小型电渗析设备的远程监测与数据管理系统

郑高峰,傅 刚,姜佳昕,柳 娟

(厦门大学航空航天学院，福建厦门361102)

目前，淡水资源短缺已成为当前世界性的资源问题.地球海洋资源十分丰富，海水淡化已经成为解决水资源问题最具发展潜力的方法之一[1].随着远洋航行、海洋工程、海岛开发等行业的发展，小型、高效的海水淡化技术已经成为研究的重点[2-3].现有的海水淡化方法主要有蒸馏法、反渗透和电渗析等[4-5].其中，电渗析技术具有建设成本低、能耗低、分离效率高等特点，可满足船舶、海岛、海洋工程等领域对小型海水淡化的应用需求，近年来获得了广泛关注[3,6].而小型电渗析海水淡化设备的应用面临使用环境分散复杂，过程监管、维护不便等挑战，亟待引入完善的智能化监控系统以便进一步推广小型电渗析技术的应用[7-8].

电渗析采用直流电场驱动水体中的阴离子和阳离子分别选择性通过离子交换膜，从而实现离子分离和水体淡化[9-10].极板两端施加的电压是离子定向移动的动力来源，离子定向移动形成的迁移电流是电渗析器膜堆使用寿命、出水质量等工作状态的重要监控指标.增加极板间的电压可加速离子迁移、加快水处理效率、提高出水质量；但过高的电压既增加了能耗，也易引发短路产生危险[11].电导率是衡量电渗析水处理分离效率的重要指标，可用于直接监控淡水纯度[12-13].此外，浓缩水和淡水的pH值可反映阳离子交换膜和阴离子交换膜交换效率的一致性；而水泵供水流量决定了淡水的处理质量[14-15].小型电渗析设备应用研究仍主要基于电导率和pH值反馈的单台设备的自动化管理，而对于数据管理分析与远程控制仍较为缺乏，限制了电渗析大数据分析水平的提升与设备的推广应用.

本文针对分布式应用的发展需求，构建了小型电渗析设备的远程监测与数据管理系统，实现了电压、电流、电导率、pH值、温度、流量、水压等运行状态参数的实时监测、传输与存储管理.

1 小型电渗析设备控制系统的构建

图1 小型电渗析设备控制系统Fig.1The small electrodialysis equipment control system

开发了如图1所示的小型电渗析设备控制系统，包括可编程逻辑控制器(PLC)、电磁阀、膜堆、蓄水池、水泵、散热风扇、水泵驱动、蓄电池等，并设有电压电流传感器完成极板间电压、离子迁移电流的检测.膜堆是电渗析主要部件，安装有电渗析离子交换膜组，可实现阴、阳离子的定向选择性迁移.水泵用于驱动水体传输，蓄水池用于存储电渗析过程的浓缩水、淡化水以及原水，与各个水体通道相连接，电磁阀用于控制设备供水、出水等水路的工作状态.散热风扇用于设备降温，太阳能电池控制器和蓄电池可为设备的运行提供电能，提升设备的自适应能力.

小型电渗析设备控制系统的控制流程框图如图2所示.采用PLC作为设备主控制器，采集电压、电流、水温、pH值、电导率、水压、电磁阀开关等工作状态信息，并以水温、水压、电流值作为电渗析设备安全运行的重要监测指标.本研究开发了电渗析工艺自适性控制算法，可根据电渗析工作状态反馈信息自动输出控制信号完成电机水泵速度、电磁阀开关、电压源输出电压值的调节，并通过全球移动通信系统(GSM)网路模块把电渗析设备工作状态传输到云服务器.

图2 电渗析设备控制流程图Fig.2The control flow diagram of electrodialysis equipment

2 数据通讯与远程监测系统的设计

电渗析水处理数据管理与远程监测系统采用客户端/服务器(C/S)架构.服务器运行端口监听程序和数据库服务，用于监听和转存数据；客户端包括PC端程序和在手机上运行的微信小程序，用于电渗析系统状态的监测和历史运行数据的查询.

2.1 数据采集与上传

数据的采集通过PLC来完成，采集现场设备电渗析水处理过程中的数据(设备运行状态数据)，还有各项运行数据的检测(电压、电流、浓缩室pH值、淡化室pH值、浓缩室电导率以及淡化室电导率).现场收集到的数据通过ModBusRTU通讯协议发送到GSM模块.GSM模块将数据按GPRS方式发往云端服务器，云端服务器运行端口监听程序接收GSM传输的监控信息，并将信息归类处理后填充到MySQL数据库中存储，数据通讯过程如图3所示.

图3 电渗析设备控制系统数据通讯示意图Fig.3Data communication diagram of electrodialysis equipment control system

2.2 服务器层数据传输

本套系统的数据载体放置于云端，PC端以及移动端的搭建依赖于服务端，服务端由云数据库以及云服务器组成，此为服务层以及数据管理层.表示层的数据来自于与服务层以及数据层进行数据交互产生的数据.表示层与应用层数据是交互式的，表示层向应用层发送请求时，应用层接收到请求后，根据请求向数据层发送基于超文本预处理器(PHP)语句的指令，再用结构化查询语言(SQL)对数据库进行操作.数据层返回的数据通过应用层传输回用户层，此为一个数据传输流程.通过超文本传输安全协议(HTTPS)访问的过程安全性高，便于系统的维护，数据管理以及远程监测系统具有良好的兼容性，方便用户进行数据查询，系统的整体数据流图如图4所示.

2.3 用户端数据查询

用户端查询包括个人电脑(PC)端和手机端查询两种，其数据管理系统结构框架如图5所示.采用C#开发了PC端查询程序，具备数据读取与查询、系统运动状态监测、报表生成、数据导出等功能.PC端程序主要是面向维修及管理人员，便于进行运行状态的监测、变化趋势的跟踪、控制技术的研究.微信小程序主要是面向普通用户进行数据的远程与实时查询，具有数据交互查询、数据图表绘制、用户界面(UI)设计以及异常报警等功能.手机端程序的开发方便了运行数据实时监测与查询，有助于快速掌握电渗析设备的运行故障信息，极大提高了设备运行的安全性.

3 系统测试与验证

在云服务器端对电渗析系统进行监控和历史数据查询，需要通过管理员账户登陆MySQL服务器账号直接访问数据库，打开端口监听程序中设定的数据表，就可以查询到电渗析设备控制系统的运行数据，如图6所示，数据库中按时间顺序记录了电渗析设备运行时的电压值、电流值、系统运行的功率、系统目前时间的耗电总量、电渗析膜堆中淡水室的电导率和pH值.这里的数据是PC端和手机微信小程序访问的数据源，如果对此数据库信息进行修改，PC端和微信小程序访问到的数据也随之修改，因此云服务器端的访问只对开发人员开放.

图4 电渗析设备控制系统的数据流图Fig.4Data flow of electrodialysis equipment control system

图5 数据管理系统总体架构图Fig.5Overall architecture for data management system

图6 电渗析设备控制系统云数据库信息Fig.6Cloud database information of electrodialysis euipment control system

在PC端对电渗析系统进行监控和历史数据查询是通过C#编程语言写的窗体小程序实现的，程序通过文本框(TextBox)控件获得需要查询的电渗析设备运行数据所在的数据库名称和登陆密码，然后通过C#编程语言提供的访问数据库方法对云端数据库进行访问，如图7所示.除此之外，程序还提供了电渗析设备控制系统特定时间段运行的数据查询功能，可以分别对温度、pH值、电导率、电压和电流的数据趋势进行观察.数据可以Excel表格的格式导出保存.

图7 电渗析系统电脑端程序Fig.7Computer program of electrodialysis system

在手机端对电渗析系统进行监控和历史数据查询需要登陆微信小程序，注册个人信息后方可进入图8(a)所示的导航界面，小程序的主要功能包括数据查询和报警信息查询.如图8(b)所示的就是报警信息页面，在该页面可以设置电渗析设备工作的电压和电流的极限值，电压或电流一旦超过极限值就会生成报警信息，工作人员可以查看报警信息来确定设备的运行状态并排查电渗析设备的故障.图8(c)所示为数据查询功能页面，在该页面一方面可以实时观测电渗析设备的运行状态，查看电渗析设备近期的运行历史数据，运行状态趋势图如图8(d)所示.手机微信小程序端主要是为工作人员提供一个便利实时的数据观测，从而及时了解设备运行状态.

通过实验验证，系统实现电渗析系统运行数据的检测、远程传输、云数据保存、端口查询等功能，可满足小型电渗析设备分布式应用的发展需求.

4 结 论

针对小型电渗析设备远程监测和数据管理的发展需求，完成数据通讯和远程监测系统设计.构建PLC电渗析设备自动控制系统，实现运行状态的实时检测与数据上传；构建了服务器层云数据传输系统，实现运行数据的远程保存与管理；基于云数据库管理系统，分别面向专业维修管理和普通用户开发了PC端和手机端两种查询程序，实现了大数据的分析、保存、查询及异常数据报警.远程监测数据管理与系统的开发，有助于加深小型电渗析设备控制技术的研究，为分布式海水淡化设备推广应用提供基础.

图8 电渗析系统微信小程序Fig.8Wechat program of electrodialysis system