污水排放远程监控系统的实现

（交通运输部天津水运工程科学研究院，天津 300456）

企业随意偷排污和非达标排污，造成环境严重污染的情况时有发生，因此在控制、监测方面提供一个有效、使用先进的监控系统和解决方法，建立污水排放在线监控系统，提高监管能力，势在必行。污水排放远程监控系统依托于通信技术、网络技术和软件技术，将原本分布于各企业的污水排放设备进行远程控制，数据自动采集、存储和管理。通过总控中心对各企业排污的远程控制、监测及数据查询的方式，解决了以往只能通过前往现场才能看到实时状态的难题。

1 系统结构

污水排放远程监控系统由远程终端、通讯网络和监控中心3部分组成。远程终端安装在不同地理位置的企业内部，通过通讯网络使监控中心信息和本地信息相互传输，实时监控排污设备的动作状态和流量数据。通讯网络基于GPRS网络技术远程无线连接远程终端和监控中心，是两者之间信息传输的桥梁[1]。监控中心实时显示GPRS网络通讯状态，通过人为操作远程监控排污设备的动作状态和流量数据。系统框架如图1所示。

图1 系统框架Fig.1 System framework

1.1 远程终端

远程终端包括执行机构、自控中枢和信息转换。

执行机构包括LDG-211电磁流量计仪表、EX型电动开关阀[2]设备。流量计仪表采集流量的电磁信息传输给自控中枢仪表变送器，由变送器信息转换。电动开关阀接收控制中枢开关量信号后执行相应动作，并将动作状态的开关量信号反馈于自控中枢。本污水排放远程监控系统涉及13个企业，各企业的远程终端根据排污管道数量、型号安装相应排污设备。

自控中枢是远程终端的控制核心，发挥承上启下的作用，包括仪表电磁流量计表头、西门子PLC CPU 222CN和EM231模块、外围电气控制配件。仪表变送器把接收的电磁信号转换成电信号以及4～20 mA模拟信号，电信号通过显示器实时显示排污管道内流经污水的瞬时流量和累计流量，同时将4～20 mA模拟信号传输给EM231模块；PLC CPU 222CN模块有2个作用：（1）和外围控制配件组成电气控制中枢，实时接收控制方式、开关阀动作和状态的信息，另外根据接收到上位机的信息对阀执行相应动作。控制方式分为本地控制和远程控制，本地控制显示控制方式、开关阀状态和通讯状态，远程控制即监控中心上位机软件控制；（2）主要信号转换，CPU将EM231采集的模拟信号、开关量信号转换成数字量信号，以9600、无校验、1位停止位协议方式通过自由口通讯连接信息转换模块，把执行机构状态、数据传输给信息转换模块，同时对上位机信号转换成识别信号。

信息转换包括LQ8110E GPRS DTU模块和移动SIM卡。GPRS DTU模块以登陆成功后自动上传自身信息，便于数据中心识别确认、自动通过心跳包协议保持通讯链路、实现数据的可靠透明传输、实时性好，可实时观察到所有模块的在线情况的优点通过SIM卡的GPRS、Internet通讯连接上位机和CPU 222CN。另外模块通过自身配置分配各远程终端地址，与上位机相应控制界面通讯。

远程终端实现以上所有功能，需进行如下配置：

1）CPU 222CN下载程序中设置组网中唯一的地址；

2）CPU 222CN下载程序中设置与GPRS DTU通讯相同协议，即9600、无校验、8位数据位、1位停止位；

3）GPRS DTU配置组网中唯一的10位标示地址，通过标示地址与监控软件互相寻址通讯；

4）GPRS DTU配置组网协议，即TCP/IP；

5）GPRS DTU配置通讯协议，即9600、无校验、8位数据位、1位停止位；

远程终端控制原理图如图2、图3所示。

图2 电气原理（一）Fig.2 Electrical diagram（one）

图3 电气原理（二）Fig.3 Electrical diagram（two）

1.2 通讯网络

通讯网络分为公网IP网络和内网IP网络。根据监控中心网络的条件使用不同通讯网络，本系统采用公网IP网络。

公网IP网络即上网的计算机得到的IP地址是Internet上的非保留地址，公网的计算机和Internet上的其他计算机可随意互相访问。本系统监控中心网络属于一级局域网，采用公网固定IP方式配置GPRS DTU，信号经过Internet穿透路由器已映射的端口连接监控中心，实现数据无线传输。公网IP网络通讯稳定、便捷、受影响因素少，但经过多级NAT转换的局域网，无法使用。

内网IP网络即内网的计算机以NAT（网络地址转换）协议，通过一个公共的网关访问Internet。经过多级NAT转换，内网IP已动态化，无法寻找到正确地址，监控中心在这种情况下，采用动态域名解析方式连接GPRS DTU和监控中心上位机，同样实现数据无线传输。这种通讯网络结构复杂，受第三者动态域名解析软件影响大，并增加了工程费用。

1.3 监控中心

污水排放远程监控系统监控软件采用组态王6.55编制。组态王采用STANDARD.MWP自由口通讯协议分别与13个远程终端GPRS连接。系统软件每个终端分2部分，软件通讯和控制界面。

软件通讯自由口通讯方式是一种通讯协议完全开放的工作方式，在该方式下的通讯口的协议由外设决定，PLC通过程序来适应外设。从而使得PLC可以与任何具有通讯能力的并且协议公开的设备相通讯。在与组态王采用自由口协议方式通讯时，为主从的问答方式，装有组态王的上位机为主呼方，下位机为应答方。

远程终端信息流通过GPRS DTU设备，转换成TCP/IP协议数据，通过GPRS连接Internet网络，经过公网IP寻址方式连接监控中心，监控主机通过定义的虚拟KVCOM口设备将数据传输到软件内部各类寄存器中，通过监控界面完成数据的显示和监控。通讯示意如图4所示。

图4 通讯示意Fig.4 Communication diagram

控制界面包括开关阀、通讯网络、流量计仪表。

开关阀包括控制状态和反馈状态。点击开阀（关阀）按钮，远程开关阀按照指令动作，相应按钮固定频率闪烁；开关阀动作到指定位置，按钮停止闪烁，位置状态显示开（绿色）或关（红色），如图5所示。

图5 控制界面Fig.5 Control interface

通讯网络包括控制方式和通讯状态。远程终端控制方式切换至监控中心操作，位置状态显示远程，通讯网络断线或切换本地操作时，位置状态显示本地；通讯成功时通讯控制变为绿色，通讯失败时变为红色。

流量计实时显示排污管道瞬时流量和累计流量。瞬时流量存在时，排污管道流动性指示。累计流量的数值根据人为操作可以设置定期时间内已累计的流量。

2 结语

污水排放远程监控系统的工程项目经过天津港测试、应用，于2015年3月竣工验收，获得天津港良好的评价。远程终端电气控制电路的设计、GPRS DTU模块利用通讯网络以自由口通讯协议方式数据传输、以及远程监控系统的软件编制。实现了远距离、多站点设备的数据、状态监控，减少了工程成本，使得系统具有很强的通用性，不管是用于污水排放系统，还是在水利研究、环境监测、工控等领域中，有着非常好的发展前景[3]。

[1]黄承安，张跃，云怀中.基于GPRS的远程仪表监控系统[J].电测与仪表，2003，40（8）：42-45.

[2]苏云，潘丰，肖应旺.基于组态王与PLC的远程控制系统[J].工业仪表与自动化装置，2004（2）：53-55.

[3]王建新，杨世凤，史永江，等.远程监控技术的发展现状和趋势[J].国外电子测量技术，2005（4）：9-12.