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基于嵌入式结构的二次纤维造纸废水监控系统 |
| 摘 要：系统基于嵌入式组态软件开发设计，实现了二次纤维污水处理信号的采集、处理和实时监控，并可完成报表生成及打印等功能。系统集控制技术、数据库技术、计算机图形接口技术于一体，实现了系统的动态显示、历史数据查询、数据记录，并提供友好的人机界面、可靠性高、可维护性强。 关键词：嵌入式;Win CE;实时监控;人机界面;数据采集 WinCE.net为快速建立下一代智能嵌入式设备提供了一个健壮的实时操作系统，它的实时响应能力、良好的通信能力、出色的图形用户界面及提供的丰富的应用程序接口使得它在工业控制领域得到了越来越多的应用[1][2]。虽然当前嵌入式系统的发展如火如荼，但是在污水处理领域，嵌入式系统尤其是嵌入式实时操作系统的应用却并不多见，现有资料中也很难找到相关报道。我国目前已加大力度实现对造纸废水的达标排放,并已初见成效。但是仍然需要实现对废水排放及处理过程的在线监控,一方面保证环保部门对生产厂家的监管,另一方面可为废水处理过程的自动控制提供条件,从而实现对排放的一致达标,进一步降低运行成本[3][4]。在工控领域，嵌入式系统以其可靠性高，体积小和成本低而成为极具潜力的发展方向，但是针对嵌入式监控系统的组态软件的发展则相对滞后[5][6]。 由于污水处理的特殊性，对计算机也有特殊要求：①对软硬件的设计要量体裁衣，既要充分满足污水处理各环节控制过程的需要，又要减少不必要的配置，以降低功耗、减小软硬件开销;②由于污水的水质时刻在发生变化，故要求计算机控制系统具有较好的实时性，能使污水处理的响应时间尽量短，与水质的变化相适应;③污水处理过程中同时要处理的功能（或任务）较多，因此要求计算机控制系统采用一种多任务的处理机制，能在保证系统实时性的前提下，使各任务按照各自的轻重缓急协调运行。各任务既要保持一定的独立性，不受其它任务所影响，又要能实现任务间的通信，以实现信息的共享和交互;④要求计算机具有较好的可靠性，能经受工业现场的强干扰和强噪声[7]。 基于以上要求，系统需要的计算机系统应该是一台专用于污水处理的计算机系统，它具有嵌入式的系统结构，其软硬件应根据污水处理的具体要求而配置和裁剪，其软硬件功能也应针对污水处理的特殊要求而设置，正是由于该系统具有较强的针对性和专用性，鉴于此现状，本文对基于Windows CE.NET操作系统的嵌入式组态软件的开发进行了进一步探讨，并将该软件应用于废纸造纸废水处理控制系统中。 1 系统设计 1.1系统主要硬件 1.1.1上位机 上位机是系统的核心部分。它具有对下位机的监管、数据采集处理、发布启动关机命令、修改控制参数、记录、显示设备运行状态、故障报警、冗余及通讯等功能。其数据可存入硬盘,设计保存期,以供随时调用[8]。 传统的控制系统硬件平台由工控PC机、PLC及相关的传感设备组成，其缺点是：系统庞大连接复杂，抗干扰能力较差，不适合在恶劣的环境下使用，并且由于工控PC机采用了普通的操作系统，实时响应较差，控制滞后严重，甚至由于操作系统的不稳定而使得整个控制系统完全崩溃[9];而采用嵌入式的系统结构，可较为快捷地开发出专用于污水处理的计算机控制系统，该系统可以高度集成各种功能于一身，只需连接较少的外部传感设备就可以实现系统的在线检测及控制。 1.1.2下位机 下位机是实现系统功能的关键,其主要的功能是接受上位机设置的参数或命令,实现对本现场的实时数据采集、实时判断决策及实时控制,并将现场状态传送给上位机。本设计采用S7-200, 它在直接实现开关量控制的同时,还可通过A/D转换器采集现场测定仪表（由传感器和变送器共同组成）输入的 4——-20mA 标准信号,经 A/D 转换后,然后输出信号,以控制各相应的执行设备（如变频器+电机、调节阀等）[10][11]。通过STEP7，用户可以进行系统配置和程序的编写、调试、完成PLC硬件组态、控制PLC的运行状态和I/O通道的状态等。通常用户程序由组织块（OB）、功能块（FB、FC）和数据块（DB）构成。其中OB用于控制程序的运行，是下位机软件系统的总控模块，FB、FC是用户子程序，DB是用于存取数据的存储区[12]。 当程序启动的时候，嵌入式设备的LCD显示器上出现图1所示的启动界面。该界面包括5个子界面，它们分别是：废水处理示意图、数据列表、采集量定义、历史数据查询、实时趋势图。  图1启动画面 1.2系统软件 组态软件包括必要的初始化采集程序,用于工程师站的组态程序以及操作员站的运行程序,它们都是独立的可执行文件,相互间通过实时数据库系统交互通信。初始化过程要设置、采用PC机的相关设备,初始化完成后就能定时接收现场控制站采集的数据,系统组态需要针对不同的应用领域先离线进行,投入运行后也能根据现场控制站情况在线组态。 与通用组态软件一样，用户在嵌入式组态软件开发环境下组成一个应用系统。需要完成的工作包括生成监控画面、定义各个需要监控的变量属性、设置软硬件通讯的参数等，并据此自动生成一些数据文件。之后进入调试阶段，通过串口或者是TCP/IP协议将应用系统程序从开发机下载到目标机上运行。生成和调试过程可以反复进行直至应用系统程序满足用户需求。最后，把系统运行程序和应用系统程序存储到目标机的电子硬盘（或Compact Flash卡）中投入实时运行[14]。该组态软件具有如下功能如图3： 2 软件运行画面分析 本文搭建了一个造纸废水自动处理系统,嵌入式设备加上通过对系统出口水质的在线监测,实时调整加药量。在实验室条件下对造纸废水进行了软件试验。实验使用的废水取自广东某造纸厂，废水（原水）COD值为500～1500 mg/l，实验所使用的絮凝剂浓度为5‰，助凝剂浓度为1‰。将组态好的工程下载到监控系统的嵌入式设备上运行，所取得的实验数据全部保存在数据库中。实验中有4个主要的变量，它们分别是：原水COD值、进水流量、加药流量（包括絮凝剂流量和助凝剂流量）和出水COD值,如表1中，同时数据显示在嵌入式组态软件的界面实时趋势图3中：  图3 软件功能模块 表1 2006年9月运行情况   图4 2006年9月实时趋势图 用户有时候并不想查看所有的历史数据，如果用户只关心最近几天或者一个周的生产情况时就要借助于“历史数据查询”功能。如图5界面所示。 在图5的界面中有一个数据表显示控件和“查询定义”和 “开始查询”两个按钮。点击“查询定义”这个按钮，就会弹出一个对话框，在其中定义需要查询的时间间隔，程序就自动生成一条查询SQL语句，然后点击图5里的“开始查询“按钮，执行这条SQL语句从数据库中得到所需的结果，并且把结果显示在图6所示界面的数据表显示控件中。  图5 历史数据查询画面  图6 数据列表界面 3 结语 经实际运行，所开发的监控软件平台运转稳定，使用情况良好，得到了用户的肯定。开发的基于.net 的废水处理嵌入式监控系统软件，该开发软件完成了人机画面、嵌入式数据库模块，可与用户信息交互，完成实验数据存储显示。WinCE.net的实时响应能力、良好的通信能力、出色的图形用户界面及提供的丰富的应用程序接口使得该监控软件运行出色。自动化控制在污水处理中的应用可以安全可靠地实现各种复杂的工艺流程,减少人为因素带来的可能事故和隐患及误差等,保证污水处理效果;同时可减轻劳动强度,提高劳动效率和效益;使污水厂的资源最优组合,有效节约能源;使污水厂生产运行及管理发生质的变化,部门职能发生转变,削减冗余部门及人员,部门优化重组,实现减员增效。 |