CN105652787B - 基于云平台的二氧化氯发生装置远程监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于云平台的二氧化氯发生装置远程监控系统，包括二氧化氯发生装置、传感器、PLC、HMI、驱动单元及云平台，PLC通过无线网络与云平台连接，云平台包括应用服务器、web服务器和数据库系统，应用服务器采集PLC中的数据并向PLC发送和确认用于二氧化氯发生装置的控制指令，web服务器用于用户的访问，应用服务器、web服务器两者的数据存储到数据库，并且用户可以通过web服务器访问该数据库。本发明监控系统借助公共无线网络和互联网云技术，将多个设备集中监控管理，云平台支持多用户访问，采用公共数据访问对象技术解决了同时访问同一发生装置对PLC端口争用的问题，监控系统的可扩充性大大增强，为用户扩建以及厂家售后服务提供了极大的方便。

Description

基于云平台的二氧化氯发生装置远程监控系统

技术领域

本发明属于环保工程技术领域，具体来说涉及一种基于云平台的二氧化氯发生装置的远程监控系统。

背景技术

十多年来二氧化氯在国内的饮水消毒处理中，已得到广泛推广使用。目前国内普遍采用氯酸钠-盐酸工艺的化学法二氧化氯发生装置生产二氧化氯，二氧化氯发生装置作为水处理中的杀菌消毒设备，一旦投入使用就会24小时工作，长时间运行。设备长期工作容易发生停机、泄漏、超标等问题，如果没有监测报警机制，会造成水体长时间无消毒杀菌或超标、污染，影响水质的稳定与安全。特别是农村越来越多的小规模自来水厂大多都设在远离城镇的野外,地理位置十分分散，设备监管更不容易到位。而且农村专业技术人员相对匮乏，设备出现故障，生产厂家往往也望尘莫及。要解决这一问题，需要一种适应环境条件、满足监控功能的系统及方法，所述系统能具备不要设备用户安装专门的软件和数据库系统，维护与升级简单，设备用户和生产厂家共享、可随时随地查询、浏览、操控的特点。

发明内容

本发明的目的是针对现有的二氧化氯发生装置控制技术的上述不足之处，提供一种基于3G/4G无线网络和云平台的二氧化氯发生装置的远程监控系统及方法。所述监控系统及方法能将地理位置分散的多个小规模水厂的二氧化氯发生装置控制PLC通过3G/4G无线通信网络，集中到一个云平台进行监控管理，实现水厂监控中心、管理人员、设备生产厂家多用户远程登录，共享监控平台，通过简单配置云平台应用服务器便可添加新水厂的二氧化氯发生装置为监控对象。

本发明的技术方案是：

一种基于云平台的二氧化氯发生装置远程监控系统，包括二氧化氯发生装置、传感器、PLC、HMI、驱动单元及云平台，其中二氧化氯发生装置、传感器、PLC、HMI、驱动单元构成二氧化氯发生装置闭环控制回路，二氧化氯发生装置包括计量泵和反应釜，计量泵分为酸液计量泵和盐液计量泵以分别向反应釜中投放定量的酸液和盐液，驱动单元控制计量泵，PLC控制驱动单元的运动，传感器从二氧化氯发生装置下游测量相关数据并发送到PLC，所述数据包括余氯检测值和流量检测值，操作人员可以通过HMI对PLC进行设置和操作，PLC根据传感器送来的数据和预先在该PLC中的设定，通过驱动单元调节计量泵以调节酸液和盐液的投放量，其特征在于，所述PLC进一步连接至无线网关，通过无线网络与云平台连接，云平台包括应用服务器、web服务器和数据库系统，应用服务器通过无线网关与所述PLC连接，应用服务器采集PLC中的数据并向PLC发送和确认用于二氧化氯发生装置的控制指令，在云平台内部，应用服务器、web服务器和数据库系统三者互联，web服务器可以用于用户的访问，应用服务器、web服务器两者的数据可以存储到数据库，并且用户可以通过web服务器访问该数据库。

在一个实施方案中，计量泵为机械隔膜式计量泵，驱动单元为三相异步电动机，PLC通过变频器控制电动机来控制计量泵泵出的液体的量。

在另一个实施方案中，计量泵为电磁隔膜式计量泵，驱动单元为继电器，PLC向继电器输出脉冲信号，通过脉冲频率来控制计量泵泵出的液量。

优选地，所述无线网络为3G/4G无线网络，PLC和应用服务器分别通过3G/4G无线网关接入3G/4G骨干网以实现数据和指令的读取和发送。

在另一优选实施方案中，所述应用服务器能够连接多个二氧化氯发生装置并对多个二氧化氯发生装置进行分别控制，在应用服务器上可以增加新的二氧化氯发生装置的连接和删除已有的二氧化氯发生装置，所述web服务器可供多个用户登录以分别或集中监控和管理多个二氧化氯发生装置。

本发明的有益效果：

本发明的基于3G/4G无线网络和云平台的二氧化氯发生装置的远程监控系统及方法，由PLC、HMI、驱动单元、传感器、计量泵构成二氧化氯发生装置闭环控制回路,具有控制精度高、抗干扰性强、可靠性高、稳定性高等特点，能够准确控制二氧化氯发生装置向水网中投加的二氧化氯量，保证了水质的稳定与安全；监控系统借助于3G/4G公共无线网络的便捷和互联网云技术的优势，将地理位置分散的多个小规模水厂的二氧化氯发生装置集中到一个平台进行监控管理，这样不仅可以节约人力、财力，而且有利于提高管理质量，保证二氧化氯发生装置的安全、稳定、可靠的运行。监控系统云平台支持多用户访问，采用公共数据访问对象技术解决了同时访问同一二氧化氯发生装置对PLC端口争用的问题，大大提高了系统的稳定性；采用动态图形配置技术实现了不同类型二氧化氯发生装置用户界面的动态生成，只需简单配置便可实现对新建水厂的二氧化氯发生装置的远程监控，监控系统的可扩充性大大增强，为用户的扩建以及厂家的售后服务提供了极大的方便。

附图说明

图1为本发明基于3G/4G无线网络和云平台的二氧化氯发生装置的远程监控系统逻辑结构图。

图2为本发明PPI-3G/4G无线网网关的主程序流程图。

图3为本发明云平台的系统功能结构图。

图4为本发明云平台公共数据访问对象关系图。

图5为本发明云平台与多装置多用户情况下使用情形示意图。

具体实施方式

为了实现本发明的目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于3G/4G无线网络和云平台的二氧化氯发生装置的远程监控系统，包括云平台、3G/4G无线网络、PPI-3G/4G无线网网关、PLC、HMI、驱动单元、传感器、计量泵。其中所述监控系统包括由PLC、HMI、驱动单元、传感器、计量泵构成的二氧化氯发生装置闭环控制回路。所述云平台指部署在互联网云端的应用服务器、Web服务器和数据库系统，通过互联网、3G/4G无线网络、PPI-3G/4G无线网网关采集PLC中二氧化氯发生装置的数据，并对PLC发送命令控制二氧化氯发生装置。

所述PPI-3G/4G无线网网关包括3G/4G无线模块、RS485串行模块，用于与云平台应用服务器建立通信连接，实现PPI协议的转换、封装。

优选地，所述PLC指S7-200系列PLC，用于控制二氧化氯发生装置的运动机构。

所述HMI指工业触摸屏，与PLC串行通信，实现现场的参数设定、状态监测、告警显示功能。

所述驱动单元用于驱动计量泵，改变计量泵的工作频率。在所述计量泵是机械隔膜计量泵或电磁隔膜计量泵的情况下，驱动单元分别是受变频器控制的三相异步电机或者固态继电器，固定冲程的机械隔膜式计量泵在不同的频率下可以泵送不同量的反应液，而电磁隔膜计量泵也可以在不同的脉冲下泵送不同量的反应液。

所述传感器指流量传感器、余氯传感器等，流量传感器用于检测水网中的进水流量，余氯传感器用于检测水网出水口水体中的余氯含量。

所述PLC为二氧化氯发生装置的底层核心控制器，其模拟量端口采集余氯、流量传感器的信号，通过控制算法，输出信号控制变频器输出电源的频率或中间继电器的开关频率。变频器的控制端与PLC输出信号端连接、电源输出端与机械式计量泵的电机连接，其输出电源的频率控制计量泵电机的转速，从而控制盐液计量泵和酸液计量泵的流量。固态继电器输入端与PLC输出信号端连接、输出端与电磁式计量泵的控制端连接，其输出端的开关频率控制盐液计量泵和酸液计量泵的流量。盐液和酸液的投加量决定了二氧化氯的产出量，保证水网中的余氯值达到设定值。

所述云平台基于B/S架构，由应用服务器、Web服务器和数据库系统构成。所述应用服务器主要功能：1、增加或删除二氧化氯发生装置对象，配置二氧化氯发生装置网关的ID或SIM卡号、二氧化氯发生装置型号。2、建立与二氧化氯发生装置网关的通信连接，采集二氧化氯发生装置的数据，对写入二氧化氯发生装置中的控制指令进行发送和确认。3、为用户界面的远程访问提供实时通信服务。4、完成对数据库的写入和维护工作。所述Web服务器主要功能：支持多用户对多台二氧化氯发生装置的远程访问。

所述应用服务器程序包括系统管理、数据通信、数据分发等功能模块。系统管理模块用于用户名、密码、发生装置ID、PPI-3G/4G无线网网关ID的注册登记以及系统维护。数据通信模块用于采集发生装置PLC中的数据和发送控制指令。数据分发用于为Web服务器、数据库系统提供数据。

所述Web服务器程序包括用户登录、用户管理、可视化界面、参数设定、数据显示、历史曲线、报警管理、查询打印、操作日志等功能模块。可视化界面模块用于动态仿真盐计量泵、酸计量泵、反应釜、外联水泵、风机、阀门、加热装置、原料储罐、稀释水管道压力等工作状态，以实现对发生装置的在线监测。参数设定模块用于设定余氯、流量传感器量程、余氯、流量传感器标定、计量泵阈值、控制系数、控制时间、余氯设定值、测试频率等参数。数据显示模块用于计算、显示盐液位、盐液位、计量泵频率、余氯检测值、流量检测值、反应釜温度等数据。历史曲线模块用于显示余氯检测值、流量检测值的趋势。报警管理模块用于显示故障的时间、编号、类型、内容，归档报警信息。查询打印模块用于查询状态、数据、报警等的关联信息，并形成报表打印。

下面参考附图来对本发明作进一步的说明。

参照图1，一种基于3G/4G无线网络和云平台的二氧化氯发生装置的远程监控系统，包括云平台、PPI-3G/4G无线网网关、PLC、HMI、驱动单元、传感器、计量泵。本发明的实施例为：监控系统采用S7-200系列PLC作为二氧化氯发生装置的底层核心控制器，由触摸屏、变频器（或固态继电器）、盐液计量泵、酸液计量泵、余氯传感器、流量传感器构成的底层闭环控制回路。云平台通过互联网、3G/4G无线网络、PPI-3G/4G无线网网关读取PLC中二氧化氯发生装置的数据，并对PLC发送命令，控制二氧化氯发生装置的运行。

具体地，本发明S7-200 PLC的模拟量输入端口分别连接余氯传感器、流量传感器，接收余氯、流量传感器传回的4-20mA信号，寻址地址为AIW0、AIW1，对应的取值范围为6400-32000，PLC软件计算出余氯、流量检测值，并将余氯检测值和设定数据进行比较，通过PD算法调节PLC模拟量输出端口AQW0的电流大小（4-20mA），或者调整PLC PWM输出端口Q0.0输出脉冲的周期，以使盐液计量泵和酸液计量泵的转速和运行状态按照设定值进行变化。

进一步，机械隔膜式计量泵通过三相异步电动机驱动，计量泵电机的转速跟随变频器的输出电源的频率（0-50Hz）变化而变化。当PLC给定 AQW0的值为6400时，对应变频器输出电源的频率为0Hz；给定AQW0的值为32000时，对应变频器输出电源的频率为50Hz。设变频器的运行频率为f，AQW0的给定值为a，则变频器的运行频率为：f=50×（a-6400）/(32000-6400），实际使用时a的给定值不小于6400。PLC给定AQW0的值和变频器的运行频率成线性关系。计量泵在冲程大小固定的情况下，转速越快泵出的液体越多，转速越慢泵出的液体越少。

进一步电磁式计量泵外部控制方式为脉冲控制，每接收一个脉冲（脉宽300ms）计量泵就泵出一定量的液体，工作频率随脉冲频率变化。本发明实施实例选用的计量泵的工作频率不大于120次/分钟，即计量泵的脉冲控制周期不小于500ms。固态继电器输入端与PLC PWM输出端Q0.0相连接，输出端分别与盐液计量泵和酸液计量泵的控制端相连接。调整PLC PWM输出端口Q0.0输出脉冲的周期，固态继电器的输出频率会随之改变，即可对酸液计量泵、盐液计量泵进行控制。PLC输出端口Q0.0输出脉冲的频率越高，计量泵泵出的液体量就越多，Q0.0输出脉冲的频率越低，计量泵泵出的液体量就越少。

PPI-3G/4G无线网网关基于嵌入式系统开发，移植Linux或Android操作系统，配置Web容器Apache或Tomcat和Wifi模块，通过手机移动端设定云平台主机固定的IP地址、网关的ID、RS485串口的地址、PLC的地址、串行通讯的波特率等参数。

图2为本发明PPI-3G/4G无线网网关的主程序流程图，具体地，如图2所示，所述网关在上电初始化后，初始化、激活3G/4G无线模块，请求登录到3G/4G无线网络并获取到一个动态的IP地址，若获知3G/4G无线模块接入互联网之后，向云平台发送一帧带有网关IP 地址、网关ID信息的请求确认TCP/IP连接的数据。所述网关与所述云平台的TCP/IP连接建立之后，网关侦听、接收操作命令，采用同步方式与PLC PPI通信，完成读、写PLC数据的任务；采用异步方式与云端服务器TCP/IP通信，返回操作结果。所述网关定时向云平台发送心跳包，所述云平台器定时检查网关的心跳，长时间未心跳则关闭网关的连接通道；如果连接中断，所述网关重新与所述云平台建立连接，恢复通信。

所述云平台基于B/S架构，由应用服务器、Web服务器和数据库系统构成。所述应用服务器主要功能：1、增加或删除二氧化氯发生装置对象，配置二氧化氯发生装置网关的ID或SIM卡号、二氧化氯发生装置型号。2、建立与二氧化氯发生装置PLC的通信连接，采集二氧化氯发生装置的数据，对写入二氧化氯发生装置中控制指令进行发送和确认。3、为用户界面的远程访问提供实时通信服务。4、完成对数据库的写入和维护工作。所述Web服务器主要功能：支持多用户对多台发生装置的远程访问。

图3为本发明云平台系统的功能结构图，如图3所示，云平台系统的功能分为应用服务器程序和Web服务器程序两个部分。

所述应用服务器程序包括系统管理、数据通信、数据分发等功能模块。系统管理模块用于用户名、密码、发生装置ID、PPI-3G/4G无线网网关ID的注册登记以及系统维护。数据通信模块用于采集发生装置PLC中的数据和发送控制指令。数据分发用于为Web服务器、数据库系统提供数据。

Web服务器程序包括用户登录、用户管理、可视化界面、参数设定、数据显示、历史曲线、报警管理、查询打印、操作日志等功能模块。可视化界面模块用于动态仿真盐计量泵、酸计量泵、反应釜、外联水泵、风机、阀门、加热装置、原料储罐、稀释水管道压力等工作状态，以实现对发生装置的在线监测。参数设定模块用于设定余氯、流量传感器量程、余氯、流量传感器标定、计量泵阈值、控制系数、控制时间、余氯设定值、测试频率等参数。数据显示模块用于计算、显示盐液位、盐液位、计量泵频率、余氯检测值、流量检测值、反应釜温度等数据。历史曲线模块用于显示余氯检测值、流量检测值的趋势。报警管理模块用于显示故障的时间、编号、类型、内容，归档报警信息。查询打印模块用于查询状态、数据、报警等的关联信息，并形成报表打印。

进一步，所述云平台应用服务器在接收到PPI-3G/4G无线网网关请求建立TCP/IP连接的数据帧后，打开一个ServiceClient（）线程来服务网关，并返回一条确认数据帧，通知所述网关连接已建立。当一个连接被建立后，每个网关就被赋予一个属于所述网关的套接字，同时，一个Client类的对象被建立，所述对象包含了所述网关的IP 地址、网关ID信息，所述信息被保存在一个数组列表中。云平台应用服务器与所述网关建立通信连接后，定时通过ServiceClient（）线程向所述网关发送读发生装置数据的操作指令；或采用用户界面外部触发方式，通过ServiceClient（）线程向所述网关发送写控制命令到发生装置的操作指令。云平台应用服务器接收Socket数据链接通道中的返回数据，处理、存入数据库，提供给客户端。

进一步，云平台应用服务器不仅支持对多个二氧化氯发生装置的集中监控，同时也接受多个客户端用户的同时访问。每个客户端用户都可通过浏览器和Web服务器向应用服务器提出请求或发出指令，来对一个或者多个二氧化氯发生装置进行监控，多用户远程实时控制的特点就是要实现多个用户同时对一个二氧化氯发生装置进行远程监控，而不会出现资源争用的现象。如果为每个用户都直接建立一个线程访问二氧化氯发生装置PLC，必然产生对二氧化氯发生装置PLC端口的争用。为了解决这一问题，应用服务器采用公共数据访问对象技术按发生装置ID（或通信网关ID）为每个二氧化氯发生装置PLC建立一个公共数据访问对象，用于保存从此二氧化氯发生装置PLC中获取的最新数据或向其发送控制指令。图4为本发明云平台公共数据访问对象关系图，如图4所示，不管哪个用户需要采集某个二氧化氯发生装置PLC数据或者发送控制指令时，都调用同一个公共数据访问对象和此二氧化氯发生装置PLC进行通信，这样不仅解决了对二氧化氯发生装置PLC端口的争用，而且可以有效降低应用服务器的负载。公共数据访问对象以服务器的形式存在，具备双重角色，相对于二氧化氯发生装置PLC，公共数据访问对象主动发起控制指令的发送、参数修改、数据采集等动作；相对于操作客户端，公共数据访问对象则提供远程对象调用，接受客户端用户的指令，反馈客户端用户所需信息。公共数据访问对象的双重角色既相互关联又线程独立，向客户端提供服务不影响和二氧化氯发生装置PLC的通信以及数据存储，这样可以大大提高系统的稳定性。

进一步，客户端基于浏览器的方式，客户端用户通过Web浏览器登录Web服务器，Web服务器根据用户名绑定的二氧化氯发生装置ID（或通信网关ID）、二氧化氯发生装置类型向客户端提供相对应的二氧化氯发生装置的用户界面，可以是一个或多个二氧化氯发生装置的用户界面，如图4所示，调用应用服务器提供的二氧化氯发生装置ID（或通信网关ID）对应的公共数据访问对象获取二氧化氯发生装置PLC中的数据或发出控制指令。Web服务器为客户端提供用户界面采用了动态图形配置技术，根据二氧化氯发生装置类型自动生成相应的图形界面，包括系统运行状态、外联水泵状态、盐液位、酸液位、系统运行频率、温度、二氧化氯检测值、流量检测值等。由于每个水厂的二氧化氯发生装置不一定相同，传感器的类型、现场仿真图等都可能有所区别，所以用户界面无法统一固定，采用动态图形设计的用户界面后，监控系统会根据水厂二氧化氯发生装置类型呈现不同的用户界面，使用户界面更加友好灵活。如图5所示，采用该技术的优势是当建设了新的水厂后，系统只需进行简单的配置及可以实现对新建水厂的远程监控，系统的可扩充性大大增强。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细的说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (3)

1.一种基于云平台的二氧化氯发生装置远程监控系统，包括二氧化氯发生装置、传感器、PLC、HMI、驱动单元及云平台，其中二氧化氯发生装置、传感器、PLC、HMI、驱动单元构成二氧化氯发生装置闭环控制回路，二氧化氯发生装置包括计量泵和反应釜，计量泵分为酸液计量泵和盐液计量泵以分别向反应釜中投放定量的酸液和盐液，驱动单元控制计量泵，PLC控制驱动单元的运动，传感器从二氧化氯发生装置下游测量相关数据并发送到PLC，所述数据包括余氯检测值和流量检测值，操作人员可以通过HMI对PLC进行设置和操作，PLC根据传感器送来的数据和预先在该PLC中的设定，通过驱动单元调节计量泵以调节酸液和盐液的投放量，其特征在于，所述PLC进一步连接至无线网关，通过无线网络与云平台连接，云平台包括应用服务器、web服务器和数据库系统，应用服务器通过无线网关与所述PLC连接，应用服务器采集PLC中的数据并向PLC发送和确认用于二氧化氯发生装置的控制指令，在云平台内部，应用服务器、web服务器和数据库系统三者互联，web服务器可以用于用户的访问，应用服务器、web服务器两者的数据可以存储到数据库，并且用户可以通过web服务器访问该数据库，所述无线网络为3G/4G无线网络，无线网关是PPI-3G/4G无线网网关，PLC和应用服务器分别通过3G/4G无线网关接入3G/4G骨干网以实现数据和指令的相互读取和发送，所述应用服务器能够连接多个二氧化氯发生装置并对多个二氧化氯发生装置进行分别控制，在应用服务器上可以增加新的二氧化氯发生装置的连接和删除已有的二氧化氯发生装置，所述web服务器可供多个用户登录以分别或集中监控和管理多个二氧化氯发生装置，其中所述应用服务器主要功能为1、增加或删除二氧化氯发生装置对象，配置二氧化氯发生装置网关的ID或SIM卡号、二氧化氯发生装置型号；2、建立与二氧化氯发生装置网关的通信连接，采集二氧化氯发生装置的数据，对写入二氧化氯发生装置中的控制指令进行发送和确认；3、为用户界面的远程访问提供实时通信服务；4、完成对数据库的写入和维护工作；所述web服务器主要功能为支持多用户对多台二氧化氯发生装置的远程访问；所述应用服务器程序包括系统管理、数据通信、数据分发功能模块，系统管理模块用于用户名、密码、发生装置ID、PPI-3G/4G无线网网关ID的注册登记以及系统维护，数据通信模块用于采集发生装置PLC中的数据和发送控制指令，数据分发用于为web服务器、数据库系统提供数据；所述web服务器程序包括用户登录、用户管理、可视化界面、参数设定、数据显示、历史曲线、报警管理、查询打印、操作日志功能模块；云平台应用服务器不仅支持对多个二氧化氯发生装置的集中监控，同时也接受多个客户端用户的同时访问，每个客户端用户都可通过浏览器和web服务器向应用服务器提出请求或发出指令，来对一个或者多个二氧化氯发生装置进行监控，多用户远程实时控制的特点就是要实现多个用户同时对一个二氧化氯发生装置进行远程监控，而不会出现资源争用的现象；应用服务器采用公共数据访问对象技术按发生装置ID或通信网关ID为每个二氧化氯发生装置PLC建立一个公共数据访问对象，用于保存从此二氧化氯发生装置PLC中获取的最新数据或向其发送控制指令。

2.如权利要求1所述的基于云平台的二氧化氯发生装置远程监控系统，其特征在于，计量泵为机械隔膜式计量泵，驱动单元为三相异步电动机，PLC通过变频器控制电动机来控制计量泵泵出的液体的量。

3.如权利要求1所述的基于云平台的二氧化氯发生装置远程监控系统，其特征在于，计量泵为电磁隔膜式计量泵，驱动单元为继电器，PLC向继电器输出脉冲信号，通过脉冲频率来控制计量泵泵出的液量。