基于Web的污水处理远程监控系统设计

董 哲，韩 杰，陈梦娇

(北方工业大学 电气与控制工程学院, 北京 100144)

基于Web的污水处理远程监控系统设计

董 哲，韩 杰，陈梦娇

(北方工业大学 电气与控制工程学院, 北京 100144)

详细阐述了针对一个中型污水处理过程中产生的温度、流量、压力、浓度等多个I/O数据进行实时采集与远程监控系统的设计与实现。监控系统整体基于分布式结构并采用B/S架构实现，在介绍污水处理系统整体结构的基础上，重点分析了中心服务器与现场PLC控制层的通信模式，阐述了Web监控层的画面设计过程以及功能实现，远程客户端可以通过浏览器实时观测到现场的状况。

远程监测;污水处理;Web技术

0 引言

随着工业生产的快速发展，企业会在生产过程中产生大量的污水废水，所以对污水做净化处理势在必行。利用臭氧作为氧化剂对工业废水进行净化和消毒处理已经在化工和环保领域广泛应用[1-2]，并且企业需要对这些数据和现场的污水处理过程进行实时监控与信息掌握，在其过程中需要监测各项水质数据，包括水的温度、压力、流量、浊度、溶解氧浓度(DO)、生化需氧量(BOD)、化学模拟量(COD)等过程参数，以及监控污水处理设备的运行状态。远程监控系统融合了现场采集控制技术和网络通信技术，使得工程人员不受地域限制，通过广域网实时监控现场运行情况[3]。

1 系统总体结构

整个系统方案采用分层结构设计[4]，主要包括现场PLC设备层、数据信息通信层、Web监控层。系统的总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

整个系统采用B/S和C/S混合模式，现场污水处理过程中的数据采集模块采用C/S结构开发，数据的监测以及对外发布功能采用B/S结构开发。现场设备层主要是监控污水处理的过程，远程现场的过程数据和水质数据通过4G信号传输给服务器端进行数据汇总和存储。数据信息通信层的功能主要是解析数据，对数据进行分析和在线存储到数据库服务器中。主站监控层主要实现了数据的Web发布功能，客户以及工程人员可以通过浏览器随时查看现场的控制参数和检测数据。

2 系统的具体实现

2.1现场PLC设备层的方案设计

本文是结合实际项目进行开发的,具体污水处理工艺过程如图2所示。整个处理过程分为3个部分，第一部分是氧气投加过程，通过空气压缩机提供动力,其中监测量包括氧气浓度、氧气漏点温度等；第二部分是臭氧的生产过程，在臭氧发生室内利用介质阻挡放电法(Dielectric Barrier Discharge, DBD)将氧气电离生成臭氧，监测量主要有臭氧发生器电源板运行数据和PLC控制过程中的数据；第三部分是臭氧与污水进行化学反应的过程。

图2 氧气源系统及射流投加工过程

针对具体工艺流程，系统的控制设计采用西门子S7-200 SMART系列模块，现场总线采用RS485通信总线，通信协议采用工业标准的MODBUS RTU协议。污水处理现场的控制总线结构图如图3所示。

图3 现场控制总线结构图

从总线结构图中可以看出臭氧生产系统主要控制设备有3套，分别控制调节臭氧的生产量，三个臭氧系统PLC作为MODBUS从站将臭氧发生器设备中的控制、开关、调节、报警、故障提示等数据进行记录；与此同时一个PLC主站主要读取3个从站的数据以及通过RS485总线读取水质检测传感器数据(温度、PH值、电导率、溶解氧等参数)，数据汇总后写入四号从站，四号从站通过4G路由信号将现场数据发送至远端服务器。同时现场也有人机交互监控设备实时监测工况状态并控制现场设备的运行。现场监控配置界面如图4所示。

图4 现场监控界面图

2.2数据信息通信层设计

数据信息通信层主要解决远程数据传输问题，工业现场总线运用比较多的协议有OPC协议、RS485/MODBUS协议、Ethernet/IP工业以太网协议等。针对项目的具体情况，对比这几种协议在工业现场的运用情况，分别开发了基于MODBUS TCP协议的服务器程序和自定义协议栈的数据采集服务器程序。没有选用传统的OPC协议是因为其在作为远程访问时，Windows出于安全性考虑，需要配置DCOM组件，使得远程访问有诸多限制。图5是开发的数据采集服务器程序界面。

图5 数据采集服务器界面

服务器端的远程数据采集程序设计基于C/S结构、TCP/IP协议开发。现场PLC实时采集数据然后通过4G路由器发送至服务器端，数据采集程序同时兼容两种通信协议，一是标准的MODBUS TCP协议，二是根据此项目实际情况自行开发的数据通信协议。在自定义协议栈的开发过程中充分考虑程序的扩展性和兼容性，开放了相应的接口和方法方便二次开发利用。同时，数据采集服务器是基于socket接口开发的多线程程序，允许多个客户端的同时接入并传输数据。数据采集程序将现场所有检测到的数据进行实时显示和存储，其中主要包括控制过程数据和水质检测数据。

2.3数据库模块设计

数据库模块设计在远程监控系统中属于比较重要的部分[5]。数据采集程序在收集到控制单元数据后，经过分析处理储存到数据库中。数据库服务器的功能是实现对各个监测点数据的存储和管理，数据类型大致分为污水参数、控制设备状态、报警故障等。这些过程数据大致可以分为实时数据和历史数据。所以考虑同时使用实时数据库(PI)和关系型数据库(MySql)，图6为实时数据库存储流程。

图6 实时数据库存储流程

来自现场的数据首先被送往接口程序进行例外测试，当数据变化程度超出采集的过程值预先设定的例外偏差，则数据被进一步传送，否则就被丢弃。通过例外测试的数据进入快照子系统，成为新的快照值，旧的快照会通过“螺旋门”进一步压缩后决定传送还是放弃。接下来数据进入事件队列，事件队列中的数据被送往归档缓冲区，归档不可用时或队列溢满后数据被传入磁盘，归档可用时数据进入归档数据库。

关系数据库主要储存历史数据，每个检测点的每个时刻都产生一条记录，不管检测点的变化大小都要记录,以方便对数据进行历史查询。本文选用MySql关系型数据库来存储历史数据。

2.4 Web监控层设计

主站监控层主要是Web服务器端的功能开发和监控界面的设计，其中主要包括3个部分的功能模块设计，一是对污水处理过程中产生的重要数据进行图表的实时显示，如：温度、PH值、溶解氧、COD等数据指标；二是对现场进行实时视频监控，使得工程人员可以实时观测工况；三是对历史数据的实时查询，方便对整个污水处理过程进行数据分析与汇总。服务器端本文选用Apache Web服务器，使用PHP语言进行开发。

针对浏览器前端页面的数据参数实时更新显示问题，采用Ajax方法进行异步通信获取实时数据，Ajax的工作方式如图7所示[6]。客户端通过Ajax引擎与服务器只交换有用的数据，而不是在客户端向服务器端提交请求时，刷新整个页面数据，这样不仅可以减轻服务器的负担，还可以提高系统整体的稳定性。

图7 Ajax应用程序工作方式

在前端数据可视化显示方面，本文选用了开源的Highchart控件来图形化地实时显示现场动态数据。Highchart是一个用纯Javascript编写的图表库，开发人员可以利用它在Web上快速开发有交互性的图表，同时控件可以通过Ajax来加载数据，页面控件利用Javascript来实例化一个XMLHttpRequest对象，通过open函数来配置服务器端请求的URL及数据传递方式，并每隔1 s向前端页面发送一次请求，然后取得数据，数据传到客户端控件，控件组织数据显示。

3 实施效果

该系统的实时数据监测界面如图8所示，鼠标移动到曲线的不同节点时，会自动显示相应的数据值。

图8 实时数据监测图

针对现场视频监控功能模块设计，本文选用配有视频服务器的摄像头，在中心服务器端相应页面配置视频服务器的IP地址，就可以将视频流引入页面并显示，视频实时监视功能包括多角度多画面监控、截图、调整视频的分辨率和刷新率等功能。

4 结论

本文针对基于Web的远程监控系统中的关键技术进行研究，实现了对污水处理过程中的数据进行远程监测。该系统方案经过测试运行之后实际运行在一个中型污水处理项目中，达到了预期的设计目的和监测效果，确保了对大量数据进行有效的传输和存储，很好地满足了功能需求。整个系统结构简单，易操作，易维护，扩展性好，可广泛地适用于不同的工业污水处理现场。

[1] 朱强、周春兰、王书梅.臭氧发生器在污水处理系统中的应用[J].化工中间体, 2015(2):47-48.

[2] 戴金峰，王杰亭.工业污水处理自动监控技术的应用[J].电子技术与软件工程，2016(6):154.

[3] AGUADOA D, ROSENB C. Multivariate statistical monitoring of continuous wastewater treatment plants[J].Engineering Application of Artificial Intelligence(S0952-1976),2008,21(7):1080-1091.

[4] Liu Guijie, Mei Ning, Tan Junzhe. Research on Web based remote monitor and control system for grinding process[J].Materials Science Forum(S0255-5476),2006,532/533(26): 1112-1115.

[5] 王淑荣,李耀君,赵晋松.实时数据库与关系数据库在电厂中的集成应用[J].热力发电,2006,35(6):10-13.

[6] 张修建，靳硕，赵茜. 基于Web的工业污水处理远程监控系统[J].系统仿真学报,2012,24(5): 1104-1108.

Design of remote monitoring system for wastewater treatment based on Web

Dong Zhe, Han Jie, Chen Mengjiao

(College of Electrical and Control Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China)

In this paper, the design of a Web based remote monitoring system is presented, and the system is used in a medium-sized water treatment process which collecting real-time data such as temperature, water flow, gas pressure, soild concentration and the I/O type of data from the process of production. The whole system is based on distributed structure and adopts B/S architecture. On the basis of introducing the whole structure of the water treatment system, the paper mainly analyzes communication mode between the host server and PLC control layer, and expatiates the Web design process and the functions implementation of the monitoring system. Users can observe the condition of the site by the browser.

remote monitoring and control; wastewater treatment; Web technology

TP312

：A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.17.028

董哲，韩杰，陈梦娇.基于Web的污水处理远程监控系统设计[J].微型机与应用，2017,36(17)：96-98,105.

2017-02-13)

董哲(1981-)，男，博士，副教授，主要研究方向：工业自动化、网络化控制系统、无线传感网络等。韩杰(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向：网络化控制。陈梦娇(1991-)，女，硕士研究生，主要研究方向：物联网技术。