PLC远程监控,基于PLC远程监控的工业污水自动化处理系统
徐亮+王辉
摘 要：为了通过计算机和手机终端监测异构污水处理过程，架设了监测专用服务器，通过GPRS-DTU模块实现各污水处理点PLC与服务器虚拟串口之间的远程数据透传，通过OPC技术提取各种型号PLC的关键数据分类存入数据库，通过IIS+ASP.NET快速部署Web Service实现数据的远程推送。经实践验证，该方案具有成本低廉、运行稳定、部署快捷、维护方便等特点。
关键字：物联网；异构；污水处理；GPRS-DTU；OPC；Web Service
中图分类号：TP393 文献标志码：B
Design of Heterogeneous Wastewater Treatment Process Remote Monitoring System
XU Liang1，WANG Hui2，3
（1.Schoolof Mechanical & Electrical Engineering，Jiangsu Vocational College of Information Technology，Wuxi，Jiangsu 214153，China
2.Internet of Things Engineering School，Jiangsu Vocational College of Information Technology，Wuxi，Jiangsu 214153，China；
3.Wuxi Susheng Intelligent Environment Equipment Co.Ltd，Wuxi，Jiangsu 214000，China）
Abstract：In order to monitor heterogeneous wastewater treatment process by the terminals of computers and cellphones，a dedicated server for monitoring is set up.Remote data pass-through between the PLC of every wastewater treatment station and the virtual serial port of the server is realized by GPRS-DTU module.The key data are extracted from various types of PLCs via OPC technology and stored into database by category.Web Service is deployed rapidly to realize to remote push data via ISS+ASP.NET.Facts proves that the solution has the advantages of low cost，stable operation，rapidly deploy，convenient maintenance and etc.
Key words：internet of things；heterogeneous；wastewater treatment；GPRS-DTU；OPC；Web Service
污水处理是一个融合物理学、化学及生物学的复杂过程，离不开人为的干预。随着物联网技术的快速发展，人们得以实现通过计算机、手机等终端远程监控污水处理的过程与结果，而基于物联网技术的远程监控技术在污水处理领域的研究与应用已然成为业界一大热点。目前国家强制规定，企业排放的污水水质必须满足国家有关标准，针对各企业污水排放口位置分散的情况，文献[1，2]分别给出了由安装在各个排水口并带有GPRS通信功能的传感器模块检测排水水质，然后将检测数据通过互联网上传到监测站计算机的解决方案；污水的处理过程往往需要检测多个工艺参数，如温度、色度、P含量等，针对同一污水处理过程中传感器数量较多且位置相对集中的情况，文献[3，4]分别给出了由多个带有ZigBee通信功能的传感器模块检测各个工艺参数，接着通过ZigBee网络将数据汇总至ZigBee-GPRS网关，最后将检测数据打包后通过互联网发送至监测站计算机的解决方案；针对污水处理点分散而又需集中监控的需求，文献[5]介绍了一种通过OPC技术从污水处理点PLC远程采集污水处理工艺参数，并使用SVG技术实现统一监控画面的应用方案。
然而上述文献介绍的内容，都是一个监控平台对应一个或者一类污水处理项目的实现方案。本文针对多种污水处理项目需要统一监测的需求，构建了一种基于GPRS-DTU技术与OPC技术的异构污水处理过程远程监测系统，并以无锡某高档住宅区雨水收集利用项目与无锡某大型购物中心中水回收利用项目为例扼要介绍将各异构污水处理项目数据接入监测系统的方法。
1 总体方案设计
监测系统目前暂时仅兼容雨水收集利用、中水回收利用和农村污水处理三种项目，项目主控器一般采用国产信捷XC系列PLC，但有时应客户需求，也会更换其他品牌的PLC。系统总体方案如图1所示，各污水處理点PLC通过GPRS-DTU模块实现PLC串口与服务器虚拟串口之间的数据透传，服务器中间件程序起到数据桥接的作用，通过OPC Server读取各PLC的关键数据并写入数据库中，而Web Service则根据用户请求从数据库中读取相应数据并通过Web或推送给用户。
2 系统硬件配置
2.1 项目节点端的硬件配置
方案选择COMWAY品牌的WG-8010型GPRS-DTU模块，GPRS-DTU是一种以GPRS网络作为传输途径的数据传输技术[6]，模块具备一个RS-232/RS-485串口，需要独占一个PLC串口。安装过程为：首先通过计算机串口以AT指令设定模块参数，然后将插有SIM卡的模块固定在污水处理电气柜内，接着将模块串口与PLC串口通过串口数据线对接，并将天线安装在电气柜外侧并通过导线穿过电气柜预留通孔连接到模块本体，接好5V电源适配器。endprint
2.2 服务器端的硬件配置
考虑到服务器的流量构成除了少量图片就是字符，对服务器性能和网络带宽的要求并不高，因此本方案选择了联想小型服务器TS250，配合D-Link DFL-260E硬件防火墙，通过联通20M固定IP光纤接入互联网。
3 系统服务器软件配置
3.1 OPC Server的配置
OPC（OLE for Process Control）技术是为实现过程自动化领域计算机与控制器之间数据交换的标准化而产生的一种通信规范[7，8]。基于OPC技术的数据采集方案采用如图5所示架构，中间件程序作为OPC Client，KEPServerEX作为OPC Server，OPC Client通过OPC Server由各虚拟串口读取对应PLC的数据[9]。
KEPServerEX配置步骤为，首先配置通道“CN-------”，每个通道对应一个虚拟串口，每个通道选定的PLC驱动必须与虚拟串口对接的PLC型号相一致；然后配置设备“Device”，每个设备对应一台PLC，KEPServerEX允许每个通道可挂载多个设备，但由于实际上所有污水处理项目中每个GPRS-DTU模块仅安装在一台PLC上，因此实际配置的时候每个通道仅挂载一个设备；最后配置每个设备对应的数据点“Tag---”，一个数据点对应一个PLC软元件，而每个设备均挂载多个数据点。KEPServerEX配置画面如图3所示。
图3 KEPServerEX的配置
3.2 中间件程序与数据库的设计
中间件程序采用C#编制而成，作为OPC Client不断经OPC Server从远程PLC读取关键数据并写入数据库[10]。考虑到后续项目不断增加，中间件程序具备配置可增减、可修改功能，即当公司接手新项目时，可在中间件程序中增加通信节点，而当某旧项目废止时，可删去相应通信节点。中间件程序节点配置界面如图4所示。
考虑到未来用户通过网络访问会对数据库造成大量的数据并发读取过程，采用开源高性能数据库PostgreSQL作为数据库解决方案，三类污水处理项目按“项目编号-时间-数据”的结构分类存入三张表格。
3.3 Web Service的部署
Web Service基于ASP.NET开发，并发布至IIS（Internet Information Services），Web页面共有三个模板，分别的对应三种污水项目。用户可通过浏览器或者向Web Service提交检索命令，Web Service随即从数据库中检索相应污水处理项目的最新/历史数据，并将数据推送到用户浏览器或者客户端。
4 工程数据接入案例
当有新项目需要接入该系统时，项目节点端PLC仅需安装一个GPRS-DTU模块，服务器端仅需将KEPServerEX与中间件程序的配置文件替换，并且在虚拟串口配置工具中新增一个虚拟串口即可，无需修改源代码，服务器从暂停数据更新到重启数据更新过程不超过2分钟。下面不妨以两个工程项目为例扼要介绍数据接入的方法。
4.1 案例1
案例1为无锡某高档住宅区雨水收集利用项目，该住宅区临近蠡湖风景区，绿化面积40.6%。工艺流程如图5所示，取雨水作为水源，水体除了含有在收集雨水过程中雨水冲刷路面带来的泥沙等固体颗粒杂质外，基本上无其他类型杂质，因此仅需通过沉淀与混凝过滤两道环节即可去除绝大部分杂质，产出水主要用于小区绿化灌溉。
案例1主要监测的数据仅有清水池水体浊度一项，次要监测的数据有雨量传感器状态量、排污泵状态量与计量泵（1台）脉冲量三项，项目主控器采用信捷XC3-32R-E型PLC。数据接入时，项目节点端采用RS-232串口型GPRS-DTU模块与PLC通信口1对接，服务器端按表1所示数据格式配置KEPServerEX与中间件程序新增项，并且KEPServerEX新增通道选择Modbus Serial即Modbus RTU驱动，项目编号与通道编号都设定为“2016101”，接着按GPRS-DTU编号在虚拟串口配置工具中新增一个虚拟串口即完成数据接入的配置工作。
4.2 案例2
案例2为无锡某大型购物中心中水回收利用项目，该购物中心总面积约7万平方米。项目工艺流程如图6所示，取雨水、生活污水（主要来自洗手间）、化粪池上清液作为水源，水体污染物主要有固体杂质与有机溶液，固体杂质需通过格栅、沉淀、混凝过滤三道环节滤除，有机物需经曝气后通过好氧菌分解殆尽，最后水体经过消毒环节杀灭细菌后进入中水池，产出的中水主要用于绿化灌溉、冲厕和洗车。
案例2主要监测的数据有中水池水体浊度、溶氧量两项，次要监测的数据有雨量传感器状态量、调节电机频率、罗茨风机频率、排污泵状态量、计量泵（2台）脉冲值五项，项目主控器采用西门子S7-300系列CPU315-2PN/DP型PLC。数据接入时，项目节点端采用RS-232串口型GPRS-DTU模块与PLC唯一的DP口通过MPI数据线对接，服务器端按表2所示数据格式配置KEPServerEX与中间件程序新增项，并且KEPServerEX新增通道选择Siemens S7 MPI即S7-300/400驱动，项目编号与通道编号都设定为“2016201”，接着按GPRS-DTU编号在虚拟串口配置工具中新增一个虚拟串口即完成数据接入的配置工作。
4.3 运行效果
案例1、2项目数据接入完成后，重启数据更新，等待大约五分钟，每个项目均有约10組数据保存进入数据库，此时分别打开与电脑浏览器，即可根据项目编号检索到相应项目的历史/最新数据，如图7所示。
目前公司有三个雨水收集利用项目、一个中水回收利用项目和一个农村污水处理项目，共计五个项目连接到该远程监测系统，经过将近半年的测试证明该系统能稳定可靠的运行，从用户检索到数据响应时间间隔稳定在10秒以内，检索到的最新数据控制在2分钟以内，用户体验较好。
5 结 语
利用GPRS-DTU模块的串口数据远程透传技术可以很方便的实现PLC与服务器之间的数据无缝对接，利用OPC技术可以很好的解决不同品牌、型号PLC的数据提取问题，为服务器稳定采集各污水处理点数据提供保障，通过IIS+ASP.NET实现Web Service的快速部署，为用户随时监测污水处理过程实时/历史参数提供了良好的体验。该方案成本低廉、运行稳定、部署快捷、维护方便，具有一定的推广价值。
参考文献
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