硕人时代嵌入式控制器在水质监测SCADA系统中的应用_嵌入式控制器_

硕人时代嵌入式控制器在水质监测SCADA系统中的应用

2005/9/13 11:11:00

摘要： 结合某污水处理厂的排放废水中的如TOC、COD、氨氮含量、PH值等参数的测量系统的运行系统，介绍嵌入式控制器与在线检测以仪表在水质监测中的应用情况，并分析总结了嵌入式控制器的简单工作原理。

自动化控制器是自控系统中关键的子系统之一。一般的控制器主要由三大部分组成：①中央处理单元，负责数据的处理和逻辑控制，并负责现场通讯和数据传输等。②输入输出端口，负责与现场仪表连线，采集数据。③人机交互界面，负责现场画面组态和数据显示，并负责现场控制的输入。由于近来上位机组态技术比较成熟，现场人机交互有的地方不用。嵌入式控制器内置实时多任务操作系统(Real Time multi-tasking Operation System, RTOS)，是将嵌入式微处理器、嵌入式微控制器的一种或几种配以周边元件集成于一体，并在其上实现控制、通讯、监控、交互等功能的对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的控制器，且具有编程简单的优点，所以近来在自动化控制领域应用广泛。
随着科学技术的发展，自动化监测技术也得到了很大的发展，控制器在环境检测方面也得到了广泛的应用，使水监测工作中节省了大量的人力和物力，更重要的是可以及时反映很远的现场的工况。本文将以吉林省某污水处理厂的排放废水的水质监测工程为例说明嵌入式控制器在水监测项目中的应用。

1. 工程概述
吉林省某污水处理厂工程其设计一级污水处理能力20万m3/d，二级污水处理能力10万m3/d。设计服务范围30.5km2，规划服务人口35万。
经过污水处理厂净化后的清洁水，一部分直接排入小河，一部分用于农田灌溉，改善周围的水污染问题。

2. 处理工艺
      污水处理厂全套引进国外最先进的水处理工艺设备，采用二级生物处理工艺的传统活性污泥法，并针对地方污水水质污染物浓度低的特点，在其核心部分－曝气的工艺中采用OOC工艺。该工艺具有能耗低、运行费用少、出水水质好、管理简便、运行稳定等优点。
      从厂外污水干管收集到的污水经过粗格栅、泵房、细格栅、曝气沉砂、初沉池、曝气池等一系列的处理后，汇入二沉池进行泥水分离，上层澄清液作为净化后的清洁排放水。水监测系统用抽水泵进行水质采样，流经TOC、COD、氨氮检测仪等仪器后，又返回水池中。检测仪器经过内部的分析，得到被测试水样的各个指标，然后经过变送电路转换成为4～20mA的电信号，以方便现场控制器的采集。由控制器把采集到的各个电信号经过内部的转换，得到各个指标的真实值，并通过各种通讯方式（例如GPRS、宽带、PTSN等）送到监控中心，环保部门可以实时的监测出城市水系中的水质污染的变化。
       现场检测系统除了信号采集外，还通过控制器控制三个电磁阀门和水泵以及现场检测仪器的开关实现内洗、外洗、检测功能切换。当系统检测时，控制器发信号让泵启动采集水样，同时启动现场仪器分析水样。当系统内洗时，控制器关闭检测阀门，开动内洗阀门，让软化水进入内部管道，清洗仪器。当系统外洗时，控制器关闭内洗阀门，让软化水进入外部管道，清洗水泵。
       此外，为了方便现场的操作，在本地还设置了现场监控系统，通过HMI模块或者触摸屏与控制器的通讯口（RS485或者RJ45）连接，实现了本地控制。
控制工艺图如图所示。

3. 主要设备介绍
3.1 现场检测仪器
TOC监测仪
COD监测仪
氨氮监测仪
ph值、电导、溶解氧、浊度、水温指标监测仪
3.2 现场控制器
      控制器采用北京硕人时代科技有限公司的STEC系类嵌入式控制器，此控制器基于motorola32位高速CPU和嵌入式实时Linux操作系统，实现工业现场采集、控制、通讯、现场监控等功能。嵌入式控制由主模块、扩展数字输入输出模块、扩展模拟输入输出模块构成，最多支持96点现场信号采集与控制。
       主模块内嵌Linux实时操作系统，并支持TCP/IP、PPP、TELNET等通讯协议，支持Profibus、Modbus等现场总线，并提供可视化的组态环境SRDev2.0，编程方便。模拟输入采用8路差分输入，可以采集现场4～20mA或者0～10V的电信号，并能有效的抑制共模干扰。
       嵌入式控制器还提供多种通讯方式，由于我国各地实际情况不同，特别对比较长的流域进行水质检测时，用户可根据各地不同的情况选用ADSL、电话拨号、GPRS等通讯方式将现场数据和现场异常报警信号传送到监控中心，并通过中央监控集中对数据进行对比分析等。
       现场监控软件采用昆仑通态的MCGS或者组态王，软件组态简单，控件全面，方便现场的使用。控制器通过RJ45口与工控机通讯，可以快速的读取控制器中对应通道的数值，并且可以根据需要保存历史数据。
实例画面如图所示。

污水经过处理后，各项指标的获得无需人为干扰，实现了完全无人职守，节约了人力开销，降低了运行成本，提高了经济效益。

4. 运行管理体会
在运行过程中，为了保证自动化检测仪表正常运行，需要定期的维护。
（1）保持检测仪器的的清洁，出了控制内洗外洗的时间外，还要经常更换标准样液，以保证采集数据的准确性。
（2）定期的校正各种仪器。仪器在长期运行过程中难免会产生测量误差，这就需要定期校正，以保证仪表测量的准确性，对分析仪器我们制订了每月定期校合1次。
（3）保证现场仪器的工作环境稳定。现场一般都安装空调，保证室温几乎恒定，测试结果才够准确；瞬间的高电压冲击往往使仪器异常，对现场进行防雷处理和现场仪器等电位处理防止雷电或者高压静电造成设备损坏。
总体来讲，采用嵌入式控制器实现水处理站的无人职守，大大促进了环保事业的发展。

附录：嵌入式控制器性能一览表
CPU：motorola 32位
主频：66MHz
存储：32M RAM 16M flash 32M disk on chip（电子硬盘）
操作系统：嵌入式LINUX
检测电路：AI，DI，AO，DO
输入信号：0～20mA 4～20mA
0～5V 0～10V
无源开关量输入
0~10KHz脉冲输入
输出信号：4～20mA 0～10V
继电器输出
A/D D/A：16位
使用温度：－20～70℃
储存温度：－40～80℃
通讯接口：以太网，RS485，RS232，电话（内置modem，可选）
通讯方式：ADSL，电话PSTN，GPRS，无线电台，专用双绞线
显示方式：5寸LCD图形彩色显示器
操作方式：远程操作，现场人机交互
供电电源：＋5V，＋12VDC，±12V
编程组态软件：
SRDEV组态软件
SRDEV离线仿真环境
实时脚本编辑器
非实时脚本编辑器

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