以太网将其与系统中的PLC连接，进行系统监控变量配置、报警记录配置、历史数据配置并将数据上传至服务器。

2）云端组态设计。设计前先将软件中配置的数据如数据表、变量表及告警表等导入云端，以便后续创建的组态控件与PLC、触摸屏等设备进行通信。

云端组态设计与触摸屏组态设计类似，具有较好的屏幕自适应性，不需要进行画布大小设置即可适配各种屏幕尺寸的设备。云端组态设计的界面包括主界面、运行界面、变频设置界面及时间设置界面。各界面控件布置完成后，将前面定义的各数据变量与对应的组件进行数据绑定，以便将组态控件与实际设备连接。所有界面配置完成后进行状态测试，测试成功后即可发布。此时通过计算机云平台或手机云助手App即可进行设备实时数据和画面监控、报警数据和历史数据查看等。手机端平台配置流程如图7所示。

图7 手机端平台配置流程

测试前将PLC、触摸屏、远程模块通过网线接入到交换机中，并让各设备处于同一网络频段，交换机连接外部以太网，分别利用4个开关模拟4个浮球，利用PLC程序模拟外部余氯、水流量等模拟量输入，连接完成后通电即可进入测试模式。本文分别进行手动控制测试和自动控制测试。

4.1 手动控制测试

电控柜上的开关为三档控制开关，每个开关控制系统中的一个动力设备，开关上方设有指示灯，当设备运行时，对应开关的指示灯亮，停止时指示灯灭。三档开关中间为停止，左边为手动启动，右边为自动启动。测试前将所有开关拨至中间档，通电后所有指示灯均为熄灭状态，说明此时无设备运行。将开关逐个向左拨时，每向左拨动一个开关，对应的指示灯点亮。当所有开关均拨至左侧后，电控柜上所有指示灯均点亮，说明所有设备均处于运行状态，手动控制功能正常。

4.2 自动控制测试

自动控制测试前，先将所有三档开关拨到右侧，然后分别通过触摸屏端、计算机端及手机App端进行定时启动测试、运行时长测试及变频器测试。经过测试，所有设备均能按要求正常启停，说明自动控制功能正常，满足设计要求。

测试各设备在浮球控制下的运行情况。分别测试高浮球、高高浮球、污泥池浮球及事故池浮球开启、关闭时各设备的运行情况。经测试，设备都能按照预设要求正常运行，在触摸屏端、手机App端及计算机端都能查看设备运行情况，查看水流量、水位及余氯量等数据。让高浮球和高高浮球同时开启，测试水量过大无法及时排出时系统能否正常报警。测试显示，当水量过大且达到设定时间后，报警蜂鸣器响，系统记录报警信息，并通过手机微信公众号发布报警信息，提醒用户及时查看设备情况。自动控制测试流程如图8所示。

图8 自动控制测试流程

本文设计了一套基于物联网的污水处理监控系统，并进行手动控制和自动控制功能测试。测试表明该系统可实现现场及远程设备监控，使用户能够随时随地掌握污水处理设备运行状况，提高生产效率，降低成本。

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