碩人時代嵌入式控制器在水質監測SCADA系統
發布日期：2022-04-22 點擊率：61
摘要： 結合某污水處理廠的排放廢水中的如TOC、COD、氨氮含量、PH值等參數的測量系統的運行系統，介紹嵌入式控制器與在線檢測以儀表在水質監測中的應用情況，并分析總結了嵌入式控制器的簡單工作原理。
自動化控制器是自控系統中關鍵的子系統之一。一般的控制器主要由三大部分組成：①中央處理單元，負責數據的處理和邏輯控制，并負責現場通訊和數據傳輸等。②輸入輸出端口，負責與現場儀表連線，采集數據。③人機交互界面，負責現場畫面組態和數據顯示，并負責現場控制的輸入。由于近來上位機組態技術比較成熟，現場人機交互有的地方不用。嵌入式控制器內置實時多任務操作系統(Real Time multi-tasking Operation System, RTOS)，是將嵌入式微處理器、嵌入式微控制器的一種或幾種配以周邊元件集成于一體，并在其上實現控制、通訊、監控、交互等功能的對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的控制器，且具有編程簡單的優點，所以近來在自動化控制領域應用廣泛。
隨著科學技術的發展，自動化監測技術也得到了很大的發展，控制器在環境檢測方面也得到了廣泛的應用，使水監測工作中節省了大量的人力和物力，更重要的是可以及時反映很遠的現場的工況。本文將以吉林省某污水處理廠的排放廢水的水質監測工程為例說明嵌入式控制器在水監測項目中的應用。
1. 工程概述
吉林省某污水處理廠工程其設計一級污水處理能力20萬m3/d，二級污水處理能力10萬m3/d。設計服務范圍30.5km2，規劃服務人口35萬。
經過污水處理廠凈化后的清潔水，一部分直接排入小河，一部分用于農田灌溉，改善周圍的水污染問題。
2. 處理工藝
污水處理廠全套引進國外最先進的水處理工藝設備，采用二級生物處理工藝的傳統活性污泥法，并針對地方污水水質污染物濃度低的特點，在其核心部分－曝氣的工藝中采用OOC工藝。該工藝具有能耗低、運行費用少、出水水質好、管理簡便、運行穩定等優點。
從廠外污水干管收集到的污水經過粗格柵、泵房、細格柵、曝氣沉砂、初沉池、曝氣池等一系列的處理后，匯入二沉池進行泥水分離，上層澄清液作為凈化后的清潔排放水。水監測系統用抽水泵進行水質采樣，流經TOC、COD、氨氮檢測儀等儀器后，又返回水池中。檢測儀器經過內部的分析，得到被測試水樣的各個指標，然后經過變送電路轉換成為4～20mA的電信號，以方便現場控制器的采集。由控制器把采集到的各個電信號經過內部的轉換，得到各個指標的真實值，并通過各種通訊方式（例如GPRS、寬帶、PTSN等）送到監控中心，環保部門可以實時的監測出城市水系中的水質污染的變化。
現場檢測系統除了信號采集外，還通過控制器控制三個
電磁閥門和水泵以及現場檢測儀器的開關實現內洗、外洗、檢測功能切換。當系統檢測時，控制器發信號讓泵啟動采集水樣，同時啟動現場儀器分析水樣。當系統內洗時，控制器關閉檢測閥門，開動內洗閥門，讓軟化水進入內部管道，清洗儀器。當系統外洗時，控制器關閉內洗閥門，讓軟化水進入外部管道，清洗水泵。
此外，為了方便現場的操作，在本地還設置了現場監控系統，通過HMI模塊或者
觸摸屏與控制器的通訊口（RS485或者RJ45）連接，實現了本地控制。
控制工藝圖如圖所示。
3. 主要設備介紹
3.1 現場檢測儀器
TOC監測儀
COD監測儀
氨氮監測儀
ph值、電導、溶解氧、濁度、水溫指標監測儀
3.2 現場控制器
控制器采用北京碩人時代科技有限公司的STEC系類嵌入式控制器，此控制器基于motorola32位高速CPU和嵌入式實時Linux操作系統，實現工業現場采集、控制、通訊、現場監控等功能。嵌入式控制由主模塊、擴展數字輸入輸出模塊、擴展模擬輸入輸出模塊構成，最多支持96點現場信號采集與控制。
主模塊內嵌Linux實時操作系統，并支持TCP/IP、PPP、TELNET等通訊協議，支持Profibus、Modbus等現場總線，并提供可視化的組態環境SRDev2.0，編程方便。模擬輸入采用8路差分輸入，可以采集現場4～20mA或者0～10V的電信號，并能有效的抑制共模干擾。
嵌入式控制器還提供多種通訊方式，由于我國各地實際情況不同，特別對比較長的流域進行水質檢測時，用戶可根據各地不同的情況選用ADSL、電話撥號、GPRS等通訊方式將現場數據和現場異常報警信號傳送到監控中心，并通過中央監控集中對數據進行對比分析等。
現場監控軟件采用昆侖通態的MCGS或者
組態王，軟件組態簡單，控件全面，方便現場的使用。控制器通過RJ45口與工控機通訊，可以快速的讀取控制器中對應通道的數值，并且可以根據需要保存歷史數據。
實例畫面如圖所示。
污水經過處理后，各項指標的獲得無需人為干擾，實現了完全無人職守，節約了人力開銷，降低了運行成本，提高了經濟效益。
4. 運行管理體會
在運行過程中，為了保證自動化檢測儀表正常運行，需要定期的維護。
（1） 保持檢測儀器的的清潔，出了控制內洗外洗的時間外，還要經常更換標準樣液，以保證采集數據的準確性。
（2） 定期的校正各種儀器。儀器在長期運行過程中難免會產生測量誤差，這就需要定期校正，以保證儀表測量的準確性，對分析儀器我們制訂了每月定期校合1次。
（3） 保證現場儀器的工作環境穩定。現場一般都安裝空調，保證室溫幾乎恒定，測試結果才夠準確；瞬間的高電壓沖擊往往使儀器異常，對現場進行防雷處理和現場儀器等電位處理防止雷電或者高壓靜電造成設備損壞。
總體來講，采用嵌入式控制器實現水處理站的無人職守，大大促進了環保事業的發展。
附錄：嵌入式控制器性能一覽表
CPU：motorola 32位
主頻：66MHz
存儲：32M RAM 16M flash 32M disk on chip（電子硬盤）
操作系統：嵌入式LINUX
檢測電路：AI，DI，AO，DO
輸入信號：0～20mA 4～20mA
0～5V 0～10V
無源開關量輸入
0~10KHz脈沖輸入
輸出信號：4～20mA 0～10V
繼電器輸出
A/D D/A：16位
使用溫度：－20～70℃
儲存溫度：－40～80℃
通訊接口：以太網，RS485，RS232，電話（內置modem，可選）
通訊方式：ADSL，電話PSTN，GPRS，無線電臺，專用雙絞線
顯示方式：5寸LCD圖形彩色顯示器
操作方式：遠程操作，現場人機交互
供電電源：＋5V，＋12VDC，±12V
編程組態軟件：
SRDEV組態軟件
SRDEV離線仿真環境
實時腳本編輯器
非實時腳本編輯器
