基于GPRS的污水处理监控系统设计

摘要：首先介绍GPRS技术的原理和GPRS在污水处理监控系统中的应用，针对某市污水处理厂的实际情况，提出一种基于GPRS技术的污水处理远程监控系统设计方案，并设计通信规约和上位机软件。通过实际的系统运行，污水处理能力和效率均得到明显提升。
关键词：通用分组无线业务(GPRS)；上位机；污水处理；远程监控

    污水处理监控存在设备分布点零散，而且每个点设备较少的情况。因此，对这些设备的实时监测存在铺设线路成本高、维护费用高、不易调整等问题。通用分组无线业务GPRS(General Packet Radio Service)数据传输网络则为此提供一个最佳解决方案。在其基础上可进行多种数据传输业务，按数据流量计算运行费用，运行成本低，无须维护传输平台。而且GPRS网络覆盖面广，具有数据传输速率高和永远在线的特点。因此，GPRS通讯在污水处理监控系统中的应用具有无可比拟的性价比优势。
    传统污水处理厂的运行主要依赖人工经验知识，各个工艺流程阶段都需要人工干预。而污水处理过程复杂，有很多不确定性和模糊性，传统的PID控制方法需要精确的数学模型和分析过程，难以控制复杂的污水处理过程，所以一般由人工来完成整个过程的闭环控制。而过于依赖人工操作则会带来太多人为因素，不利于系统的稳定性。
    针对传统污水监控系统由于监控点位置的分散，通过有线的方式布置系统存在成本过高、缺乏灵活性，以及过于依赖人工操作不利于系统稳定性等缺点，本文结合GPRS技术的特点，为某市污水处理公司设计一套基于GPRS的污水处理监控系统。

1 基于GPRS的污水处理远程监控系统
    远程监控系统的中控室主要由2台计算机组成：系统监控管理计算机和信息监控管理计算机。系统监控管理计算机部分，2台交换机通过控制层实时通信网与本地现场PLC站通讯，可实时检测与监控污水处理厂自控系统范围内的各类设备状态、工艺过程参数，并显示到人机界面，以供操作人员、管理人员进行运行管理，并可通过租用电信部门DDN数据通信专线与排水公司调度系统连接。信息监控管理计算机负责实时和定时记录生产报表并打印，同时作为系统监控管理计算机的设备。
    由于部分污水处理现场距中控室较远，有的达几千米甚至十几千米，布置有线的方式成本开销太大，故采用GPRS的通信方式对距中控室较远的现场进行监测与控制。远端现场将采集的数据收集到远端现场服务器。通过远端现场的处理与转换，再利用具有GPRS功能的数据终端通过无线方式与巾国移动基站通信，GPRS的分组从基站发送到GPRS服务支持节点(SGSN)，SGSN再与GPRS网关支持节点(GGSN)通信，由GGSN对分组数据进行处理后，发送给中控室的GPRS收发装置，中控室的监控管理计算机通过数据包的地址对数据进行分别处理。中控室用户监控管理计算机申请一个固定IP地址，GPRS模块一旦登陆GSM网络，便会自动连接用户数据中心。从而在GPRS模块和用户数据中心之间通过IP地址进行TCP／IP双向通信擞据传输透明而可靠。
    系统主要由远程分站和中控室两部分组成。远程分站由GPRS模块利用PLC与现场各种自动化仪表、传感器及变送器等连接。控制中心可采用PC机结合GPRSMODEM，或PC机结合固定IP地址的方式。基于GPRS网络的污水处理监控系统方案如图1所示。

2 通信规约设计
    污水处理监控系统的通信分为2种，一种是通过GPRS无线连接与DTU通信，另一种是局域网通信。GPRS选用TCP／IP协议通信。主要是DTU向服务器发送污水工序、氧化沟、污泥泵房、二沉池、配水井等设备运行情况的数据，以及服务器向DTU转发上位机命令。而局域网通信主要是服务器向数据库存储数据、上位机查找数据库数据，以及上位机向服务器发送请求命令。这里将局域网通信协议和GPRS通信协议统一为一种数据帧格式，如表l所示。

    表l中，数据帧帧头和帧尾都用0x7E表示，而为避免数据内容与帧头、帧尾混淆，用2个“Ox7E”表示“0x7E”；帧长度是指除帧头和帧尾外，所有数据的字节数。用2个字节表示；主命令说明发送方的请求内容：从命令辅助主命令定义数据发送周期的长短；DTU号码用于标识DTU；ID号是DTU编码；数据内容主要指污水工序、氧化沟、污泥泵房、二沉池、配水井设备运行情况等数据。
    当信道上无数据传输时，通信双方应每隔时间C发送心跳包以维持此连接。当心跳包发出超过时间T后未收到响应，则立即再发送心跳包。若连续发送(N-1)次后仍未得到响应，则断开此连接。参数C、T、N原则上应可配置，现阶段建议取值：C=3 min，T=60 s，N=3。网关与SP之间、网关与网关之间的消息发送后等待T后未收到响应，应立即重发。若连续发送(N-1)次后仍未得到响应则停发。现阶段建议取值是：T=60 s，N=3。采用并发方式发送消息，并加以滑动窗口流量控制，窗口大小参数W可配置，现阶段建议取为16，即接收方应答前，1次收到的消息数最多不超过16条。

3 软件部分设计
    本系统上位机软件的实现采用基于Windows 2000环境下的Intouch 8．O系统。Intouch具有领先的人机接口界面(HMI)和面向对象的图形开发环境，便于高效、快捷地配置用户的应用程序。目前常见的工控组态软件有Intouch、LabView，Rsview(Allen-Brandley)、Ifix(GE Fanuc)、Kingview(组态王)、Wince (Siemens)、Interlution等，Intouch和这些软件相比，其主要优点有：优化代码；自带SQL语言，方便数据库设计；提供各种通信协议接口，包括PLC，GSM，GPRS等。基于以上特点，这里使用Intouch作为上位机软件的开发工具，其实现的功能包括：自动形成生产日、月、年报表，定时自动打印：建立详细的帮助信息，所有事故报警信息显示清单；监测数据的图形化与报表形式显示。图2为污水厂进水预处理软件界面。

4 系统应用分析
    经过实际的系统运行，基于GPRS的污水处理监控系统自投入使用以来，污水处理性能和效率提高很多，BOD5总去除率有较大幅度提高，COD达标率和BOD5达标率达到100％。图3、图4分别是污水处理厂某月出水监测COD数据变化图和BOD5数据变化图。

    整个系统界面友好，操作方便，可实现各等级权限密码保护，系统安全可靠。并可根据用户事先设定的监控范围对多种指标进行监控，一旦超出设定范围，计算机立即报警，并记录有关数据、工况，以供分析处理。计算机所测数据可按一定时间间隔记录到硬盘上，也可根据用户的要求在各种条件下存盘，用户可根据需要随时调取有关数据进行显示、打印。同时还可实现网络发布功能。使各终端通过Web访问服务器，实时了解监控数据，同样可以实现各种动画、表格、曲线的显示，满足不同权限的用户实时了解各站点工作情况及监测数据的需求。

5 结论
    本研究项目针对传统污水监控系统由于监控点位置分散，通过有线的方式布置系统存在成本过高、缺乏灵活性等缺点，采用GPRS技术为某污水处理公司设计一套基于GPRS的污水处理监控系统，基于Windows2000环境下的Intouch 8．0系统进行监控软件的2次开发，通过系统的投产运行，该系统在处理污水的能力方面较以前有较大幅度的提升，且节约了经济成本。GPRS技术由于其优越性，在自动控制、环境监测等方面将发挥更大的作用。