基于物联网的水处理远程控制系统

高增胜

[摘    要]针对水处理系统运行效率低、缺乏有效监管及运行模式粗放等缺陷，将PLC控制系统与物联网网关进行通信，实现物联网技术与传统水处理控制系统的结合，利用物联网云平台设计出一种远程监控系统。文章基于对水处理实际应用的研究，对水处理过程中使用物联网进行远程监控的相关内容进行了介绍。

[关键词]水处理;物联网;远程监控

[中图分类号]X703 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）05–000–02

Water Treatment Remote Control System Based on Internet of Things

Gao Zeng-sheng

[Abstract]Aiming at the defects of low efficiency， lack of effective supervision and extensive operation mode of water treatment system， PLC control system is communicated with IOT gateway to realize the combination of IOT technology and traditional water treatment control system， and a remote monitoring system is designed by using IOT cloud platform. Based on the research of practical application of water treatment， this paper introduces the content of remote monitoring using Internet of things in the process of water treatment.

[Keywords]water treatment; internet of things; remote monitoring

當前，随着物联网技术的不断成熟，物联网与经济社会各领域、各行业的深度融合，已成为全球新一轮科技革命和产业变革的重要内容和焦点。在传统的水处理控制系统中，由于运行效率

低、缺乏有效监管及运行模式粗放等问题，造成运行成本不断升高。本项目顺应物联网发展趋势，以物联网技术为基础，对传统水处理控制系统进行改造，达到优化管理模式、提高水处理运行效率、降低水处理成本的目的。

1 物联网概述

自20世纪末首次提出物联网的概念以来，经过二十余年的发展，物联网技术已经逐渐成熟，并被广泛应用于多个行业领域，如医药行业、物流行业以及环境监测领域等，并取得了一系列创新成果。物联网是由互联网世界从被动接收到主动获取的跨越式发展所产生的，是信息化发展的必然产物。从物联网的特性来看，物联网可以概括为由具备感知与智能化处理能力的物体借助于无线或者有线通信手段，在互联网或者其他通信网络上建立的、覆盖多种事物的一种泛在网络，物联网的基础属性就是万物互联。物联网是无线通信、无线传感网络、人工智能、信息安全、嵌入式系统以及信息安全等多种现代化技术的有机融合体。在水处理的远程控制方面，物联网的应用主要是通过远程控制、运行监控、故障诊断以及过程控制等手段实现水处理的自动化、智能化管控。

2 物联网架构体系

物联网架构体系可以分为三层，分别是感知层、传输层以及应用层。其中，感知层主要通过各种智能化识别以及传感器等设备获取外界信息;传输层主要是利用无线或者有线通信网络传输数据信息;应用层主要是系统的软件以及硬件设施。

2.1 感知层

感知层主要由多种可以感知物体状态的智能识别设备和传感器等物理实体构成，其主要功能是根据系统设定的要求获取特定的信息，包括动态信息与静态信息。感知层是物联网的基础层，其核心技术主要是传感技术以及无线通信技术。

2.2 传输层

传输层主要由无线或有线通信网络构成，主要功能是实现物与物间的连接和通信，是连接感知层与应用层的中间环节。借助传输层可以将感知层获取的信息通过网络快速向应用层传输，应用层完成信息接收后即可作出相应的控制动作。

2.3 应用层

应用层是物联网的核心，主要由应用软件、操作系统以及中间件构成，其主要功能是接收传输层传输的数据信息，并对相关数据信息进行挖掘分析，从而对可感知范围的情况作出判断，进而对相关控制对象发出控制指令，实现自动化、智能化处理。

3 系统设计总体思路

本系统充分应用物联网和云技术，将现有PLC控制系统采集的开关、按钮、水泵、电机、流量、液位、水质等设备的数据，通过通信设备发送到物联网云平台，云端对采集的数据进行实时处理后，在远程电脑、手机应用端进行实时展示和操控，从而实现设备和人员之间的远程实时互联互通。主要分为设备端、通信端、云端、应用端等四部分，系统图见图1。

3.1 系统硬件设计

3.1.1 设备端

设备端主要实现生产现场运行数据的采集和控制，包括上位机、PLC、现场设备仪表等。本系统采用西门子公司S7-200PLC，中央控制器为226CN，通信模块CP243-1，模拟量模块为EM231CN，数字量模块为EM223CN。上位机运行MCGS通用版6.2组态软件。上位机和S7-200PLC通过以太网进行通信，EM223CN的1/O点对开关、按钮、水泵、电机的工作状态进行收集与控制，EM231CN收集流量、液位、水质等传感器的有关数据，并把数据传输到PLC的CPU，实现数据处理。

3.1.2 通信端

通信端主要实现通信协议的转化和数据的远程实时传输。主要的通信设备有DTU和物联网网关。DTU是专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据，通过无线通信网络进行传送的无线终端设备，透明数据传输，没有协议转换功能。物联网网关是连接感知网络与传统通信网络的纽带，它可以实现感知网络与通信网络，以及不同类型感知网络之间的协议转换，既可以实现广域互联，也可以实现局域互联。本系统选择支持西门子S7以太网转Modbus-TCP和MQTT协议的物联网网关与PLC通信，DTU与终端控制器通信，与物联网云平台实现连通。

3.2 系统的软件设计

3.2.1 云端

云端主要将采集的数据在云平台进行存储、计算和分析等。本系统采用TLink物联网云平台，云平台与物联网网关通过Modbus-TCP协议进行通信，并对传输的数据进行分析处理和存储，实现对开关、按钮、水泵、电机、流量、液位、水质的远程实时监测和控制。

3.2.2 应用端

应用端主要将云端的计算分析结果进行展现和应用。本系统的电脑端搭建水处理远程云组态系统，云组态具备了现场组态界面的所有功能，同时对数据进行计算和深加工，形成历史趋势等。手机端采用微信公众号，在公众号平台中建立公众号、获得接口权限，通过平台提供的开发接口与微信公众号对接服务，实时监测实时报警提示，随时随地远程监测生产状况。

4 系统实现的功能

4.1 设备联网

物联网的基础属性是万物互联，通过网络将水处理各项设备进行连接，可以实现不同设备间的通信，并且能实现集中控制。本项目中对水处理现场的传统电控系统进行了改造，实现设备与云端的互联互通，实现传统生产设备的智能化应用，如根据水质参数实现智能加药的控制。

4.2 远程监控

远程监控主要依赖于物联网感知层，通过在特定水域布设传感设备以及水质探测设备等，持续收集各项信息，并通过通信网络将采集的数据传输至应用端。应用端将生产数据通過多样化形式展现和应用，实现随时随地在手机移动端进行可视化组态、远程控制、数据监测、故障报警等功能，同时根据需要按照实时计算的结果设定执行的动作，一旦出现故障或水质超标，现场报警器响起的同时发送到操作人员和管理人员的手机上，实现设备监控移动化。

4.3 远程调度

远程调度是智能化控制的核心。系统应用层通过对感知层采集的数据信息进行挖掘分析，可以快速判断系统各部分运行状态，掌握生产现场的详细情况，进而实现对生产现场的控制设备集中远程统一调度。巡检人员通过系统可以实时得到现场主机的报警反馈，一旦出现异常可以快速定位并到达现场进行处理;管理人员也可以随时随地监测生产参数，实现“无人值守，有人巡检”的管理模式，从减人值守向无人值守迈进，实现值班值守无人化。

4.4 运维管理

基于物联网的水处理远程控制系统可以实现对各项设备的动态化监控，实时采集设备的运行状态，一旦设备故障可以快速发出报警信息，为设备管理人员及操作人员提供流程化的设备报障、维修、工作执行等功能。运维管理人员根据系统报警信息可以快速确定故障部位以及故障详细信息，从而采取针对性的维修保养措施。在此过程中节省了前期分析故障部位以及故障原因的时间，最大化提高设备运行效能和检修维护人员的工作效率，从而降低成本、提高利润，实现检修维护流程化。

4.5 数据分析

数据分析功能主要是通过对系统运行过程中采集的数据进行分析，挖掘其中有价值的信息，以实现对水处理系统的进一步优化。比如通过对设备整体能源消耗情况进行分析，可以充分挖掘设备效能，发现管理漏洞和节能空间;通过监测设备状态及水质参数，进行数据分析可以得出系统最佳运行状态，提醒调整加药量和实施维修，提高维修效率，为科学决策提供指导，实现设备效能最大化。

5 项目开展的经济与劳动效益

5.1 经济效益

本系统可有效实现减员增效，降低成本。实时查看设备状态、获取报警和远程开关机等，既可减少人员投入，又能提高工作效率。同时通过获取开关机率、待机率、损耗时间等有价值的数据，促进设备完好运行，从而提升设备管理效能，降低设备维护和运行费用。此外，记录生产数据并形成分析数据，获取当天生产统计、能耗统计和报警提醒等，方便科学安排生产，有效避免不必要的经济损失。

5.2 劳动效益

本系统通过远程监控推进岗位兼并，实行一人兼多岗，最大限度降低劳动强度，精简管理人员，从而制定合理的定员定岗和劳动定额，实现满负荷、高效率组织生产，提高劳动效率和工时利用率，有效降低人力资源成本。通过使用物联网技术，对制约生产建设的难题进行处理，从管理模式和业务流程上都是一个技术革新，顺应市场形势，增强了企业竞争力，从而节约资源，提高效率，精简流程，为企业的节能减排工作做出了贡献。

6 结语

利用物联网技术进行远程监控可有效解决水处理工作中遇到的各种难题，同时有效实现减员提效、节能减排、精简流程以及科学生产，产生显著的经济效益和劳动效益。对于促进业务模式的转型升级、推动矿业企业的持续发展以及提高企业经济效益都具有极大的积极作用。

参考文献

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[3] 刘晓悦，王泰达，王兴楠，等.基于工业物联网的污水处理厂远程监控技术研究[J].电气传动，2020（11）：62-66，73.