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基于物联网技术的工业污染总量控制系统的研究.doc

基于物联网技术的工业污染总量控制系统的研究   摘 要:针对国家节能减排以及对工业污水排放的监测监控要求,利用物联网技术和现代远程监控技术设计了一种工业污染总量控制系统。该系统采用物联网技术进行远程通讯,以安装在环保部门的中心平台为核心,将现场总量控制器实时采集的工业污水流量以及化学需氧量、氨氮等多种监测因子的浓度转换成污染总量来刚性控制阀门的开关。与传统的单独流量控制相比,控制依据更合理,手段更先进。现场长时间运行表明,本系统采集误差小于1‰,通讯传输率达到99%以上,运行稳定可靠,并为环保物联网的建立奠定了基础。   关键词:物联网;工业污染;总量控制系统;远程通讯   中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:2095-1302(2016)11-00-03   0 引 言   《国家环境保护“十二五”规划》中,对化学需氧量(COD)、氨氮、二氧化硫、氮氧化物均提出了明确的减排指标。目前污染物总量控制以环境质量目标为基本依据,国家政府环保管理机构以行政手段对区域内各污染源的污染物或重点污染物的排放总量实施控制,而随着排放污染物的增加和不断变化,迫切需要通过工业信息化手段来解决污染物的总量控制。基于物联网技术的工业污染总量控制系统以工业级平板电脑为核心,配以AD、开关量、通讯等模块对污染物中各监测因子的浓度进行实时采集,并与采集到的实时流量一起计算,得到各监测因子的瞬时排放量,进而计算得到各监测因子的日、月、年的排放总量,为环保提供一种合理有效的监测监控依据,并利用物联网技术实现远程控制。   1 系统总体架构和工作原理   1.1 系统总体架构   本系统的总体架构如图1所示,主要由安装在环保部门的总量控制平台和安装在企业现场的总量控制装置两大部分组成,二者之间通过无线或有线网络链接。   总量控制平台分为前端通信程序、数据库、监控平台软件三大部分。前端通信软件主要实现总量控制平台和总量控制装置的对接,并将数据进行解析保存在数据库里,便于监控平台软件进一步处理并呈现。同时用户通过监控平台软件下发的控制命令,亦通过前端通讯程序下发给总量控制装置。   总量控制装置由总量控制器、数据采集控制器组成,数据采集控制器主要采集一次仪表的模拟量输出信号,计算得到相应因子的实时数据,并通过RS 232接口与总量控制器通讯,总量控制器亦可通过RS 232/485接口与一次仪表直接通讯以获取各类因子的实时数据,然后对数据进行汇总、存储后,以GPRS等无线方式或有线方式与总量控制平台进行数据交换。当接收到控制阀门命令时,通过数据采集控制器实现阀门控制。   图1 系统总体架构   1.2 物联网技术   物联网是指按约定协议,通过多种信息传感设备将物品与互联网相连接进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、监控和管理等的一种网络技术[1]。   GPRS技术等现代通讯技术的不断发展为物联网的建立奠定了坚实的网络基础。在本系统中,总量控制平台和总量控制装置之间的通讯采用GPRS、有线等多种通讯方式实现。现场数据采集控制器和总量控制器之间采用RS 232通讯,若距离远,亦可采用无线RS 232方式、ZigBee方式等物联网技术实现通讯。   1.3 总量计算   现场由相应的一次仪表实现对诸如COD、氨氮等工业污染因子的实时在线监测,通过将各监测因子的浓度和污水的流量进行乘积得到相应的总量。本系统以分钟为计算单位,计算方法见公式(1):   Di= Ci×Qi×10-6 (1)   式中,Di为第 i分钟污染物排放总量(kg/h);Ci为第i分钟污染物浓度值(mg/L);Qi为第i分钟废水排放量值(m3/h)。   本系统由总量控制平台设置相关污染物因子的月排放允许量来实现对排污的控制。   2 总量控制装置的设计   2.1 总量控制装置的总体设计   总量控制装置的总体结构如图2所示。总量控制器由工业级平板电脑、刷卡模块、无线通信模块、短信模块、数据采集控制器组成。   2.2 数据采集控制器   由于一次仪表有的是模拟量输出,有的是数字量输出,为了采集一次仪表的模拟量信号并实现阀门控制,及采集相关开关量信号的设备工况,故设计了具有AD采集和IO输入输出的数据采集控制器。   数据采集控制器以STM32F103RBT6为核心,该芯片是意法半导体(ST)公司出品的一款32位ARM微控制器[2],其内核是Cortex-M3,最高达72 MHz的工作频率,接口非常丰富,运算速度快,非常适合应用于计算和控制方面。   为了提高AD的采集精度,故使用精度高达24位的德州仪器(TI)高精度模数转换器ADS1256进行外扩,该芯片采样速率最高可达30 K/s,采用SPI方式与MCU通讯。

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