董 哲，韓 杰，陳夢(mèng)嬌

(北方工業(yè)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院, 北京 100144)

基于Web的污水處理遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董 哲，韓 杰，陳夢(mèng)嬌

(北方工業(yè)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院, 北京 100144)

詳細(xì)闡述了針對(duì)一個(gè)中型污水處理過程中產(chǎn)生的溫度、流量、壓力、濃度等多個(gè)I/O數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。監(jiān)控系統(tǒng)整體基于分布式結(jié)構(gòu)并采用B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，在介紹污水處理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了中心服務(wù)器與現(xiàn)場(chǎng)PLC控制層的通信模式，闡述了Web監(jiān)控層的畫面設(shè)計(jì)過程以及功能實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)程客戶端可以通過瀏覽器實(shí)時(shí)觀測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)的狀況。

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè);污水處理;Web技術(shù)

0 引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，企業(yè)會(huì)在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的污水廢水，所以對(duì)污水做凈化處理勢(shì)在必行。利用臭氧作為氧化劑對(duì)工業(yè)廢水進(jìn)行凈化和消毒處理已經(jīng)在化工和環(huán)保領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1-2]，并且企業(yè)需要對(duì)這些數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)的污水處理過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與信息掌握，在其過程中需要監(jiān)測(cè)各項(xiàng)水質(zhì)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(xué)模擬量(COD)等過程參數(shù)，以及監(jiān)控污水處理設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)融合了現(xiàn)場(chǎng)采集控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，使得工程人員不受地域限制，通過廣域網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況[3]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)方案采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[4]，主要包括現(xiàn)場(chǎng)PLC設(shè)備層、數(shù)據(jù)信息通信層、Web監(jiān)控層。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)系統(tǒng)采用B/S和C/S混合模式，現(xiàn)場(chǎng)污水處理過程中的數(shù)據(jù)采集模塊采用C/S結(jié)構(gòu)開發(fā)，數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)以及對(duì)外發(fā)布功能采用B/S結(jié)構(gòu)開發(fā)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層主要是監(jiān)控污水處理的過程，遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)的過程數(shù)據(jù)和水質(zhì)數(shù)據(jù)通過4G信號(hào)傳輸給服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總和存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)信息通信層的功能主要是解析數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和在線存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中。主站監(jiān)控層主要實(shí)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(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)的控制參數(shù)和檢測(cè)數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)

2.1現(xiàn)場(chǎng)PLC設(shè)備層的方案設(shè)計(jì)

本文是結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行開發(fā)的,具體污水處理工藝過程如圖2所示。整個(gè)處理過程分為3個(gè)部分，第一部分是氧氣投加過程，通過空氣壓縮機(jī)提供動(dòng)力,其中監(jiān)測(cè)量包括氧氣濃度、氧氣漏點(diǎn)溫度等；第二部分是臭氧的生產(chǎn)過程，在臭氧發(fā)生室內(nèi)利用介質(zhì)阻擋放電法(Dielectric Barrier Discharge, DBD)將氧氣電離生成臭氧，監(jiān)測(cè)量主要有臭氧發(fā)生器電源板運(yùn)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(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的過程。

圖2 氧氣源系統(tǒng)及射流投加工過程

針對(duì)具體工藝流程，系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)采用西門子S7-200 SMART系列模塊，現(xiàn)場(chǎng)總線采用RS485通信總線，通信協(xié)議采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS RTU協(xié)議。污水處理現(xiàn)場(chǎng)的控制總線結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)控制總線結(jié)構(gòu)圖

從總線結(jié)構(gòu)圖中可以看出臭氧生產(chǎn)系統(tǒng)主要控制設(shè)備有3套，分別控制調(diào)節(jié)臭氧的生產(chǎn)量，三個(gè)臭氧系統(tǒng)PLC作為MODBUS從站將臭氧發(fā)生器設(shè)備中的控制、開關(guān)、調(diào)節(jié)、報(bào)警、故障提示等數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄；與此同時(shí)一個(gè)PLC主站主要讀取3個(gè)從站的數(shù)據(jù)以及通過RS485總線讀取水質(zhì)檢測(cè)傳感器數(shù)據(jù)(溫度、PH值、電導(dǎo)率、溶解氧等參數(shù))，數(shù)據(jù)匯總后寫入四號(hào)從站，四號(hào)從站通過4G路由信號(hào)將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)端服務(wù)器。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)也有人機(jī)交互監(jiān)控設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工況狀態(tài)并控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控配置界面如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控界面圖

2.2數(shù)據(jù)信息通信層設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)信息通信層主要解決遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸問題，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線運(yùn)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(duì)項(xiàng)目的具體情況，對(duì)比這幾種協(xié)議在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)用情況，分別開發(fā)了基于MODBUS TCP協(xié)議的服務(wù)器程序和自定義協(xié)議棧的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器程序。沒有選用傳統(tǒng)的OPC協(xié)議是因?yàn)槠湓谧鳛檫h(yuǎn)程訪問時(shí)，Windows出于安全性考慮，需要配置DCOM組件，使得遠(yuǎn)程訪問有諸多限制。圖5是開發(fā)的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器程序界面。

圖5 數(shù)據(jù)采集服務(wù)器界面

服務(wù)器端的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)基于C/S結(jié)構(gòu)、TCP/IP協(xié)議開發(fā)。現(xiàn)場(chǎng)PLC實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)然后通過4G路由器發(fā)送至服務(wù)器端，數(shù)據(jù)采集程序同時(shí)兼容兩種通信協(xié)議，一是標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS TCP協(xié)議，二是根據(jù)此項(xiàng)目實(shí)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(kuò)展性和兼容性，開放了相應(yīng)的接口和方法方便二次開發(fā)利用。同時(shí)，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器是基于socket接口開發(fā)的多線程程序，允許多個(gè)客戶端的同時(shí)接入并傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集程序?qū)F(xiàn)場(chǎng)所有檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)，其中主要包括控制過程數(shù)據(jù)和水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)。

2.3數(shù)據(jù)庫(kù)模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)模塊設(shè)計(jì)在遠(yuǎn)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(jīng)過分析處理儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，數(shù)據(jù)類型大致分為污水參數(shù)、控制設(shè)備狀態(tài)、報(bào)警故障等。這些過程數(shù)據(jù)大致可以分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。所以考慮同時(shí)使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)(PI)和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)(MySql)，圖6為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)流程。

圖6 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)流程

來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)首先被送往接口程序進(jìn)行例外測(cè)試，當(dāng)數(shù)據(jù)變化程度超出采集的過程值預(yù)先設(shè)定的例外偏差，則數(shù)據(jù)被進(jìn)一步傳送，否則就被丟棄。通過例外測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)入快照子系統(tǒng)，成為新的快照值，舊的快照會(huì)通過“螺旋門”進(jìn)一步壓縮后決定傳送還是放棄。接下來(lái)數(shù)據(jù)進(jìn)入事件隊(duì)列，事件隊(duì)列中的數(shù)據(jù)被送往歸檔緩沖區(qū)，歸檔不可用時(shí)或隊(duì)列溢滿后數(shù)據(jù)被傳入磁盤，歸檔可用時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)入歸檔數(shù)據(jù)庫(kù)。

關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)主要儲(chǔ)存歷史數(shù)據(jù)，每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的每個(gè)時(shí)刻都產(chǎn)生一條記錄，不管檢測(cè)點(diǎn)的變化大小都要記錄,以方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史查詢。本文選用MySql關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)。

2.4 Web監(jiān)控層設(shè)計(jì)

主站監(jiān)控層主要是Web服務(wù)器端的功能開發(fā)和監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)，其中主要包括3個(gè)部分的功能模塊設(shè)計(jì)，一是對(duì)污水處理過程中產(chǎn)生的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表的實(shí)時(shí)顯示，如：溫度、PH值、溶解氧、COD等數(shù)據(jù)指標(biāo)；二是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，使得工程人員可以實(shí)時(shí)觀測(cè)工況；三是對(duì)歷史數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢，方便對(duì)整個(gè)污水處理過程進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與匯總。服務(wù)器端本文選用Apache Web服務(wù)器，使用PHP語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)。

針對(duì)瀏覽器前端頁(yè)面的數(shù)據(jù)參數(shù)實(shí)時(shí)更新顯示問題，采用Ajax方法進(jìn)行異步通信獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，Ajax的工作方式如圖7所示[6]?？蛻舳送ㄟ^Ajax引擎與服務(wù)器只交換有用的數(shù)據(jù)，而不是在客戶端向服務(wù)器端提交請(qǐng)求時(shí)，刷新整個(gè)頁(yè)面數(shù)據(jù)，這樣不僅可以減輕服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，還可以提高系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。

圖7 Ajax應(yīng)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(lái)圖形化地實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。Highchart是一個(gè)用純Javascript編寫的圖表庫(kù)，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(shí)控件可以通過Ajax來(lái)加載數(shù)據(jù)，頁(yè)面控件利用Javascript來(lái)實(shí)例化一個(gè)XMLHttpRequest對(duì)象，通過open函數(shù)來(lái)配置服務(wù)器端請(qǐng)求的URL及數(shù)據(jù)傳遞方式，并每隔1 s向前端頁(yè)面發(fā)送一次請(qǐng)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(shí)施效果

該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面如圖8所示，鼠標(biāo)移動(dòng)到曲線的不同節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)自動(dòng)顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)值。

圖8 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)圖

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控功能模塊設(shè)計(jì)，本文選用配有視頻服務(wù)器的攝像頭，在中心服務(wù)器端相應(yīng)頁(yè)面配置視頻服務(wù)器的IP地址，就可以將視頻流引入頁(yè)面并顯示，視頻實(shí)時(shí)監(jiān)視功能包括多角度多畫面監(jiān)控、截圖、調(diào)整視頻的分辨率和刷新率等功能。

4 結(jié)論

本文針對(duì)基于Web的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)污水處理過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)方案經(jīng)過測(cè)試運(yùn)行之后實(shí)際運(yùn)行在一個(gè)中型污水處理項(xiàng)目中，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的和監(jiān)測(cè)效果，確保了對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的傳輸和存儲(chǔ)，很好地滿足了功能需求。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易操作，易維護(hù)，擴(kuò)展性好，可廣泛地適用于不同的工業(yè)污水處理現(xiàn)場(chǎng)。

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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(mèng)嬌.基于Web的污水處理遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)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(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)等。韓杰(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：網(wǎng)絡(luò)化控制。陳夢(mèng)嬌(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。