基于GPRS的污水處理監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

摘要：首先介紹GPRS技術(shù)的原理和GPRS在污水處理監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，針對某市污水處理廠的實(shí)際情況，提出一種基于GPRS技術(shù)的污水處理遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，并設(shè)計通信規(guī)約和上位機(jī)軟件。通過實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)行，污水處理能力和效率均得到明顯提升。
關(guān)鍵詞：通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)；上位機(jī)；污水處理；遠(yuǎn)程監(jiān)控

    污水處理監(jiān)控存在設(shè)備分布點(diǎn)零散，而且每個點(diǎn)設(shè)備較少的情況。因此，對這些設(shè)備的實(shí)時監(jiān)測存在鋪設(shè)線路成本高、維護(hù)費(fèi)用高、不易調(diào)整等問題。通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS(General Packet Radio Service)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)則為此提供一個最佳解決方案。在其基礎(chǔ)上可進(jìn)行多種數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，按數(shù)據(jù)流量計算運(yùn)行費(fèi)用，運(yùn)行成本低，無須維護(hù)傳輸平臺。而且GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，具有數(shù)據(jù)傳輸速率高和永遠(yuǎn)在線的特點(diǎn)。因此，GPRS通訊在污水處理監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用具有無可比擬的性價比優(yōu)勢。
    傳統(tǒng)污水處理廠的運(yùn)行主要依賴人工經(jīng)驗(yàn)知識，各個工藝流程階段都需要人工干預(yù)。而污水處理過程復(fù)雜，有很多不確定性和模糊性，傳統(tǒng)的PID控制方法需要精確的數(shù)學(xué)模型和分析過程，難以控制復(fù)雜的污水處理過程，所以一般由人工來完成整個過程的閉環(huán)控制。而過于依賴人工操作則會帶來太多人為因素，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
    針對傳統(tǒng)污水監(jiān)控系統(tǒng)由于監(jiān)控點(diǎn)位置的分散，通過有線的方式布置系統(tǒng)存在成本過高、缺乏靈活性，以及過于依賴人工操作不利于系統(tǒng)穩(wěn)定性等缺點(diǎn)，本文結(jié)合GPRS技術(shù)的特點(diǎn)，為某市污水處理公司設(shè)計一套基于GPRS的污水處理監(jiān)控系統(tǒng)。

1 基于GPRS的污水處理遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)
    遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的中控室主要由2臺計算機(jī)組成：系統(tǒng)監(jiān)控管理計算機(jī)和信息監(jiān)控管理計算機(jī)。系統(tǒng)監(jiān)控管理計算機(jī)部分，2臺交換機(jī)通過控制層實(shí)時通信網(wǎng)與本地現(xiàn)場PLC站通訊，可實(shí)時檢測與監(jiān)控污水處理廠自控系統(tǒng)范圍內(nèi)的各類設(shè)備狀態(tài)、工藝過程參數(shù)，并顯示到人機(jī)界面，以供操作人員、管理人員進(jìn)行運(yùn)行管理，并可通過租用電信部門DDN數(shù)據(jù)通信專線與排水公司調(diào)度系統(tǒng)連接。信息監(jiān)控管理計算機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)時和定時記錄生產(chǎn)報表并打印，同時作為系統(tǒng)監(jiān)控管理計算機(jī)的設(shè)備。
    由于部分污水處理現(xiàn)場距中控室較遠(yuǎn)，有的達(dá)幾千米甚至十幾千米，布置有線的方式成本開銷太大，故采用GPRS的通信方式對距中控室較遠(yuǎn)的現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測與控制。遠(yuǎn)端現(xiàn)場將采集的數(shù)據(jù)收集到遠(yuǎn)端現(xiàn)場服務(wù)器。通過遠(yuǎn)端現(xiàn)場的處理與轉(zhuǎn)換，再利用具有GPRS功能的數(shù)據(jù)終端通過無線方式與巾國移動基站通信，GPRS的分組從基站發(fā)送到GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)(SGSN)，SGSN再與GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)(GGSN)通信，由GGSN對分組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，發(fā)送給中控室的GPRS收發(fā)裝置，中控室的監(jiān)控管理計算機(jī)通過數(shù)據(jù)包的地址對數(shù)據(jù)進(jìn)行分別處理。中控室用戶監(jiān)控管理計算機(jī)申請一個固定IP地址，GPRS模塊一旦登陸GSM網(wǎng)絡(luò)，便會自動連接用戶數(shù)據(jù)中心。從而在GPRS模塊和用戶數(shù)據(jù)中心之間通過IP地址進(jìn)行TCP／IP雙向通信擻據(jù)傳輸透明而可靠。
    系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程分站和中控室兩部分組成。遠(yuǎn)程分站由GPRS模塊利用PLC與現(xiàn)場各種自動化儀表、傳感器及變送器等連接?？刂浦行目刹捎肞C機(jī)結(jié)合GPRSMODEM，或PC機(jī)結(jié)合固定IP地址的方式?；贕PRS網(wǎng)絡(luò)的污水處理監(jiān)控系統(tǒng)方案如圖1所示。

2 通信規(guī)約設(shè)計
    污水處理監(jiān)控系統(tǒng)的通信分為2種，一種是通過GPRS無線連接與DTU通信，另一種是局域網(wǎng)通信。GPRS選用TCP／IP協(xié)議通信。主要是DTU向服務(wù)器發(fā)送污水工序、氧化溝、污泥泵房、二沉池、配水井等設(shè)備運(yùn)行情況的數(shù)據(jù)，以及服務(wù)器向DTU轉(zhuǎn)發(fā)上位機(jī)命令。而局域網(wǎng)通信主要是服務(wù)器向數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)、上位機(jī)查找數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，以及上位機(jī)向服務(wù)器發(fā)送請求命令。這里將局域網(wǎng)通信協(xié)議和GPRS通信協(xié)議統(tǒng)一為一種數(shù)據(jù)幀格式，如表l所示。

    表l中，數(shù)據(jù)幀幀頭和幀尾都用0x7E表示，而為避免數(shù)據(jù)內(nèi)容與幀頭、幀尾混淆，用2個“Ox7E”表示“0x7E”；幀長度是指除幀頭和幀尾外，所有數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。用2個字節(jié)表示；主命令說明發(fā)送方的請求內(nèi)容：從命令輔助主命令定義數(shù)據(jù)發(fā)送周期的長短；DTU號碼用于標(biāo)識DTU；ID號是DTU編碼；數(shù)據(jù)內(nèi)容主要指污水工序、氧化溝、污泥泵房、二沉池、配水井設(shè)備運(yùn)行情況等數(shù)據(jù)。
    當(dāng)信道上無數(shù)據(jù)傳輸時，通信雙方應(yīng)每隔時間C發(fā)送心跳包以維持此連接。當(dāng)心跳包發(fā)出超過時間T后未收到響應(yīng)，則立即再發(fā)送心跳包。若連續(xù)發(fā)送(N-1)次后仍未得到響應(yīng)，則斷開此連接。參數(shù)C、T、N原則上應(yīng)可配置，現(xiàn)階段建議取值：C=3 min，T=60 s，N=3。網(wǎng)關(guān)與SP之間、網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)關(guān)之間的消息發(fā)送后等待T后未收到響應(yīng)，應(yīng)立即重發(fā)。若連續(xù)發(fā)送(N-1)次后仍未得到響應(yīng)則停發(fā)。現(xiàn)階段建議取值是：T=60 s，N=3。采用并發(fā)方式發(fā)送消息，并加以滑動窗口流量控制，窗口大小參數(shù)W可配置，現(xiàn)階段建議取為16，即接收方應(yīng)答前，1次收到的消息數(shù)最多不超過16條。

3 軟件部分設(shè)計
    本系統(tǒng)上位機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)采用基于Windows 2000環(huán)境下的Intouch 8．O系統(tǒng)。Intouch具有領(lǐng)先的人機(jī)接口界面(HMI)和面向?qū)ο蟮膱D形開發(fā)環(huán)境，便于高效、快捷地配置用戶的應(yīng)用程序。目前常見的工控組態(tài)軟件有Intouch、LabView，Rsview(Allen-Brandley)、Ifix(GE Fanuc)、Kingview(組態(tài)王)、Wince (Siemens)、Interlution等，Intouch和這些軟件相比，其主要優(yōu)點(diǎn)有：優(yōu)化代碼；自帶SQL語言，方便數(shù)據(jù)庫設(shè)計；提供各種通信協(xié)議接口，包括PLC，GSM，GPRS等。基于以上特點(diǎn)，這里使用Intouch作為上位機(jī)軟件的開發(fā)工具，其實(shí)現(xiàn)的功能包括：自動形成生產(chǎn)日、月、年報表，定時自動打印：建立詳細(xì)的幫助信息，所有事故報警信息顯示清單；監(jiān)測數(shù)據(jù)的圖形化與報表形式顯示。圖2為污水廠進(jìn)水預(yù)處理軟件界面。

4 系統(tǒng)應(yīng)用分析
    經(jīng)過實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)行，基于GPRS的污水處理監(jiān)控系統(tǒng)自投入使用以來，污水處理性能和效率提高很多，BOD5總?cè)コ视休^大幅度提高，COD達(dá)標(biāo)率和BOD5達(dá)標(biāo)率達(dá)到100％。圖3、圖4分別是污水處理廠某月出水監(jiān)測COD數(shù)據(jù)變化圖和BOD5數(shù)據(jù)變化圖。

    整個系統(tǒng)界面友好，操作方便，可實(shí)現(xiàn)各等級權(quán)限密碼保護(hù)，系統(tǒng)安全可靠。并可根據(jù)用戶事先設(shè)定的監(jiān)控范圍對多種指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，一旦超出設(shè)定范圍，計算機(jī)立即報警，并記錄有關(guān)數(shù)據(jù)、工況，以供分析處理。計算機(jī)所測數(shù)據(jù)可按一定時間間隔記錄到硬盤上，也可根據(jù)用戶的要求在各種條件下存盤，用戶可根據(jù)需要隨時調(diào)取有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、打印。同時還可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能。使各終端通過Web訪問服務(wù)器，實(shí)時了解監(jiān)控數(shù)據(jù)，同樣可以實(shí)現(xiàn)各種動畫、表格、曲線的顯示，滿足不同權(quán)限的用戶實(shí)時了解各站點(diǎn)工作情況及監(jiān)測數(shù)據(jù)的需求。

5 結(jié)論
    本研究項(xiàng)目針對傳統(tǒng)污水監(jiān)控系統(tǒng)由于監(jiān)控點(diǎn)位置分散，通過有線的方式布置系統(tǒng)存在成本過高、缺乏靈活性等缺點(diǎn)，采用GPRS技術(shù)為某污水處理公司設(shè)計一套基于GPRS的污水處理監(jiān)控系統(tǒng)，基于Windows2000環(huán)境下的Intouch 8．0系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控軟件的2次開發(fā)，通過系統(tǒng)的投產(chǎn)運(yùn)行，該系統(tǒng)在處理污水的能力方面較以前有較大幅度的提升，且節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本。GPRS技術(shù)由于其優(yōu)越性，在自動控制、環(huán)境監(jiān)測等方面將發(fā)揮更大的作用。