摘要：結(jié)合某污水處理廠的排放廢水中的如TOC、COD、氨氮含量、PH值等參數(shù)的測量系統(tǒng)的運行系統(tǒng)，介紹嵌入式控制器與在線檢測以儀表在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用情況，并分析總結(jié)了嵌入式控制器的簡單工作原理。
自動化控制器是自控系統(tǒng)中關(guān)鍵的子系統(tǒng)之一。一般的控制器主要由三大部分組成：①中央處理單元，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和邏輯控制，并負(fù)責(zé)現(xiàn)場通訊和數(shù)據(jù)傳輸?shù)取＂谳斎胼敵龆丝冢?fù)責(zé)與現(xiàn)場儀表連線，采集數(shù)據(jù)。③人機交互界面，負(fù)責(zé)現(xiàn)場畫面組態(tài)和數(shù)據(jù)顯示，并負(fù)責(zé)現(xiàn)場控制的輸入。由于近來上位機組態(tài)技術(shù)比較成熟，現(xiàn)場人機交互有的地方不用。嵌入式控制器內(nèi)置實時多任務(wù)操作系統(tǒng)(Real Time multi-tasking Operation System, RTOS)，是將嵌入式微處理器、嵌入式微控制器的一種或幾種配以周邊元件集成于一體，并在其上實現(xiàn)控制、通訊、監(jiān)控、交互等功能的對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的控制器，且具有編程簡單的優(yōu)點，所以近來在自動化控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動化監(jiān)測技術(shù)也得到了很大的發(fā)展，控制器在環(huán)境檢測方面也得到了廣泛的應(yīng)用，使水監(jiān)測工作中節(jié)省了大量的人力和物力，更重要的是可以及時反映很遠(yuǎn)的現(xiàn)場的工況。本文將以吉林省某污水處理廠的排放廢水的水質(zhì)監(jiān)測工程為例說明嵌入式控制器在水監(jiān)測項目中的應(yīng)用。
1. 工程概述
吉林省某污水處理廠工程其設(shè)計一級污水處理能力20萬m3/d，二級污水處理能力10萬m3/d。設(shè)計服務(wù)范圍30.5km2，規(guī)劃服務(wù)人口35萬。
經(jīng)過污水處理廠凈化后的清潔水，一部分直接排入小河，一部分用于農(nóng)田灌溉，改善周圍的水污染問題。
2. 處理工藝
污水處理廠全套引進國外最先進的水處理工藝設(shè)備，采用二級生物處理工藝的傳統(tǒng)活性污泥法，并針對地方污水水質(zhì)污染物濃度低的特點，在其核心部分－曝氣的工藝中采用OOC工藝。該工藝具有能耗低、運行費用少、出水水質(zhì)好、管理簡便、運行穩(wěn)定等優(yōu)點。
從廠外污水干管收集到的污水經(jīng)過粗格柵、泵房、細(xì)格柵、曝氣沉砂、初沉池、曝氣池等一系列的處理后，匯入二沉池進行泥水分離，上層澄清液作為凈化后的清潔排放水。水監(jiān)測系統(tǒng)用抽水泵進行水質(zhì)采樣，流經(jīng)TOC、COD、氨氮檢測儀等儀器后，又返回水池中。檢測儀器經(jīng)過內(nèi)部的分析，得到被測試水樣的各個指標(biāo)，然后經(jīng)過變送電路轉(zhuǎn)換成為4～20mA的電信號，以方便現(xiàn)場控制器的采集。由控制器把采集到的各個電信號經(jīng)過內(nèi)部的轉(zhuǎn)換，得到各個指標(biāo)的真實值，并通過各種通訊方式（例如GPRS、寬帶、PTSN等）送到監(jiān)控中心，環(huán)保部門可以實時的監(jiān)測出城市水系中的水質(zhì)污染的變化。
現(xiàn)場檢測系統(tǒng)除了信號采集外，還通過控制器控制三個電磁閥門和水泵以及現(xiàn)場檢測儀器的開關(guān)實現(xiàn)內(nèi)洗、外洗、檢測功能切換。當(dāng)系統(tǒng)檢測時，控制器發(fā)信號讓泵啟動采集水樣，同時啟動現(xiàn)場儀器分析水樣。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)洗時，控制器關(guān)閉檢測閥門，開動內(nèi)洗閥門，讓軟化水進入內(nèi)部管道，清洗儀器。當(dāng)系統(tǒng)外洗時，控制器關(guān)閉內(nèi)洗閥門，讓軟化水進入外部管道，清洗水泵。
此外，為了方便現(xiàn)場的操作，在本地還設(shè)置了現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)，通過HMI模塊或者觸摸屏與控制器的通訊口（RS485或者RJ45）連接，實現(xiàn)了本地控制。
控制工藝圖如圖所示。
3. 主要設(shè)備介紹
3.1 現(xiàn)場檢測儀器
TOC監(jiān)測儀
COD監(jiān)測儀
氨氮監(jiān)測儀
ph值、電導(dǎo)、溶解氧、濁度、水溫指標(biāo)監(jiān)測儀
3.2 現(xiàn)場控制器
控制器采用北京碩人時代科技有限公司的STEC系類嵌入式控制器，此控制器基于motorola32位高速CPU和嵌入式實時Linux操作系統(tǒng)，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場采集、控制、通訊、現(xiàn)場監(jiān)控等功能。嵌入式控制由主模塊、擴展數(shù)字輸入輸出模塊、擴展模擬輸入輸出模塊構(gòu)成，最多支持96點現(xiàn)場信號采集與控制。
主模塊內(nèi)嵌Linux實時操作系統(tǒng)，并支持TCP/IP、PPP、TELNET等通訊協(xié)議，支持Profibus、Modbus等現(xiàn)場總線，并提供可視化的組態(tài)環(huán)境SRDev2.0，編程方便。模擬輸入采用8路差分輸入，可以采集現(xiàn)場4～20mA或者0～10V的電信號，并能有效的抑制共模干擾。
嵌入式控制器還提供多種通訊方式，由于我國各地實際情況不同，特別對比較長的流域進行水質(zhì)檢測時，用戶可根據(jù)各地不同的情況選用ADSL、電話撥號、GPRS等通訊方式將現(xiàn)場數(shù)據(jù)和現(xiàn)場異常報警信號傳送到監(jiān)控中心，并通過中央監(jiān)控集中對數(shù)據(jù)進行對比分析等。
現(xiàn)場監(jiān)控軟件采用昆侖通態(tài)的MCGS或者組態(tài)王，軟件組態(tài)簡單，控件全面，方便現(xiàn)場的使用。控制器通過RJ45口與工控機通訊，可以快速的讀取控制器中對應(yīng)通道的數(shù)值，并且可以根據(jù)需要保存歷史數(shù)據(jù)。
實例畫面如圖所示。
污水經(jīng)過處理后，各項指標(biāo)的獲得無需人為干擾，實現(xiàn)了完全無人職守，節(jié)約了人力開銷，降低了運行成本，提高了經(jīng)濟效益。
4. 運行管理體會
在運行過程中，為了保證自動化檢測儀表正常運行，需要定期的維護。
（1） 保持檢測儀器的的清潔，出了控制內(nèi)洗外洗的時間外，還要經(jīng)常更換標(biāo)準(zhǔn)樣液，以保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
（2） 定期的校正各種儀器。儀器在長期運行過程中難免會產(chǎn)生測量誤差，這就需要定期校正，以保證儀表測量的準(zhǔn)確性，對分析儀器我們制訂了每月定期校合1次。
（3） 保證現(xiàn)場儀器的工作環(huán)境穩(wěn)定。現(xiàn)場一般都安裝空調(diào)，保證室溫幾乎恒定，測試結(jié)果才夠準(zhǔn)確；瞬間的高電壓沖擊往往使儀器異常，對現(xiàn)場進行防雷處理和現(xiàn)場儀器等電位處理防止雷電或者高壓靜電造成設(shè)備損壞。
總體來講，采用嵌入式控制器實現(xiàn)水處理站的無人職守，大大促進了環(huán)保事業(yè)的發(fā)展。
附錄：嵌入式控制器性能一覽表
CPU：motorola 32位
主頻：66MHz
存儲：32M RAM 16M flash 32M disk on chip（電子硬盤）
操作系統(tǒng)：嵌入式LINUX
檢測電路：AI，DI，AO，DO
輸入信號：0～20mA 4～20mA
0～5V 0～10V
無源開關(guān)量輸入
0~10KHz脈沖輸入
輸出信號：4～20mA 0～10V
繼電器輸出
A/D D/A：16位
使用溫度：－20～70℃
儲存溫度：－40～80℃
通訊接口：以太網(wǎng)，RS485，RS232，電話（內(nèi)置modem，可選）
通訊方式：ADSL，電話PSTN，GPRS，無線電臺，專用雙絞線
顯示方式：5寸LCD圖形彩色顯示器
操作方式：遠(yuǎn)程操作，現(xiàn)場人機交互
供電電源：＋5V，＋12VDC，±12V
編程組態(tài)軟件：
SRDEV組態(tài)軟件
SRDEV離線仿真環(huán)境
實時腳本編輯器
非實時腳本編輯器
