基于NB-IoT的海島海水淡化遠程監控系統

馮 濤，俞永江，尹立輝，王可寧，王金燕

(自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

目前，我國水資源嚴重匱乏，人均水資源占有量僅為全世界人均的25%。此外，受水資源時空分布不均勻的限制以及海島地形地貌的影響，全國占地面積超過500 m3的6500多個島嶼中，有70%以上存在可用水資源短缺的問題。而海水淡化作為解決海島水質型缺水的有效途徑目前已被廣泛應用。由于海島地處偏遠，缺乏專業操作人員對設備進行日常監控和定期維護[1-3]。傳統維護方式往往是設備故障出現后，再安排專業人員登島檢修，這對于偏僻的海島而言，不僅會在往返途中浪費大量時間，也會極大地增加人力和運維成本。因此，如何保證在無人值守的情況下島用海水淡化裝置能長期穩定運行就顯得尤為重要[4-6]。

通過借鑒國內外行業的發展經驗來看，目前諸如澳大利亞珀斯、西班牙阿利坎特等國外大型海水淡化廠都通過設立海水淡化遠程監測系統來加強對海水淡化生產過程的監管和干預[7-8]。國內在線監測技術廣泛應用于國內外如水利、環保、電力和海洋等多個領域，已建立了多個在線監測系統，但主要集中在地表水水質在線監測、在線污染源監測、海洋環境在線監測等領域，針對海水淡化尤其是邊遠海島海淡設備的運行監測及評估方面的研究則較為滯后，尚未得到廣泛應用。因此，開發符合我國島嶼應用環境的海水淡化遠程在線監控系統，對降低海水淡化運維成本、提高海水淡化集中化監管能力和推動海水淡化產業良性可持續發展都具有十分重要的意義[9-11]。

根據測控距離、數據傳輸量以及應用場合等幾方面的考慮，可選用不同的通信及組網方式，目前常用的數據通信方式按照特點以及應用場合劃分為表1所示的幾種。

表1 主流通信方式的優缺點對比及應用場合

通過對各種通信方式進行比較，并針對海島海水淡化項目普遍存在的特點，結合窄帶物聯網(即NB-IoT)自身優勢，本文設計開發了一套基于NB-IoT的海島海水淡化遠程監控系統，與傳統基于微波或光纖等模式的海水淡化遠程監控系統相比，其具備設備功耗低、信號覆蓋廣、建設成本低和信號存儲容量大的特點。

系統圍繞硬件設計和軟件開發兩方面進行研究，硬件設計主要包括遠程數據通信模塊的選型設計以及配套外圍電路設計；軟件開發方面主要從數據通信軟件、數據庫軟件以及上位監控軟件三部分進行闡述和開發。目前，該系統已完成研發并依托位于福建漳州古雷港的示范工程中試實驗裝置進行試驗，實現了海水淡化工程給/排水側參數、生產運行關鍵參數和能耗等系統參數的實時采集和監控[12-15]。

1 遠程監控系統總體設計方案

本文設計的基于NB-IOT模式的海島海水淡化遠程監控系統主要由現場設備層、現場監控層和遠程監控層3層架構組成，整體的系統拓撲圖如圖1所示。

圖1 海水淡化遠程監控系統網絡拓撲圖

現場設備層主要由海水淡化本體裝置與信號采集傳感兩部分組成，其中海水淡化裝置按照工藝模塊可劃分為取水、預處理、超濾、反滲透等單元；而在線傳感器的主要功能是將采集到的過程參數信號，如流量、溫度、壓力、pH、電導等參數，轉化為標準電流(4～20 mA)或電壓(1～5 V)信號傳輸至PLC系統中進行存儲和處理。

現場監控層則由PLC、上位監控單元和遠程數據通信單元3部分組成。一方面，PLC接收來自現場傳感器采集的壓力(膜組進水、膜組段間、膜組濃水、濃水排放等)、溫度(進水、化學清洗等)、流量(進水、濃水、產水等)、電導(膜組進水、產水等)、pH(膜組產水)等數據信號，并通過PLC程序段內部處理直接來自傳感器的信號，通過計算得到反滲透系統回收率、脫鹽率及噸水電耗等系統性能指標，最后通過以太網的傳輸方式將數據傳送至現場上位機終端予以顯示。其中系統回收率低于設計值10%或系統跨膜壓差較初始上升15%，則表明系統膜組件存在嚴重污堵，需要停機進行膜組更換或化學清洗。另一方面，PLC單元的主控制器CPU將現場采集的數據轉換為RS232/RS485格式存儲至數據傳輸終端DTU中。而后DTU通過NB-IoT將數據發送至云端并在遠程監控端通過信號接收器接收云端傳輸而來的數據。

遠程監控層主要包括數據接入路由器、數據服務器、服務器通信路由、防火墻、網關、數據中心和視頻監控中心。首先通過路由器將NB-IoT網絡引入，經路由器傳輸至監測中心服務器機組，而后數據監控中心的監控終端主機通過專門開發的數據通信軟件將存儲在服務器中的監測數據在監控終端予以顯示和分析。

2 遠程監控系統硬件設計

2.1 PLC系統的硬件設計

現場層級的PLC系統均采用西門子系列產品。設計遵循“集中管理、分散控制”的原則，負責采集工藝過程數據、設備運行狀態、自動調節生產數據、控制工藝設備運行，實現對整個工藝流程的集中管理和自動控制。根據工程規模以及監控點數對PLC型號進行選型，點位在100點以下的項目選用Smart200系列CPU；100點以上系統選用300，1200，1500等系列CPU。

本文依托的中試實驗裝置屬中小型，監控點數88 點，其中模擬量輸入(AI)26點，模擬量輸出(AO)4點，開關量輸入(DI)45點，開關量輸出(DO)13點。綜合考慮經濟性、適用性、可靠性及可擴展性，本系統采用了西門子S7-200Smart型號產品，該系列產品適用于中小型系統，具有較強的擴容性，此外還集成了獨立的以太網口，同時可滿足與遠程通信模塊(DTU)的TCP/IP通信協議，組態通信更加方便靈活。

2.2 遠程數據通信模塊的設計

數據通信模塊(DTU)是整個海水淡化遠程監控系統的主要組成部分，針對海島海水淡化試點分布廣泛、部分試點地處偏遠、能源供給不穩定和高鹽高濕等環境特點，本系統的遠程數據傳輸模塊開發以NB-IoT技術為核心，采用BC95系列產品做為系統射頻模組，其主要性能參數如表2所示。

表2 NB-IoT BC95系列產品性能參數表

采用這種方式的主要優勢有以下幾點。

① 覆蓋范圍廣：同頻段下，NB-IoT比現有網絡增益約20 dB，相當于提升百倍左右的網絡覆蓋能力，可實現對邊遠海島地區的信號覆蓋。

② 低功耗：終端的遠程通信模塊待機時間長達10年。

③ 兼容性強：模塊內部支持TCP、UDP、IPv4和CoAP等多種網絡服務協議。

2.3 DTU硬件電路設計

2.3.1 供電電路設計

供電電路設計是否合理對DTU模塊能否穩定運行至關重要。本設計中要求VBAT輸入電壓在3.1～4.2 V范圍內，典型值為3.6 V。此外，設計過程中還考慮到VBAT 的印制電路板(PCB)布線應盡量短且寬，以降低 VBAT 運行過程中產生的等效阻抗，確保在最大輸出功率下供電側不會產生過大的電壓降。除此之外，設計同時考慮通過UPS電池作為備用電源進行供電，保證遠程傳輸模塊持續穩定運行。供電電路設計如圖2所示。

圖2 DTU模塊供電電路圖

2.3.2 通信串口電路設計

這部分的電路設計，主要是為了實現對PLC系統的中央處理器(CPU)數據進行采集。針對不同海島試點CPU選型的不同，設計的串口通信電路分別兼容RS232和RS485兩種串口數據上傳。系統支持的通信波特率分別為9600和19200。圖3以RS232串口電路設計為例進行說明。

圖3 DTU模塊RS232串口通信電路圖

3 遠程監控系統軟件開發

3.1 軟件需求分析

通過前面的硬件選型、設計和組網完成了對海島海水淡化裝置的數據采集并將其傳輸至遠程監控層的服務器。因此，接下來的工作需要在監控終端建立SQL數據庫，并利用自主開發的數據通信軟件將服務器中存儲的數據轉發到數據中心終端的數據庫，并通過B/S架構的網頁瀏覽方式實現數據在終端的顯示、分析和存儲。

軟件開發主要由現場PLC軟件、數據通信軟件、SQL數據庫軟件和網站終端監控軟件4部分組成。整套海水淡化遠程監控系統的軟件功能框圖如圖4所示。

圖4 遠程監控系統軟件功能框圖

3.2 PLC軟件設計

本文依托的中試實驗裝置控制系統程序設計采用與西門子S7-200Smart配套的STEP 7-MicroWIN SMART編程語言進行開發。設計采用模塊化的思路，這種設計思路的優勢在于程序具有較強的可讀性和擴容性。具體包括：初始化模塊、模擬量轉化模塊、預處理模塊、反滲透模塊、清洗及加藥系統模塊等，其中反滲透模塊是整個程序設計的關鍵。

反滲透控制模塊實現的主要連鎖保護有：

① 原水箱設置低液位保護和中液位啟動，當液位低于低液位，系統停機并報警，當液位恢復至中液位以上后，系統恢復運行。

② 高壓泵進出口分別設置高低壓保護，當膜組進水壓力過高則表明膜組件污堵嚴重，反之當供水壓力過低，則表明前端的保安過濾器污堵嚴重，這兩種情況下系統均停機并報警。

③ 產水電導大于設定值，合格閥關閉，不合格閥打開，對產水進行排放。

④ 反滲透進水ORP過高時，系統啟動還原劑加藥泵防止反滲透膜元件被氧化導致膜組件報廢。

3.3 數據通信軟件

數據通信軟件的開發主要是為實現服務器與監控終端數據庫之間的通信，具體功能包括：

① 設計時鐘電路，保障數據傳輸的實時性；

② 定時上發數據包，保障及時獲取數據；

③ 計算安全校驗碼，保障數據安全可靠。

指令接收函數部分代碼如下：

uint1_t UartDma_Read(uint8_t*buf,uint16_t len)

{

uint1_t cnt;

for(cnt=0；cnt

{

if(！DMA_NEW_RX(dmaCfg.rxHead))

break;

*buf++=DMA_GET_RX(dmaCfg.rxHead)

dmaCfg.rxHead=0;

}

return cnt；

}

3.4 數據庫軟件開發

在對數據進行成功接收之后，接下來最重要的任務就是利用開發的數據庫軟件將所接收的數據進行處理。目前主流的數據庫開發平臺有SQL Server和Access兩種。針對海島試點分布廣、系統數據量大、系統操作頻繁等特點對兩種開發平臺進行比選，最終選擇 SQL Server 2008 作為本系統的數據庫開發平臺。

針對海水淡化工藝測量參數的特點，整個數據庫由流量數據表(FlowData)、壓力數據表(PressureData)、液位數據表(LevelData)、水質參數數據表(WaterQualityData)、報警數據表(AlarmData)和系統用戶管理表(SystemUserData)6個數據表單組成。

3.5 監控軟件開發

遠程監控終端界面采用客戶端/瀏覽器模式(B/S模式)，網站后臺采用ASP.NET技術進行搭建，網站前端則利用C#和HTML5等標準化編程語言進行開發，主要功能及特點如下。

① 用戶權限管理：系統設置管理員用戶、操作員用戶和游客3種權限。3種用戶置于統一的管理系統之下，其中管理員用戶可對其他用戶進行添加、修改、刪除等操作。此外，還可根據實際情況對遠程監控中心的各項功能，如站點故障分析、歷史數據查詢、報警參數設置實行權限分級設置的管理。

② 歷史數據分析：可根據站點以往運行情況，查詢各個測量點位的歷史運行參數，并實時生成歷史曲線圖，便于對設備進行更加直觀的分析管理。

③ 故障診斷分析：如設備發生故障時，遠程監控系統可根據采集的站點數據進行故障樹分析，并生成故障維修方案反饋至站點，可有效降低專業人員赴島維修頻率。

④ 報表管理：針對不同站點的數據和故障記錄，使用數據庫進行保存，并提供報表打印功能。

4 工程應用情況

4.1 試點概況

以福建古雷港100 t/d反滲透海水淡化中試示范工程為依托進行海水淡化遠程監控系統的首批試點建設。主體工藝采用“超濾+兩級反滲透”。取水方式采用開放式取水；首級反滲透分段設計用于提高系統回收率，二級反滲透用于提高整套反滲透系統的脫鹽率，提高產品水水質。

4.2 現場硬件配置

現場數據采集裝置由PLC主控制器、PLC擴展模塊、在線傳感器及遠程通信裝置(DTU)組成，實現對海水淡化工程運行數據的采集、處理和傳輸。該試點部分硬件配置如表3所示。

表3 示范工程試點現場數據采集硬件配置表

4.3 試點運行情況

遠程監控系統配合試點海水淡化工程連續運行結果表明：系統能夠實現對試點工程生產情況的連續監測，數據采集準確可靠、通信丟包率較低，遠程終端數據與現場數據如表4所示，平均誤差在±1.5%以內。

表4 遠程監控數據和現場數據采集誤差對比表

海水淡化裝置生產期間遠程監控軟件運行過程中的部分監控畫面如圖5所示。

圖5 遠程監控系統軟件運行界面

5 結束語

本文開發建立的以窄帶物聯網(NB-IoT)為主要技術的海島海水淡化遠程監控系統，數據測量采集精準、通信傳輸穩定可靠、監控終端界面友好，系統能夠滿足對試點工程生產情況的連續監測，在有效解決邊遠島礁設備維護困難、提高海島海水淡化設備集中監管力度、提高海水淡化智慧化水平等方面具有指導性意義。