基于工业物联网的造纸废水控制系统升级改造

朱万浩，章盼梅，孔令棚

(1.广州城市理工学院电气工程学院，广东广州 510800；2.广州城市理工学院机械工程学院，广东广州 510800)

0 引言

造纸过程中产生大量的废水，给水环境带来污染。近年来，随着经济的快速发展，造纸厂加快新建或扩建厂区，加大造纸产能的同时废水也快速增长，原有的自动化系统不满足当前废水处理的需要[1-2]。因此，为了提高排放水质指标和废水处理自动化程度，各造纸厂对废水处理工艺和控制系统进行升级改造。

控制系统是造纸废水处理的重要组成部分，系统性能直接影响排放的水质。目前，已有学者对造纸废水处理控制系统进行了相关研究，以寻求更高可靠性、更高稳定性的控制系统。文献[3]根据造纸行业废水排放的特点，采用单片机、传感器、数据库、管理软件等技术，设计了一套造纸企业废水监测和预警系统。该系统能实现对造纸废水的自动监视、控制和报警等功能。文献[4]采用S7-400型号PLC和上位机WinCC监控软件，设计了一套造纸废水处理监控系统。文中详细介绍了硬件和软件的设计过程，最后对系统进行试运行测试。文献[5]以辉发公司纸厂为例，对其废水处理控制系统进行升级改造设计。文中首先介绍了改造前废水厂的现状，然后详细分析了造纸废水处理的工艺、控制系统等改造措施，最后进行改造后的效益、成本分析。文献[6]针对当前工业废水存在排放量大、控制系统稳定性差的难题，设计了一套废水处理监控系统。该系统采用单片机、仪表分析仪、无线传输等技术，实现了工业废水的在线监控。虽然以上提到的控制系统一定程度上能解决当前废水处理的难题，有助于造纸废水处理的前期发展，但它们只能本地监控，不能实现远程监控，无法满足当前废水处理系统的需求。

随着传感器、监控软件、控制器的不断发展，工业物联网等技术越来越成熟、稳定。因此，针对当前造纸废水控制系统自动化程度低、不能远程监控的难题，本文采用工业物联网技术设计了一套造纸废水远程监控系统，对原废水控制系统进行升级改造。

1 工程概况

广东某造纸厂成立于2004年，占地面积约50 hm2，主要生产卡纸和瓦楞纸。造纸厂在建设的同时，配套建设了废水处理厂，废水处理规模为1×104t/d。

1.1 造纸废水处理工艺流程及水质指标

根据造纸工艺的不同，造纸过程中产生的废水分为3类：第一类为红液或黑液，通过浓缩将红液制成胶黏剂，通过碱回收法对进行黑液回收；第二类为白水，采用气浮法对白水进行分离，分离后的清水进入清水池回收，短纤维进入浆池二次利用；第三类为中段废水，它含有大量的污染物，需先经造纸厂配套的废水处理厂进行处理，水质合格后才能排放到河流。上述的前两类废水均可通过工艺处理方法进行回收，只有中段废水需进入废水处理厂进行处理，造纸厂中段废水处理工艺流程如图1所示。

图1 造纸厂中段废水处理工艺流程

根据最新国家标准，废水处理厂进水水质标准为：化学需氧量(COD) ≤800 mg/L，生化需氧量(BOD)≤400 mg/L，固体悬浮物浓度(SS)≤400 mg/L，氢离子浓度(pH)≤8。出水水质标准为：COD≤350 mg/L，BOD≤100 mg/L，SS≤100 mg/L，6≤ pH ≤7。进出水水质指标见表1。

表1 进出水水质指标

1.2 原控制系统总体架构

造纸废水原控制系统下位机采用S7-300 PLC为中央控制器，它包含CPU、数字量/模拟量模块、通信模块等。上位机采用组态王二次开发监控软件，它与PLC建立通信后，可实时监控废水处理设备的运行情况。监控现场由液位计、流量计等仪表和鼓风机、废水泵等机电设备组成，它们通过接收来自PLC控制器发送过来的命令进行工作。中央监控室配置监控主机1台、喷墨打印机1台、投影仪1台，监控主机主要负责监控厂内设备的运行情况。现场设备通讯采用Profibus通信协议，实现软硬件数据的交换。原控制系统只能本地监控造纸废水处理厂的运行状态，不能实现远程监控，原系统总体架构如图2所示。

图2 原控制系统总体架构

1.3 存在问题

近年来，随着造纸厂业务不断扩大，产能不断增加，造纸过程中产生的废水越来越多。因此，原废水处理厂面临如下问题：

(1)原控制系统只能本地监控，工作人员不能远程监控厂内设备的运行情况。

(2)随着废水的日益增多，原控制系统不能满足处理需求。因此，在工艺方面需增加进水泵房、沉砂池、二沉池、污泥池等工艺建筑物；在设备方面需增加筛网机、废水泵、污泥泵、脱泥机等设备。

2 控制系统改造

为了解决原控制系统自动化程度低、不能远程监控的难题，本文采用工业物联网对造纸废水原控制系统进行升级改造。改造后的系统上位机采用微信小程序二次开发监控软件，下位机采用STM32控制器开发控制程序，通讯网络采用工业光纤环网，同时结合腾讯云平台技术，实现对造纸废水厂的远程监控。

为了更好处理造纸废水，提高出水水质，把改造后的系统设计为3个控制子站：1号控制子站监控进水系统，2号控制子站监控反应系统，3号控制子站监控出水系统。同时，把废水监控系统分为应用层、中间层、现场层。应用层由本地服务器、腾讯云服务器、微信小程序监控软件、平板电脑、笔记本等组成，它们主要负责实时显示废水处理厂的运行状态；中间层由网络模块、STM32控制器、数字量控制模块、模拟量采集模块组成，它们主要负责控制现场机电设备和采集仪表的测量现场数据，然后经程序处理后再控制设备的运行；现场层由筛网机、废水泵、污泥泵、液位计、流量计等组成，它们主要负责现场参数采集和执行控制器发送的命令，改造后系统总体架构如图3所示。

图3 改造后控制系统总体架构

2.1 硬件系统改造

传统的废水处理厂采用PLC作为中央控制器，但PLC性价比低，且难与物联网远程监控软件通信。随着嵌入式技术的发展，STM32控制器的功能越来越强大，有学者研究STM32在工业控制领域的应用，例如：文献[7]为解决工业自动化领域数据传输速度慢、效率低的问题，提出采用STM32实现工业以太网数据采集的解决方案；文献[8]针对工业以太网设备传输距离短的难题，提出采用STM32作为核心控制器，实现了光纤设备的长距离传输；文献[9]针对风电塔自动化程度低的问题，利用STM32控制器设计了一套爬行控制系统。鉴于STM32广泛应用于工业控制领域，稳定性好，性价比高，因此本工程控制器采用STM32控制器。

2.1.1 模拟量采集模块改造

由于控制器的CPU不能直接处理模拟量信号，需把它转换为数字信号才能处理，因此，需用模数转换模块把模拟信号转换为数字信号后，再发送给CPU进行处理。STM32控制器自带12路A/D通道，可处理12路的模拟量。但考虑到系统监控的设备数量多，利用STM32自带的模数转换接口数量远远不够。因此，本工程采用独立的模数转换模块。系统采用外置独立的模数转换模块优点在于当模块损坏时，只需更换外置独立的模数转换模块，从而提高了系统的稳定性和兼容性。模数转换模块电路设计采用74HC595信号芯片，SER为串行数据接入引脚，OE为使能控制端，Q1～Q7为数据输入端，Q8为数据输出端，设计2个74HC595级联相接，如图4所示。

图4 模数转换模块电路图

2.1.2 数字量监控模块改造

造纸废水处理厂有大量的设备需要监控(废水泵、筛网机、鼓风机、污泥泵等)，厂内监控的数字量输入/输出点数1 000个以上，原控制系统的数字量接口远远不够。改造后的系统采用STM32控制器，它和继电器配合工作，可远程控制机电设备的运行。继电器广泛应用于电气设备控制场合。工作时，控制器发送一个低电平给继电器低压线圈，线圈得电，设备启动运行；当给继电器控制模块高电平时，线圈失电，设备停止运行。数字量模块的IN端口接收来自STM32 IO口的高低电平，VCC接高电平。继电器K并联1个二极管，防止电源断开的瞬间产生过大的反向电势，造成继电器损坏。Q1为9013型号三极管，通过STM32输入端口的高低电平，开启或关闭三极管，从而使继电器动作，继电器工作原理如图5所示。

图5 继电器控制电路图

2.1.3 网络模块改造

为提高造纸废水远程监控系统通信的可靠性，改造后网络模块由以太网模块和WiFi模块组成。系统运行时，只设定一个模块工作，另一个模块备用。当系统出现通信故障时，备用的网络模块立即进入到工作模式。网络通讯模块选用ENC28J60，它具有通用的RJ45端口，方便与电脑等设备连接。同时，网络模块可直接搭载在硬件电路板上，提高了系统的集成度。网络组网时，设置模块IP：192.168.1.X，调试主机的IP地址网段和网络模块网段应保持一致，否则通信不成功。网络模块工作时，STM32控制器采集仪表和现场执行元件的信号，经过程序处理后通过以太网或WiFi模块，发送给本地服务器和云服务器。2个服务器同时工作，数据相互备份，防止服务器损坏导致数据丢失。最后，微信小程序和云平台连接，实现数据的通信。在监控系统运行时，信息的流向是双向的，系统既发送信息也接收信息，网络模块数据信息流如图6所示。

图6 网络模块数据信息流

2.2 软件系统改造

传统的造纸废水控制系统上位机采用组态软件二次开发，常用的上位机监控软件有WinCC、Factory Talk、KingView等，传统的组态软件较好支撑了早期造纸废水控制系统的发展，但它们只能本地监控。随着物联网的兴起，计算机软件的快速发展，出现了APP、微信订阅号、微信小程序等监控平台。微信小程序依托于微信平台，通过微信小程序二次开发监控系统，能快速实现设备的远程监控。

随着微信小程序技术的不断成熟，目前已有学者研究微信小程序在工业方面的应用。文献[10]为了实现工业自动化现场的远程监控，在传统的PLC控制系统基础上，通过增加微信小程序实现了工业设备的远程监控；文献[11]为了解决当前水资源监控、用水预测的难题，利用微信小程序设计了一套远程监控系统；文献[12]针对我国农作物灌溉分布范围广、监测点数量多、自动化程度低的难题，设计了一套微信小程序的远程灌溉系统；文献[13]针对当前停车难、停车场利用率低等难题，利用微信小程序开发一套停车场实时监控系统，用户只要登录微信小程序，即可快捷方便找到停车位置。因此，针对当前造纸废水无法远程监控的难题，本工程采用微信小程序二次开发监控软件。

2.2.1 软件系统总体架构

造纸废水远程监控系统分为进水子系统、反应子系统、出水子系统和数据中心，如图7所示。

图7 软件系统总体架构图

2.2.2 数据采集程序开发

利用微信小程序开发监控系统时，数据采集主要是用传感器采集现场环境参数。如通过超声波液位计采集废水池的液位数据，把采集的数据发送到控制器中。设计微信小程序采集程序时，首先用传感器采集现场环境的信号，如果采集成功，则把现场参数转换为电信号发送给STM32控制器；如果采集不成功，则返回重新采集。STM32控制器根据设定的程序处理传感器发送的信号，然后通过WiFi模块或以太网模块发送给服务器。网络模块工作时，只设定其中一个模块工作，另一个模块热启动备用。最后，微信小程序与服务器建立连接，实现数据的采集。数据采集流程如图8所示。

图8 数据采集流程图

2.2.3 设备控制程序开发

在造纸废水远程监控系统运行时，系统根据预先设定的程序判定是否需要控制设备。例如：当废水泵、污泥泵温度过高时，系统判定后发送命令控制继电器动作，保护设备不受损坏；当进水的流量过大时，电磁流量计发送命令给中央控制器，经程序判定后控制启闭机工作。微信小程序运行时，首先监控界面发出控制命令，然后通过服务器和网络模块，把命令发送给STM32控制器，最后STM32控制器根据设定程序，自动判定需要控制的继电器，从而控制机电设备的启动或关闭，微信小程序设备控制程序如图9所示。

图9 设备控制流程图

3 系统测试

软硬件系统设计完成后，在实验室搭建实验平台，进行系统测试。系统测试分为功能性测试和性能测试，功能性测试在实验室进行，主要检测软件各控制按钮是否正常、监控界面是否能实时采集现场数据；性能测试在造纸厂试运行期间进行，主要检测监控软件的响应速度和性能优缺点。

3.1 功能性测试

功能性测试是测试监控软件的各项功能是否正常。测试时，首先通过手机微信的扫一扫功能，识别管理员分享的二维码，进入监控主系统。通过主系统可跳转到进水系统、反应系统、出水系统。点击“上一页”或“下一页”，系统跳转到不同的设备监控界面，点击“启动”按钮，No.1废水泵进入运行模式。监控界面测试如图10所示。

图10 微信小程序监控界面测试

3.2 性能测试

系统功能测试通过后，在造纸废水处理厂内进行性能测试。测试前首先启动监控系统，然后进入废水处理厂试运行状态，连续试运行30 d。系统每天隔1 h会自动记录1次数据，记录试运行出水水质包括COD值、BOD值、SS值和pH值。通过对比改造前和改造后系统的出水水质指标，证明改造后的系统性能优于改造前系统，处理后的水质质量更高，测试结果如图11所示。

图11 改造前与改造后水质指标对比图

4 结束语

本文采用工业物联网技术对造纸废水控制系统进行升级改造。文中详细对比了改造前和改造后的方案，设计了改造后的硬件和软件系统。

(1)上位机采用微信小程序二次开发监控软件，工作人员通过手机微信扫描二维码，即可远距离监控厂内设备的运行状态，实现了造纸废水处理的远程监控。

(2)下位机采用STM32控制器，它与网络模块、现场仪表、微信小程序等进行良好的通信，实现数据的快速传输。