摘要:针对污水处理厂的特点，介绍一种基于PLC和GPRS无线通信的污水厂监控系统设计。利用Internet和GPRS远程网络，实现了污水处理厂的计算机集中监控。针对厂区的分布和污水处理的特点及要求，对监控系统的结构、通讯方式、硬件配置和监控组态软件进行了设计。
关键词:污水处理；以太网；GPRS；监控系统；设计
随着国家对环保投入的不断增加以及污水处理行业改革的不断深入，城市污水处理厂的运营管理向市场化、专业化、规模化、集团化趋势发展。许多专业的运营企业要运营管理同一城市的多个污水处理厂。因此，对污水处理厂的生产实施远程监控，对降低运行成本和加强生产管理以及确保污水处理工艺的高效运行和水质达标排放、提升企业运营管理的效率具有重要的意义。
一、污水厂自控系统简介
某污水厂处理量为20 万吨/天, 出水指标为一级A，属于规模较大的污水处理厂。该污水厂共有12 个PLC 分站全部接入中央控制室，建立一套中央监控系统。该监控系统由现场检测、数据采集和处理、数据通信和中央监控等部分组成，现场设备反馈的设备状态和检测仪表检测到的设备参数经过处理后通过以太网上传至中央控制室，中央控制室内的运行人员通过监控计算机监视全厂设备的运行状态，根据设备运行状态和仪表参数发出各种控制指令，控制指令通过计算机网络传到现场，控制设备的相应动作。污水厂内有8个二沉池和2个浓缩池， 仪表设备安装在全桥360°旋转的刮泥机上。如果采用有线通信方式通信，通信距离较远，电缆敷设有困难，且不利于维护，因此采用无线通信方式，将信号传输至中控室上位机。
二、无线网络系统构成
1.网络结构
无线传输网络由一体化无线I/O 模块（包括网关模块和节点模块）、RS485-TCP/IP 转换模块构成，通过PLC站的交换机连接至中控室上位机，网络结构如图1所示。
图1 网络结构
2.无线采集设备的以太网接入
本系统中无线网关自带RS-485 串行通信接口，因此要将其通过以太网连接至中控室上位机，需要一个RS-485转TCP/IP 转换模块。选用ES-301 模块，该模块支持MODBUS RTU 从站模式，用于MODBUS RTU 从站与MODBUS TCP主站的通信。无线网关作为MODBUSRTU从站，上位机作为MODBUS TCP主站，通过该模块进行通信。无线网关模块与ES-301之间采用MODBUS 通信协议。通信格式定义：数据长度为7 位数据位，一位停止位，采用奇校验，波特率为9600kbps。
3.无线设备与上位机的通信
无线通信虽然通信距离远，无需铺设电缆，安装方便，但对环境的要求也很高，需要设备完全可视，污水厂现场基本能达到该要求，但在吸泥机旋转过程中偶尔会出现遮挡物，影响信号质量。为了保证数据可靠性，在上位机设置纠错校验，如果发现数据不可信，则及时反馈到无线设备，重置寄存器。上位机编程软件采用组态软件KINGSCADA，该软件支持C 语言编程。上位机与ES301 模块采用MODBUS TCP 通信方式。为了保证无线通信和接口转换模块的工作时间，不引起时序冲突，采样时间设置为5s。在完成采样之后，首先执行校验程序，如果数据可信，则继续完成进行数据存储和显示功能。开关量/模拟量寄存器为无线网关中的映射地址。开关量和模拟量校验程序保证了数据的准确性和可靠性，在实际工程应用中效果显著。
三、系统硬件配置及功能
1.PLC的配置
进水泵房的控制由西门子S7-300PLC配以CP373-1以太网模块组成，主要完成3台进水泵、电动阀、粗格栅等的控制及进水流量的监测。
百乐克系统采用西门子S7-300PLC，选用CPU315-2DP，配以CP373-1以太网模块，直接与进水泵房的以太网交换机连接，并带有2个远程I/O站和1个变频器控制站。1#远程I/O子站用于细格栅、增压泵、鼓风机、压力阀、气阀、刮泥桥、回泥流泵等的控制和进水口PH值、氧化池容氧值的检测，2#远程I/O子站用于氧化池1#、2#软起鼓风机的控制，变频器控制站和S7-300通过Profibus总线连接，用于控制3#变频鼓风机。
滤布滤池和紫外线消毒池选用S7-200PLC，配以以太网通信模块，直接与脱水机房的以太网交换机连接。
2.人机界面操作站
中央控制室设有2个操作员站，其中一个兼作工程师站，选用联想CPU:I5 内存：8G 硬盘：2T工控机作为控制计算机，配置27寸液晶显示器、打印机、UPS电源，装有Intoch8．0组态软件，实现对整个系统的监控功能。
3.无线通信设备
泵站S7-200系列PLC采用专用的GPRS无线数据通信模块SINAUTMD720-3，该模块主要由GPRS调制解调器、天线和GPRS通信管理软件SINAUTMicroSC(集成OPCServer)等组成，实现S7-200PLC的GPRS无线连接。S7-200PLC通过传感器对现场数据进行实时采集和处理，把现场采集到的实时数据通过GPRS模块发送到GPRS网络，利用TCP/IP传输方式以IP包的形式由GPRS网络发送到Internet网上，通过ADSLModem信号路由器VPN解密后，再将解密后的数据包通过Ethernet转发到数据中心服务器上进行数据接收处理，与此同时数据中心服务器担负着向S7-200PLC工作站发送相应控制指令数据的任务。作为客户机的中央控制室监控主机从数据中心服务器上取得数据在人机操作界面软件上完成对泵站的监控。防火墙选用网景达GatePlusVGW2000，该设备具有12口交换机，超强上网管理，带宽绑定功能，强大的防火墙策略，支持ADSL接入方式。
四、控制软件设计
程序设计采用模块法编程思想，根据现场设备及工艺流程的特点，编制各种子程序功能模块。S7-200PLC通过PC/PPI编程电缆，采用STEP72Micro/Win32V4．0编程软件，将编写的程序分别下载到PLC的CPU中，完成对紫外线消毒池、滤布滤池和环东路泵站相关数据的采集和设备的控制等。S7-300PLC的网络组态和硬件配置及编程在STEP7V5．4编程工具中完成，它全面支持全集成自动化功能，可将数据管理、通信、编程同时集成在一个环境中完成。
下面以进水泵房为例，说明控制软件的设计方法。进水泵房是一个相对独立的系统，由2台格栅、1台螺旋输送机和3台排水泵及出水阀组成。格栅和螺旋输送机控制工艺为:只要进水阀门没有关闭，格栅必须运行，螺旋输送机随格栅联动;格栅停运后，螺旋输送机延时停止。3台排水泵用于将污水提升到污水处理系统。其控制工艺为:污水池的液位决定排水泵的开启台数;3台泵等时轮值工作。出水阀与排水泵联动，排水泵启动后，对应的出水阀延时打开，排水泵停运后，延时关闭出水阀。决定某1台排水泵工作与否的条件为:
(1)该排水泵是否处于工作组中，如果“是”，用“1”表示，否则用“O”表示。3台排水泵，采用3位二进制数表示工作组的状态，如101表示第1、3台水排水泵处于工作组中。
(2)当时液位所处的状态，即液位条件。此条件用以确定排水泵的开启台数。
(3)该排水泵当时的状态，即排水泵是否有故障。当某台排水泵出现机械故障、电机故障或控制器故障等异常情况时则不能投入运行。
在编程时，根据液位条件字和工作组控制字即可对排水泵进行等时轮值控制。将液位h分为3个等级:低液位(液位0)、中液位(液位1)和高液位(液位2)。
结语
本设计利用功能强大、可靠性高的西门子PLC对现场设备进行控制，同时综合运用了Internet和先进的移动GPRS网络，解决了整个污水处理厂数据的采集和远距离传输问题，融合了较先进的现场总线技术、计算机技术、通信技术和软件技术，实现测、控、管一体化的污水处理厂综合自动化功能。本设计在现场已成功应用，运行效果良好。
参考文献
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[3]冯冬芹，黄文君．工业通信网络与系统集成[M]．北京:科学出版社，2005
论文作者:丁磊
论文发表刊物:《电力设备》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/1
标签：模块论文; 污水处理论文; 设备论文; 通信论文; 液位论文; 上位论文; 数据论文; 《电力设备》2018年第16期论文;