基于物聯(lián)網(wǎng)的污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)前污水處理的自動(dòng)控制系統(tǒng)主要采用集散型控制系統(tǒng)DCS實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)有技術(shù)中集散型控制系統(tǒng)在每個(gè)功能區(qū)需要設(shè)立PLC室，用于安裝該功能區(qū)需要的PLC柜，PLC柜與各個(gè)設(shè)備（包括閘門、閥門和水泵等可監(jiān)控設(shè)備）之間通過鋪設(shè)大量控制電纜連接。由此可看出，該系統(tǒng)存在兩個(gè)方面的缺點(diǎn)：一方面是PLC室的建設(shè)成本和用地成本較高，另一方面是電纜傳輸?shù)男盘柺悄M信號且傳輸距離較遠(yuǎn)，存在線損大、抗電磁干擾能力弱和成本高的問題。為解決當(dāng)前存在的問題，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將自主研發(fā)的智能組件就地安裝于各個(gè)傳統(tǒng)設(shè)備中，使其升級為智能設(shè)備。智能設(shè)備的信號為全數(shù)字化信號，采用GOOSE傳輸。GOOSE通信采用發(fā)布者、訂閱者機(jī)制，使網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)設(shè)備之間可相互通信且身份對等，形成一張高效、對等的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。這樣，不僅解決了當(dāng)前存在的問題，而且使整個(gè)系統(tǒng)更加高效。二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于物聯(lián)網(wǎng)的污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在污水處理行業(yè)中的一種應(yīng)用，結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3層架構(gòu)組成。感知層完成設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制，將設(shè)備模擬信號數(shù)字化；網(wǎng)絡(luò)層引入了GOOSE通信機(jī)制，設(shè)備既可以將自身數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)中，也可以通過GOOSE訂閱網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備的數(shù)據(jù)，使網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備互通；應(yīng)用層訂閱所有網(wǎng)絡(luò)中智能設(shè)備的GOOSE數(shù)據(jù)并集中處理，處理后的數(shù)據(jù)通過二次開發(fā)接口向用戶開放，用戶可根據(jù)自身需求采用不同的工藝算法，實(shí)現(xiàn)對各個(gè)工藝的生產(chǎn)環(huán)節(jié)的監(jiān)控三、感知層設(shè)計(jì)感知層由各種智能設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)信息采集、設(shè)備控制與執(zhí)行，是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分。通過研發(fā)的智能組件，將污水處理廠中的傳統(tǒng)設(shè)備全部升級為智能設(shè)備，使之不僅具有簡單的數(shù)據(jù)采集功能、通信組網(wǎng)功能，而且具有獨(dú)立運(yùn)算能力，可與其他智能設(shè)備直接通信，以便快速地做出判斷，執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。1.智能組件在對污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究中發(fā)現(xiàn)，污水處理廠中設(shè)備的數(shù)據(jù)類型共有DI（數(shù)字量輸入）、DO（數(shù)字量輸出）、AI（模擬量輸入）和AO（模擬量輸出）4大類。為此設(shè)計(jì)了一套通用的數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備，即智能組件，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制和組建物聯(lián)網(wǎng)等功能。智能組件能夠適配污水處理廠中所有的生產(chǎn)設(shè)備，采用分布式就地安裝的方式，安裝在各個(gè)生產(chǎn)設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)全廠污水處理設(shè)備的智能化升級。為滿足通用性要求，智能組件設(shè)計(jì)了15路DI、8路AI、2路DO和1路AO，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。智能組件選用32bitARM處理器作為主控芯片，將各個(gè)信號接口連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制和GOOSE通信等功能。數(shù)字量信號通過光電隔離后進(jìn)入主控芯片的IO引腳，IO引腳經(jīng)光電隔離后，控制繼電器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)數(shù)字量輸出。模擬量信號首先通過隔離變送器將4～20mA電流信號隔離變換為0～5V電壓，經(jīng)信號調(diào)理電路后，調(diào)節(jié)成0～2.5V電壓，之后進(jìn)入主控芯片的ADC引腳，實(shí)現(xiàn)模擬量采集功能；通過主控芯片DAC產(chǎn)生0～2.5V電壓，經(jīng)隔離變送器隔離變換為4～20mA信號，實(shí)現(xiàn)模擬量輸出。主控芯片的RMII接口外接以太網(wǎng)PHY，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變壓器后，通過RJ45對外提供以太網(wǎng)通信接口。此外智能組件還設(shè)計(jì)了外部硬件——看門狗電路，以實(shí)現(xiàn)在受外界干擾死機(jī)后快速自愈的功能。2.智能設(shè)備智能組件利用DI、DO、AI和AO這4種接口，將電信號與傳統(tǒng)設(shè)備連接，將傳統(tǒng)的潛污泵、閘門、閥門、風(fēng)機(jī)、液位計(jì)和流量計(jì)等設(shè)備升級為智能設(shè)備。智能設(shè)備具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)布和設(shè)備控制等功能。（1）數(shù)據(jù)采集智能設(shè)備1ms采集一次開關(guān)量信號，經(jīng)過消抖延時(shí)使輸入信號穩(wěn)定后，才將數(shù)據(jù)生成有效的DI信號。這些信號可以采集水泵的起停信號、閘門的開閉信號、風(fēng)機(jī)的起停信號及設(shè)備的告警信號等。智能設(shè)備5ms采集一次模擬量信號。通過主控芯片內(nèi)部自帶12bitADC采集，經(jīng)修正系數(shù)運(yùn)算處理后，最終得到4～20mA的數(shù)值，作為AI信號。這些信號可以采集液位計(jì)、流量計(jì)和閥門開度等信號。（2）數(shù)據(jù)發(fā)布智能設(shè)備通過GOOSE通信機(jī)制發(fā)布數(shù)據(jù)。GOOSE支持廣播和組播兩種發(fā)布方式，智能設(shè)備選用廣播方式，通過APPID和MAC地址區(qū)分裝置。當(dāng)開關(guān)量發(fā)生變位或模擬量的波動(dòng)大于設(shè)定閾值時(shí)，智能設(shè)備會立即將數(shù)字量DI和AI信號的當(dāng)前值打包成GOOSE報(bào)文發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)中；當(dāng)開關(guān)量沒有發(fā)生變化且模擬量的波動(dòng)小于設(shè)定閾值時(shí)，智能設(shè)備會定時(shí)重發(fā)上一幀GOOSE報(bào)文，用于反映當(dāng)前智能設(shè)備的狀態(tài)。（3）設(shè)備控制智能設(shè)備通過APPID有選擇性地在網(wǎng)絡(luò)中獲取有用的GOOSE信息，智能設(shè)備可通過配置，建立訂閱GOOSE數(shù)據(jù)與數(shù)字量輸出接口、模擬量輸出接口和預(yù)置算法之間的軟件連線，建立連線后，通過數(shù)據(jù)直接驅(qū)動(dòng)輸出接口或?yàn)轭A(yù)置算法提供數(shù)據(jù)。經(jīng)配置后，數(shù)字量的輸出接口與訂閱GOOSE中某一個(gè)BOOL類型的數(shù)據(jù)建立綁定，當(dāng)綁定數(shù)據(jù)值為True時(shí)，數(shù)字量的輸出接口驅(qū)動(dòng)繼電器閉合；當(dāng)綁定數(shù)據(jù)值為False時(shí)，數(shù)字量的輸出接口驅(qū)動(dòng)繼電器斷開，模擬量的輸出接口與訂閱GOOSE中的某一個(gè)FLOAT類型的數(shù)據(jù)建立綁定，綁定數(shù)據(jù)值范圍為4～20的浮點(diǎn)數(shù)，模擬量的輸出接口根據(jù)綁定值，產(chǎn)生一個(gè)4～20mA的直流電流信號。四、網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)層由多臺工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、智能設(shè)備以及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成，各個(gè)交換機(jī)之間采用光纖建立環(huán)網(wǎng)，形成通信骨干網(wǎng)，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。網(wǎng)絡(luò)層交換機(jī)均具有VLAN功能，在網(wǎng)絡(luò)層中網(wǎng)絡(luò)被劃分為多個(gè)VLAN，一方面用于區(qū)分各種不同的應(yīng)用，另一方面用于GOOSE網(wǎng)分組，提高網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。五、應(yīng)用層設(shè)計(jì)應(yīng)用層是對物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)的應(yīng)用，由兩臺工控機(jī)組成，彼此互為備用。工控機(jī)安裝LinuxServer版本的操作系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上自主研發(fā)的自動(dòng)控制軟件平臺實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)共享和二次開發(fā)等功能。1.數(shù)據(jù)處理為實(shí)現(xiàn)對全廠數(shù)據(jù)的全面監(jiān)測，自動(dòng)控制軟件平臺訂閱廠內(nèi)所有智能的設(shè)備數(shù)據(jù)。它可處理至少1000臺智能設(shè)備的數(shù)據(jù)，并為每一臺智能設(shè)備的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)緩存，當(dāng)接收到GOOSE數(shù)據(jù)解析后，軟件會立刻刷新緩存數(shù)據(jù)，供二次開發(fā)接口訪問。通過配置，自動(dòng)控制軟件平臺可添加需要發(fā)布的GOOSE，并通過二次開發(fā)接口專用數(shù)據(jù)訪問API以改變GOOSE數(shù)據(jù)值。當(dāng)GOOSE數(shù)據(jù)未發(fā)生變化時(shí)，自動(dòng)控制軟件平臺會定時(shí)發(fā)布GOOSE，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生變化后，立即發(fā)布GOOSE。2.二次開發(fā)工藝監(jiān)控代碼可完全通過二次開發(fā)接口開發(fā)，其他基礎(chǔ)功能的代碼則固化在自動(dòng)控制軟件平臺中。二次開發(fā)接口采用C語言開發(fā)，通過Linux系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫機(jī)制，每一個(gè)工藝監(jiān)控代碼都將編譯成一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫。自動(dòng)控制軟件平臺起動(dòng)后，自動(dòng)加載動(dòng)態(tài)鏈接庫，配合設(shè)備數(shù)據(jù)和定值數(shù)據(jù)，完成工藝監(jiān)控。二次開發(fā)接口為用戶提供了必要的API函數(shù)，用戶可通過API函數(shù)獲取平臺資源。API包括用于訪問訂閱GOOSE數(shù)據(jù)緩存的函數(shù)、訪問發(fā)布GOOSE數(shù)據(jù)的函數(shù)、訪問高精度時(shí)鐘的函數(shù)以及添加SOE事件記錄的函數(shù)等。3.數(shù)據(jù)共享數(shù)據(jù)共享接口采用SOCKET套接字TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)，工作于TCPSERVER模式，其他系統(tǒng)可通過TCP協(xié)議建立連接并訪問自動(dòng)控制軟件平臺數(shù)據(jù)。六、