基于物联网的污水处理厂自动控制系统设计.docx
基于物联网的污水处理厂自动控制 系统设计当前污水处理的自动控制系统主要采用集散型控制系统DCS实现。 现有技术中集散型控制系统在每个功能区需要设立PLC室，用于安装 该功能区需要的PLC柜，PLC柜与各个设备（包括闸门、阀门和水泵 等可监控设备）之间通过铺设大量控制电缆连接。由此可看出，该系统 存在两个方面的缺点：一方面是PLC室的建设成本和用地成本较高， 另一方面是电缆传输的信号是模拟信号且传输距离较远，存在线损大、 抗电磁干扰能力弱和成本高的问题。为解决当前存在的问题，提出基于物联网的污水处理厂自动控制系 统。该系统将自主研发的智能组件就地安装于各个传统设备中，使其升 级为智能设备。智能设备的信号为全数字化信号，采用GOOSE传输。 GOOSE通信采用发布者、订阅者机制，使网络上的每个设备之间可相 互通信且身份对等，形成一张高效、对等的工业物联网。这样，不仅解 决了当前存在的问题，而且使整个系统更加高效。二、系统结构基于物联网的污水处理自动控制系统是物联网技术在污水处理行业 中的一种应用，结构如图1所示。系统由感知层、网络层和应用层3层架构组成。感知层完成设备的数据 采集和控制将设备模拟信号数字化网络层引入了 GooSE通信机制， 设备既可以将自身数据发布到网络中，也可以通过GOOSE订阅网络中 其他设备的数据，使网络中的设备互通；应用层订阅所有网络中智能设 备的GOOSE数据并集中处理，处理后的数据通过二次开发接口向用户 开放，用户可根据自身需求采用不同的工艺算法，实现对各个工艺的生 产环节的监控三、感知层设计感知层由各种智能设备组成，实现信息采集、设备控制与执行，是 物联网的关键组成部分。通过研发的智能组件，将污水处理厂中的传统 设备全部升级为智能设备，使之不仅具有简单的数据采集功能、通信组 网功能，而且具有独立运算能力，可与其他智能设备直接通信，以便快速地做出判断，执行相应动作。1 .智能组件在对污水处理厂自动控制系统的研究中发现，污水处理厂中设备的 数据类型共有DI（数字量输入）、DO （数字量输出）、AI （模拟量输 入）和AO （模拟量输出）4大类。为此设计了一套通用的数据采集控 制设备,即智能组件,来实现数据采集、设备控制和组建物联网等功能。智能组件能够适配污水处理厂中所有的生产设备，采用分布式就地 安装的方式，安装在各个生产设备中，实现全厂污水处理设备的智能化 升级。为满足通用性要求，智能组件设计了 15路DL 8路AL 2路 DO和1路AO ,硬件结构如图2所示。智能组件选用32bitARM处理器作为主控芯片，将各个信号接口连 接，实现数据采集、设备控制和GoOSE通信等功能。数字量信号通过光电隔离后进入主控芯片的IO引脚，10引脚经光 电隔离后，控制继电器动作，实现数字量输出。模拟量信号首先通过隔 离变送器将4 20mA电流信号隔离变换为0 5V电压经信号调理电 路后，调节成0 2.5V电压，之后进入主控芯片的ADC弓I脚，实现模拟量采集功能；通过主控芯片DAC产生。2.5V电压，经隔离 变送器隔离变换为4 20mA信号,实现模拟量输出。主控芯片的RMn接口外接以太网PHY经网络变压器后通过RJ45 对外提供以太网通信接口。此外智能组件还设计了外部硬件看门狗 电路，以实现在受外界干扰死机后快速自愈的功能。2 .智能设备智能组件利用DL D0s AI和AO这4种接口，将电信号与传统设 备连接，将传统的潜污泵、闸门、阀门、风机、液位计和流量计等设备 升级为智能设备。智能设备具有数据采集、数据发布和设备控制等功能。(1)数据采集智能设备ImS采集一次开关量信号，经过消抖延时使 输入信号稳定后，才将数据生成有效的DI信号。这些信号可以采集水 泵的起停信号、闸门的开闭信号、风机的起停信号及设备的告警信号等。智能设备5ms采集一次模拟量信号。通过主控芯片内部自带12bit ADC采集，经修正系数运算处理后，最终得到4 20m A的数值，作 为Al信号。这些信号可以采集液位计、流量计和阀门开度等信号。(2 )数据发布智能设备通过GOOSE通信机制发布数据。GOOSE支 持广播和组播两种发布方式，智能设备选用广播方式，通过APPID和 MAC地址区分装置。当开关量发生变位或模拟量的波动大于设定阈值时，智能设备会立 即将数字量DI和AI信号的当前值打包成GOOSE报文发布到网络中； 当开关量没有发生变化且模拟量的波动小于设定阈值时，智能设备会定 时重发上一帧GoOSE报文，用于反映当前智能设备的状态。(3 )设备控制智能设备通过APPID有选择性地在网络中获取有用的GOOSE信息，智能设备可通过配置，建立订 阅GoOSE数据与数字量输出接口、模拟量输出接口和预置算法之间的 软件连线，建立连线后，通过数据直接驱动输出接口或为预置算法提供 数据。经配置后，数字量的输出接口与订阅GOOSE中某一个BOOL 类型的数据建立绑定，当绑定数据值为True时，数字量的输出接口驱 动继电器闭合；当绑定数据值为False时,数字量的输出接口驱动继电 器断开，模拟量的输出接口与订阅GOOSE中的某一个FLOAT类型的 数据建立绑定，绑定数据值范围为420的浮点数，模拟量的输出接口 根据绑定值，产生一个420mA的直流电流信号。四、网络层设计网络层由多台工业以太网交换机、智能设备以及工业控制计算机组 成，各个交换机之间采用光纤建立环网，形成通信骨干网，以提高系统 的稳定性。网络层交换机均具有VLAN功能，在网络层中网络被划分为 多个VLAN , 一方面用于区分各种不同的应用，另一方面用于GOOSE网分组,提高网络的实时性。五、应用层设计应用层是对物联网中数据的应用，由两台工控机组成，彼此互为备 用。工控机安装Linux Server版本的操作系统，在此基础上自主研发 的自动控制软件平台实现了数据处理、数据共享和二次开发等功能。1 .数据处理为实现对全厂数据的全面监测，自动控制软件平台订阅厂内所有智 能的设备数据。它可处理至少1000台智能设备的数据，并为每一台智 能设备的数据建立数据缓存，当接收到GOOSE数据解析后，软件会立 刻刷新缓存数据，供二次开发接口访问。通过配置，自动控制软件平台可添加需要发布的GOOSE ,并通过 二次开发接口专用数据访问API以改变GOOSE数据值。当GOOSE数 据未发生变化时，自动控制软件平台会定时发布GOOSE ,当数据发生 变化后，立即发布GOOSEo2 .二次开发工艺监控代码可完全通过二次开发接口开发，其他基础功能的代码 则固化在自动控制软件平台中。二次开发接口采用C语言开发，通过 LinUX系统的动态链接库机制，每一个工艺监控代码都将编译成一个动 态链接库。自动控制软件平台起动后，自动加载动态链接库，配合设备 数据和定值数据，完成工艺监控。二次开发接口为用户提供了必要的API函数，用户可通过API函数 获取平台资源。API包括用于访问订阅GOOSE数据缓存的函数、访 问发布G OOS E数据的函数、访问高精度时钟的函数以及添加SoE 事件记录的函数等。3 .数据共享数据共享接口采用SOCKET套接字TCP协议实现，工作于TCP SERVER模式其他系统可通过TCP协议建立连接并访问自动控制软件 平台数据。六、结语基于物联网的污水处理厂自动控制系统中的智能组件，采用分布式 就地安装、数字化传输，改变了污水处理厂现有自动控制系统的实现方 式，使污水处理厂所有设备实现就地数字化，且GOOSE通信使智能设 备间相互通信，形成一张高效、对等的工业物联网，降低了建设成本，提高了系统的实时性、可靠性、可扩展性、可维护性及抗干 扰能力。
