CN103034211A - 一种基于无线网络的污水处理工艺监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线网络的污水处理工艺监控系统，包括：工业无线传感网络、工业无线局域网络和无线广域网。工业无线传感网络负责采集污水处理各部分工艺的现场设备的相关信息；工业无线局域网络负责对传感网络发送过来的信息进行处理，同时将处理后的数据返回给现场设备；无线广域网络负责对远程监控申请进行传输与答复，在系统出现故障到故障解决期间，每隔一定时间自动将故障信息发送给指定的技术人员。本发明通过几种不同的无线网络将传统的分布式集散控制系统升级为一个网络控制系统，真正实现了无线远程实时监控。

Description

一种基于无线网络的污水处理工艺监控系统

技术领域

本发明涉及一种污水处理工艺过程监控系统，特别是一种基于无线网络的污水处理工艺过程监控系统。

背景技术

随着经济的发展，以及工业化的加速，环境污染问题越来越恶劣，特别是水污染问题，严重制约我国社会和经济的发展，因而日益引起人们的关注。因此有效的保护水资源不受污染，对于促进经济社会发展、提高人民生活水平和保障国家安全均具有重大的战略意义。

工业污水处理都要经过好几道工序，所以一般污水处理站都占有很大区域，在这么大的区域内，若采用布设电缆控制，考虑到信号的稳定性，则必须采用带屏蔽的电缆，于是，开沟布线和采用高性能导线所带来的成本将占据很大一部分工程预算。而且，对于某些地理环境恶劣的地区，布线很不方便。

传统监控系统是通过查看现场的巡检记录来判断现场仪表的使用状况，而这其中90%的智能仪表自身都带有设备自诊断功能，换句话说，90%的现场设备的自诊断信息没有被读取，只是放在现场没有加以利用，造成资源的浪费。

发明内容

本发明的目的在于克服现有污水处理监控系统中布设电缆不便，诊断信息不及时等缺点，设计了一种低成本、高性能、高可靠性、高安全性的一种基于无线网络的污水处理工艺过程监控系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于无线网络的污水处理工艺监控系统，包括：工业无线传感网络、工业无线局域网络和无线广域网络。

所述的工业无线传感网络包括多个监控从站、传感设备和无线从站传输系统；

所述的每个监控从站采用PLC控制系统，包括数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和中央处理器模块，通过硬件组态将各模块之间建立连接，监控从站通过以太网网关将MPI协议转换为以太网协议，连接到无线从站传输系统，以太网网关采用HILSCHER公司的netLINK网关。

所述的传感设备包括具有HART协议的传感器（如进水流量、PH值、温度、液位和溶解氧浓度等）、手操器和无线HART适配器；无线HART适配器将普通的HART协议转换成无线HART协议，构成一个无线网络，手操器能进入网关里面的任何一台仪表对其进行配置。

所述工业无线局域网络包括监控主站和无线主站传输系统；

所述的监控主站包括上位机监控系统、大屏显示器、客户端和以太网交换机；客户端通过以太网交换机与无线主站传输系统交互数据，且客户端基于以太网建立OPC服务器，上位机监控系统通过客户端建立的OPC服务器与客户端交互信息，利用分屏技术实现上位机多界面显示，大屏显示器工艺过程实时模拟显示。

所述的上位机监控系统主要监控污水处理过程中几个不同工艺过程（包括：预处理、生物处理、污泥处理、出水处理和压滤处理工艺）的实时模拟和对现场设备的遥测、遥控、工艺数据分析和无线网络系统状态的监控，同时根据监测的工艺数据对系统曝气系统和加药系统进行智能控制；

所述的监控系统界面由污水处理工艺流程界面、实时数据曲线界面、历史曲线界面、故障报警界面、报表生成界面和智能控制界面组成，其中污水处理工艺流程界面采用动态图形式实时模拟处理现场，单击界面设备即可进入相应的设备控制界面，显示电机已经启动过的累计时长，同时可以选择上位机手动或自动控制；实时数据曲线界面通过曲线形式实时显示当前现场模拟量的值；历史曲线界面通过曲线与列表框的形式显示查询范围内的工艺数据历史值；故障报警界面显示当前所有正在进行的工艺参数报警和系统硬件的故障报警，并伴随着指示灯和声音的方式提醒，根据需求可选择生成故障报警报表；按下报表生成即可将当前工艺参数自动生成表格，有WORD、EXCLE和超文本形式供选择；智能控制界面根据监测的工艺数据对系统曝气系统和加药系统进行智能控制，所述的智能控制采用模糊自适应PID控制。

所述的无线广域网络包括：无线远程传输系统和远程监控端，其中无线远程传输系统包括：基于WEB服务器的远程监控网络和基于GSM的短信查询与报警网络。

所述的远程监控网络为开放式网络，打开计算机通过浏览器连接到广域网，操作人员在异地申请控制权，得到本地服务器授权后便可获得系统的操作权，从而实现远程监测与控制整个污水处理过程。

所述的短信查询与报警网络只对指定的技术人员开放，可以通过编辑短信的方式对处理工艺数据信息进行查询，同时通过特定指令可以远程控制现场设备；在现场工艺出现故障到故障解决期间，每隔一定时间自动将故障信息发送给指定的技术人员。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、所述的无线监控系统采用无线传感网和无线以太网进行通信；网络采用带冗余的多频道式无线网络，系统不需要长距离的布线，大大节约了电缆成本，而且无线设备安装容易且灵活，管理维护非常方便。

2、所述的客户端模块和网络接入模块采用SIEMENS公司的SCALANCE W无线通讯系统，具有牢固的设计和IP65的防护等级，因此特别适合在恶劣的工业环境中使用。

3、所述的无线HART网络不仅能采集传输传感器的过程量，而且还能将传感设备的自诊断信息传送给上位机，为周期性的维护提供了非常重要的设备信息，提高了生产的效率和出水的品质，减少了停机的时间，同时避免一些不必要的停机故障，大大节约了设备维护的成本。

4、所述的智能控制系统，基于智能算法对曝气系统和加药系统进行自动调节，保证出水水质合格，系统自动可靠，动态性能优良。

5、所述的远程监控网络和短信网络使得操作人员不必亲临处理现场就可以获取重要的实时工艺数据和设备的运行状况，在故障时能第一时间获取故障信息，避免因故障而造成的能量损耗。

6、所述的监控系统基于美国NI公司的虚拟仪器技术，采用LabVIEW开发软件，具有简洁的图形化编程环境和强大的数据处理功能；利用分屏技术实现上位机多界面显示，大屏显示器工艺过程实时模拟显示，实现中控制监控和处理现场监测功能的统一，系统便于扩展和集中管理。

附图说明

图1为本发明的结构框图

图2为监控从站的结构框图

图3为传感设备的结构框图

图4为工业局域网络的结构框图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

如图1所示，本发明包括工业无线传感网络、工业无线局域网络和无线广域网络。所述的工业无线传感网络包括多个监控从站、传感设备和无线从站传输系统；所述工业无线局域网络包括监控主站和无线主站传输系统；所述的无线广域网络包括基于WEB服务器的远程监控网络和基于GSM的短信查询与报警网络。

如图2所示，所述的污水处理工艺包括：预处理站、生物处理站、污泥处理站、出水处理站和压滤处理站；

所述的每个监控从站采用PLC控制系统，包括数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和中央处理器模块，通过硬件组态将各模块之间建立连接，监控从站通过以太网网关将MPI协议转换为以太网协议，连接到无线从站传输系统，以太网网关采用HILSCHER公司的netLINK网关。

所述的无线从站传输系统采用工作在2.4Ghz工业免授权的ISM频段，无需交纳频道使用费用，且发射功率为100mW，传输速率可达54Mbps。无线传输系统采用无线传感网络和无线以太网进行通信，网络采用带冗余的多频道式无线网络，各个接入点工作于不同的、非重叠无线频道上，避免发生信号干扰，同时也方便了漫游，采用冗余WLAN，接入点不仅可以在主频率上通信，还可以通过第二套天线通信，避免一个频率段被临时中断时信号依然能顺利输送，大幅提高了无线网络的性能。

如图3所示，所述的传感设备包括具有HART协议的传感器（如进水流量、PH值、温度、液位和溶解氧浓度等）、手操器和无线HART适配器；无线HART适配器将普通的HART协议转换成无线HART协议，构成一个无线网络，手操器能进入网关里面的任何一台仪表对其进行配置。

如图4所示，所述的无线主站传输系统网络采用带冗余的多频道式无线网络，采用WLAN与LAN互联的混合网络，采集无线从站传输系统和无线HART网络的数据信息，传输给客户端，同时将经过上位机监控系统处理后的数据信息返回给工业无线传感网络。

所述的监控主站包括上位机监控系统、大屏显示器、客户端和以太网交换机；客户端通过以太网交换机与无线主站传输系统交互数据，且客户端基于以太网建立OPC服务器，上位机监控系统通过客户端建立的OPC服务器与客户端交互信息，利用分屏技术实现上位机多界面显示，大屏显示器工艺过程实时模拟显示，同时利用上位机软件连接功能模块建立WEB和GSM无线网络。

所述的上位机监控系统主要监控污水处理过程中几个不同工艺过程（包括：预处理、生物处理、污泥处理、出水处理和压滤处理）的实时模拟和对现场设备的遥测、遥控、工艺数据分析和无线网络系统状态的监控，同时根据监测的工艺数据对系统曝气系统和加药系统进行智能控制；

所述的监控系统界面由污水处理工艺流程界面、实时数据曲线界面、历史曲线界面、故障报警界面、报表生成界面和智能控制界面组成，其中污水处理工艺流程界面采用动态图形式实时模拟处理现场，单击界面设备即可进入相应的设备控制界面，显示电机已经启动过的累计时长，同时可以选择上位机手动或自动控制；实时数据曲线界面通过曲线形式实时显示当前现场模拟量的值；历史曲线界面通过曲线与列表框的形式显示查询范围内的工艺数据历史值；故障报警界面显示当前所有正在进行的工艺参数报警和系统硬件的故障报警，并伴随着指示灯和声音的方式提醒，根据需求可选择生成故障报警报表；按下报表生成即可将当前工艺参数自动生成表格，有WORD、EXCLE和超文本形式供选择；智能控制界面根据监测的工艺数据对系统曝气系统和加药系统进行智能控制，所述的智能控制采用模糊自适应PID控制。

所述的上位机监控系统，基于美国NI公司的虚拟仪器技术，采用LabVIEW开发软件，通过LabVIEW的WEB服务可以生成HTML文档并嵌入前面板静态或动态图像，以便远程监控端查看和控制前面板，同时RS232串行总线与本地GSM模块相连，利用VISA串口通信组件，采用AT指令实现短信收发。

所述的无线远程传输系统包括：基于WEB服务器的远程监控网络和基于GSM的短信查询与报警网络。

所述的远程监控网络为开放式网络，打开计算机通过浏览器连接到广域网，操作人员在异地申请控制权，得到本地服务器授权后便可获得系统的操作权，从而实现远程监测与控制整个污水处理过程。

所述的短信查询与报警网络只对指定的技术人员开放，可以通过编辑短信的方式对处理工艺数据信息进行查询，同时通过特定指令可以远程控制现场设备；在现场工艺出现故障到故障解决期间，每隔一定时间自动将故障信息发送给指定的技术人员。

Claims (6)

1.一种基于无线网络的污水处理工艺监控系统，包括：工业无线传感网络、工业无线局域网络和无线广域网络，其特征在于：

所述的工业无线传感网络包括：多个监控从站、传感设备和无线从站传输系统；

每个监控从站采用PLC控制系统，包括：数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和中央处理器模块，通过硬件组态将各模块之间建立连接，监控从站通过以太网网关将MPI协议转换为以太网协议，连接到无线从站传输系统，以太网网关采用HILSCHER公司的netLINK网关；

所述的传感设备包括：传感器、手操器和无线HART适配器，传感器用来采集处理过程中的工艺数据，通过普通的HART协议传输信号，无线HART适配器将普通的HART协议转换成无线HART协议，构成一个无线网络，手操器能进入网关里面的任何一台仪表对其进行配置；

所述工业无线局域网络包括：监控主站和无线主站传输系统；

所述的监控主站包括：上位机监控系统、大屏显示器、客户端和以太网交换机，客户端通过以太网交换机与无线主站传输系统交互数据，客户端基于以太网建立OPC服务器，上位机监控系统通过客户端建立的OPC服务器与客户端交互信息，大屏显示器用于界面显示；

所述的上位机监控系统主要监控污水处理过程中不同工艺过程的实时模拟和对现场设备的遥测、遥控、工艺数据分析和无线网络系统状态的监控，同时根据监测的工艺数据对系统曝气系统和加药系统进行智能控制；

所述的监控系统界面由污水处理工艺流程界面、实时数据曲线界面、历史曲线界面、故障报警界面、报表生成界面和智能控制界面组成，其中污水处理工艺流程界面采用动态图形式实时模拟处理现场，单击界面设备即可进入相应的设备控制界面，显示电机已经启动过的累计时长，同时可以选择上位机手动或自动控制；实时数据曲线界面通过曲线形式实时显示当前现场模拟量的值；历史曲线界面通过曲线与列表框的形式显示查询范围内的工艺数据历史值；故障报警界面显示当前所有正在进行的工艺参数报警和系统硬件的故障报警，并伴随着指示灯和声音的方式提醒，根据需求可选择生成故障报警报表；按下报表生成即可将当前工艺参数自动生成表格，有WORD、EXCLE和超文本形式供选择；智能控制界面根据监测的工艺数据对系统曝气系统和加药系统进行智能控制，所述的智能控制采用模糊自适应PID控制；

所述的无线广域网络包括：无线远程传输系统和远程监控端，其中无线远程传输系统包括：基于WEB服务器的远程监控网络和基于GSM的短信查询与报警网络；

所述的远程监控网络为开放式网络，可链接到接到广域网，操作人员在异地申请控制权，得到本地服务器授权后便可获得系统的操作权，从而实现远程监测与控制整个污水处理过程；

所述的短信查询与报警网络只对指定的技术人员开放，可以通过编辑短信的方式对处理工艺数据信息进行查询，同时通过特定指令可以远程控制现场设备；在现场工艺出现故障到故障解决期间，每隔一定时间自动将故障信息发送给指定的技术人员。

2.根据权利要求1所述的基于无线网络的污水处理工艺监控系统，其特征是：所述的无线网络系统采用无线传感网络和无线以太网进行通信；网络采用带冗余的多频道式无线网络，各个接入点工作在不同的、非重叠无线频道上，避免发生信号干扰，也方便了漫游，同时采用冗余WLAN，接入点不仅可以在主频率上通信，还可以通过第二套天线通信，避免一个频率段被临时中断时信号依然能顺利输送，大幅提高了无线网络的性能。

3.根据权利要求1所述的基于无线网络的污水处理工艺监控系统，其特征是：所述的无线从站传输系统和无线主站传输系统采用工作在2.4Ghz工业免授权的ISM频段，每个监控从站和监控主站需要转发的数据和命令都要经过无线传输系统，每个监控从站的中央处理器与以太网网关相连，另一端连接到无线从站传输系统；监控主站客户端中央处理器通过以太网交换机与无线主站传说系统建立连接。

4.根据权利要求3所述的基于无线网络的污水处理工艺监控系统，其特征是：所述的无线传输系统采用SIEMENS公司的SCALANCE W。

5.根据权利要求1所述的基于无线网络的污水处理工艺监控系统，其特征是：所述的传感设备为具有普通HART协议的传感器，通过无线HART适配器构成一个无线网络。

6.根据权利要求1所述的基于无线网络的污水处理工艺监控系统，其特征是：所述的上位机监控系统基于美国NI公司的虚拟仪器技术，采用LabVIEW开发软件。。

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