（交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究院，天津 300456）

企業(yè)隨意偷排污和非達標(biāo)排污，造成環(huán)境嚴(yán)重污染的情況時有發(fā)生，因此在控制、監(jiān)測方面提供一個有效、使用先進的監(jiān)控系統(tǒng)和解決方法，建立污水排放在線監(jiān)控系統(tǒng)，提高監(jiān)管能力，勢在必行。污水排放遠程監(jiān)控系統(tǒng)依托于通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和軟件技術(shù)，將原本分布于各企業(yè)的污水排放設(shè)備進行遠程控制，數(shù)據(jù)自動采集、存儲和管理。通過總控中心對各企業(yè)排污的遠程控制、監(jiān)測及數(shù)據(jù)查詢的方式，解決了以往只能通過前往現(xiàn)場才能看到實時狀態(tài)的難題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

污水排放遠程監(jiān)控系統(tǒng)由遠程終端、通訊網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心3部分組成。遠程終端安裝在不同地理位置的企業(yè)內(nèi)部，通過通訊網(wǎng)絡(luò)使監(jiān)控中心信息和本地信息相互傳輸，實時監(jiān)控排污設(shè)備的動作狀態(tài)和流量數(shù)據(jù)。通訊網(wǎng)絡(luò)基于GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)遠程無線連接遠程終端和監(jiān)控中心，是兩者之間信息傳輸?shù)臉蛄篬1]。監(jiān)控中心實時顯示GPRS網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)，通過人為操作遠程監(jiān)控排污設(shè)備的動作狀態(tài)和流量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架Fig.1 System framework

1.1 遠程終端

遠程終端包括執(zhí)行機構(gòu)、自控中樞和信息轉(zhuǎn)換。

執(zhí)行機構(gòu)包括LDG-211電磁流量計儀表、EX型電動開關(guān)閥[2]設(shè)備。流量計儀表采集流量的電磁信息傳輸給自控中樞儀表變送器，由變送器信息轉(zhuǎn)換。電動開關(guān)閥接收控制中樞開關(guān)量信號后執(zhí)行相應(yīng)動作，并將動作狀態(tài)的開關(guān)量信號反饋于自控中樞。本污水排放遠程監(jiān)控系統(tǒng)涉及13個企業(yè)，各企業(yè)的遠程終端根據(jù)排污管道數(shù)量、型號安裝相應(yīng)排污設(shè)備。

自控中樞是遠程終端的控制核心，發(fā)揮承上啟下的作用，包括儀表電磁流量計表頭、西門子PLC CPU 222CN和EM231模塊、外圍電氣控制配件。儀表變送器把接收的電磁信號轉(zhuǎn)換成電信號以及4～20 mA模擬信號，電信號通過顯示器實時顯示排污管道內(nèi)流經(jīng)污水的瞬時流量和累計流量，同時將4～20 mA模擬信號傳輸給EM231模塊；PLC CPU 222CN模塊有2個作用：（1）和外圍控制配件組成電氣控制中樞，實時接收控制方式、開關(guān)閥動作和狀態(tài)的信息，另外根據(jù)接收到上位機的信息對閥執(zhí)行相應(yīng)動作。控制方式分為本地控制和遠程控制，本地控制顯示控制方式、開關(guān)閥狀態(tài)和通訊狀態(tài)，遠程控制即監(jiān)控中心上位機軟件控制；（2）主要信號轉(zhuǎn)換，CPU將EM231采集的模擬信號、開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，以9600、無校驗、1位停止位協(xié)議方式通過自由口通訊連接信息轉(zhuǎn)換模塊，把執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸給信息轉(zhuǎn)換模塊，同時對上位機信號轉(zhuǎn)換成識別信號。

信息轉(zhuǎn)換包括LQ8110E GPRS DTU模塊和移動SIM卡。GPRS DTU模塊以登陸成功后自動上傳自身信息，便于數(shù)據(jù)中心識別確認、自動通過心跳包協(xié)議保持通訊鏈路、實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠透明傳輸、實時性好，可實時觀察到所有模塊的在線情況的優(yōu)點通過SIM卡的GPRS、Internet通訊連接上位機和CPU 222CN。另外模塊通過自身配置分配各遠程終端地址，與上位機相應(yīng)控制界面通訊。

遠程終端實現(xiàn)以上所有功能，需進行如下配置：

1）CPU 222CN下載程序中設(shè)置組網(wǎng)中唯一的地址；

2）CPU 222CN下載程序中設(shè)置與GPRS DTU通訊相同協(xié)議，即9600、無校驗、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位；

3）GPRS DTU配置組網(wǎng)中唯一的10位標(biāo)示地址，通過標(biāo)示地址與監(jiān)控軟件互相尋址通訊；

4）GPRS DTU配置組網(wǎng)協(xié)議，即TCP/IP；

5）GPRS DTU配置通訊協(xié)議，即9600、無校驗、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位；

遠程終端控制原理圖如圖2、圖3所示。

圖2 電氣原理（一）Fig.2 Electrical diagram（one）

圖3 電氣原理（二）Fig.3 Electrical diagram（two）

1.2 通訊網(wǎng)絡(luò)

通訊網(wǎng)絡(luò)分為公網(wǎng)IP網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)網(wǎng)IP網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)的條件使用不同通訊網(wǎng)絡(luò)，本系統(tǒng)采用公網(wǎng)IP網(wǎng)絡(luò)。

公網(wǎng)IP網(wǎng)絡(luò)即上網(wǎng)的計算機得到的IP地址是Internet上的非保留地址，公網(wǎng)的計算機和Internet上的其他計算機可隨意互相訪問。本系統(tǒng)監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)屬于一級局域網(wǎng)，采用公網(wǎng)固定IP方式配置GPRS DTU，信號經(jīng)過Internet穿透路由器已映射的端口連接監(jiān)控中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。公網(wǎng)IP網(wǎng)絡(luò)通訊穩(wěn)定、便捷、受影響因素少，但經(jīng)過多級NAT轉(zhuǎn)換的局域網(wǎng)，無法使用。

內(nèi)網(wǎng)IP網(wǎng)絡(luò)即內(nèi)網(wǎng)的計算機以NAT（網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換）協(xié)議，通過一個公共的網(wǎng)關(guān)訪問Internet。經(jīng)過多級NAT轉(zhuǎn)換，內(nèi)網(wǎng)IP已動態(tài)化，無法尋找到正確地址，監(jiān)控中心在這種情況下，采用動態(tài)域名解析方式連接GPRS DTU和監(jiān)控中心上位機，同樣實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。這種通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受第三者動態(tài)域名解析軟件影響大，并增加了工程費用。

1.3 監(jiān)控中心

污水排放遠程監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控軟件采用組態(tài)王6.55編制。組態(tài)王采用STANDARD.MWP自由口通訊協(xié)議分別與13個遠程終端GPRS連接。系統(tǒng)軟件每個終端分2部分，軟件通訊和控制界面。

軟件通訊自由口通訊方式是一種通訊協(xié)議完全開放的工作方式，在該方式下的通訊口的協(xié)議由外設(shè)決定，PLC通過程序來適應(yīng)外設(shè)。從而使得PLC可以與任何具有通訊能力的并且協(xié)議公開的設(shè)備相通訊。在與組態(tài)王采用自由口協(xié)議方式通訊時，為主從的問答方式，裝有組態(tài)王的上位機為主呼方，下位機為應(yīng)答方。

遠程終端信息流通過GPRS DTU設(shè)備，轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)，通過GPRS連接Internet網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過公網(wǎng)IP尋址方式連接監(jiān)控中心，監(jiān)控主機通過定義的虛擬KVCOM口設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰浖?nèi)部各類寄存器中，通過監(jiān)控界面完成數(shù)據(jù)的顯示和監(jiān)控。通訊示意如圖4所示。

圖4 通訊示意Fig.4 Communication diagram

控制界面包括開關(guān)閥、通訊網(wǎng)絡(luò)、流量計儀表。

開關(guān)閥包括控制狀態(tài)和反饋狀態(tài)。點擊開閥（關(guān)閥）按鈕，遠程開關(guān)閥按照指令動作，相應(yīng)按鈕固定頻率閃爍；開關(guān)閥動作到指定位置，按鈕停止閃爍，位置狀態(tài)顯示開（綠色）或關(guān)（紅色），如圖5所示。

圖5 控制界面Fig.5 Control interface

通訊網(wǎng)絡(luò)包括控制方式和通訊狀態(tài)。遠程終端控制方式切換至監(jiān)控中心操作，位置狀態(tài)顯示遠程，通訊網(wǎng)絡(luò)斷線或切換本地操作時，位置狀態(tài)顯示本地；通訊成功時通訊控制變?yōu)榫G色，通訊失敗時變?yōu)榧t色。

流量計實時顯示排污管道瞬時流量和累計流量。瞬時流量存在時，排污管道流動性指示。累計流量的數(shù)值根據(jù)人為操作可以設(shè)置定期時間內(nèi)已累計的流量。

2 結(jié)語

污水排放遠程監(jiān)控系統(tǒng)的工程項目經(jīng)過天津港測試、應(yīng)用，于2015年3月竣工驗收，獲得天津港良好的評價。遠程終端電氣控制電路的設(shè)計、GPRS DTU模塊利用通訊網(wǎng)絡(luò)以自由口通訊協(xié)議方式數(shù)據(jù)傳輸、以及遠程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件編制。實現(xiàn)了遠距離、多站點設(shè)備的數(shù)據(jù)、狀態(tài)監(jiān)控，減少了工程成本，使得系統(tǒng)具有很強的通用性，不管是用于污水排放系統(tǒng)，還是在水利研究、環(huán)境監(jiān)測、工控等領(lǐng)域中，有著非常好的發(fā)展前景[3]。

[1]黃承安，張躍，云懷中.基于GPRS的遠程儀表監(jiān)控系統(tǒng)[J].電測與儀表，2003，40（8）：42-45.

[2]蘇云，潘豐，肖應(yīng)旺.基于組態(tài)王與PLC的遠程控制系統(tǒng)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2004（2）：53-55.

[3]王建新，楊世鳳，史永江，等.遠程監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢[J].國外電子測量技術(shù)，2005（4）：9-12.