一种基于下位机的智慧工业水处理管控系统及其方法与流程

1.本发明涉及工业废水处理技术领域，具体涉及一种基于下位机的智慧工业水处理管控系统及其方法。


背景技术：

2.目前国内工业废水处理的自动化控制系统，其下位机大多采用知名品牌的plc、dcs，生产监控用的上位机主要选用wincc、intouch等组态软件或触摸屏，设备自动化水平高，部分能够实现无人值守。
3.但是对于设备使用方来说，主要存在以下问题：（1）工业废水处理的自动化控制系统多为就地或中控室内局域网控制，这就导致厂内或集团管理人员无法实时掌握生产情况；（2）上位机监控软件品牌多，操作严谨性要求高，这就需要生产操作人员经较长时间培训后才能上岗；（3）下位机编程组态复杂，有故障排除时，对设备维护人员专业技能要求高，需要配备专业的自动化维护人员，这就导致有故障难点的第一时间只能根据故障现象与设备制造方通过电话得到支持；（4）生产数据的汇总、分析依赖于监控组态软件或人工抄表，不能快速响应产品的更新迭代，智慧程度不高；（5）运行操作人员无法得到实时的智能预警，及时排除隐患造成停产。
4.对于设备制造方来说，主要存在以下问题： （1）对现场设备运行状况无法实时监测，对生产使用情况无法科学分析，这就导致无法对设备使用方提供生产建议； （2）系统的故障诊断、程序升级等工作多由技术人员现场完成，占用大量的人力和物力；（3）对设备的升级改造无法及时得到大量使用数据作为依据，进而无法持续保持设备竞争优势。因此，以上问题亟需解决。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种基于下位机的智慧工业水处理管控系统及其方法，运用现代传感器技术、自动测量和控制技术、计算机和网络传输技术、以及视频监控技术，建立工业水处理监管系统平台；可以实现各个现场设备的信息化管理，关键生产指标、生产运行数据的自动采集、远程实时监控、智能预警，能够加强各级管理人员对各生产现场运行情况的实时监管力度。
6.为解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：本发明的一种基于下位机的智慧工业水处理管控系统及其方法，其创新点在于：包括自动化控制系统、工业水处理设备和智慧云平台；所述自动化控制系统包括上位机和与之相连接的下位机，且所述上位机采用触摸屏，并通过智慧云平台对其进行远程管控；所述下位机搭载物联网远程网关，且物联网
远程网关分别与所述工业水处理设备以及智慧云平台进行物联，进行下位机与智慧云平台数据上报和接收；所述智慧云平台的总体架构为层状结构，并对工业水处理设备进行控制和监视。
7.优选的，所述智慧云平台包括数据采集层、数据传输层、数据处理层、数据存储层、使用功能层、网关层、管理应用层和用户层；数据采集层，通过自动化控制系统的下位机，搭载物联网远程网关，来进行数据采集；数据传输层，用于下位机与智慧云平台数据上报和接收；数据处理层，物联网远程网关上报与接收智慧云平台的数据，再经云接入管理、应用服务支持、可视化模型、云计算数据进行处理和转换；数据存储层，经数据处理层处理过的数据分别存储于数据库ⅰ与数据库ⅱ，两个数据库互为热备用；使用功能层，面向用户提供服务注册、数据监测、设备管理、专家服务、生产辅助、数据可视化、设备控制、视频监控程序功能；管理应用层，通过网关层与使用功能层进行数据交互，将智慧云平台服务展示给工业水处理用户，并进行交互，并通过管理应用层终端登录，进行具体项目的监控；用户层，与管理应用层进行通讯。
8.优选的，根据下位机的接口形式，下位机与物联网远程网关的连接形式为有线、无线、233或485通讯；数据采集层的数据采集具体流程为：a.选择对应的下位机类型，填写通讯速率、设备地址信息；b.根据设备的需求，确定采集频率、手自动获取方式；c.由智慧云平台主动下发轮询指令，智慧云平台自动匹配对应协议解析，通过物联网远程网关与下位机进行透传，实现分钟级采集。
9.优选的，根据工业水处理设备现场的便利条件及经济性考虑，物联远程网关可采用有线、无线、4g或5g的形式与智慧云平台进行物联，实现下位机与智慧云平台数据上报与接收，进而对工业水处理设备的水泵电机、电动阀门、仪表进行控制与监视。
10.优选的，所述云接入管理，对接入智慧云平台的物联网远程网关设备、数据进行管理，并通过对应协议对通讯数据进行配置；所述应用服务支持，通过对应协议把应用程序数据以逻辑性展现给客户端的程序模块，并提供访问逻辑的途径以供客户端应用程序使用；所述可视化模型，通过人机交互自动处理和可视化分析方法紧密结合在一起，对数据进行交互可视化，以帮助用户感知数据中蕴含的规律，按照给定的先验，进行数据挖掘，进而从数据中直接提炼出数据模型；所述云计算数据，通过网络“云”将巨大的数据计算处理程序分解成无数个小程序，再通过服务器系统进行处理和分析，小程序将得到结果返回给用户。
11.优选的，所述服务注册，用于工业水处理用户的注册；所述数据监测，对工业水处理设备的水泵电机、电动阀门、仪表工艺设备的状态及数据进行监测，进而运行控制及收集并统计、分析；所述设备管理，根据设备的运行精度状况，自动调整并推荐设备的维护、保养计划
并定期推送；所述专家服务，专家包括为工业水处理用户提供技术服务的水处理工艺专家、电气自动化工程师及后台维护人员，根据收集、智能分析的数据为工业水处理用户提供远程运行、维护指导及在线诊断；所述生产辅助，通过用户界面接收和查看水务处理系统发送的信息，查看本水厂的设备档案，调整本水厂的生产工艺，监视运行状况和生产报表；所述数据可视化，利用图形、图像处理、计算机视觉以及用户界面，通过表达、建模以及对立体、表面、属性以及动画的显示，对工业水处理产生的数据加以可视化解释；所述设备控制，通过用户界面对工业水处理设备的水泵电机、电动阀进行智慧云平台控制；所述视频监控，先通过视频监控设备对工业水处理设备进行视频监控，再通过视频监控设备厂商提供的视频监控设备与物联远程网关通讯，最后通过视频监控模块将工业水处理设备视频监控的画面通过系统架构流程，展示给用户。
12.优选的，管理应用层主要有智慧水务管理平台web客户端、智慧水务管理平台移动app、微信小程序、终端管理；设备厂家管理员通过相应权限，进行终端管理，终端管理员包括为工业水处理用户提供技术服务的水处理工艺专家、电气自动化工程师及后台维护人员。
13.优选的，智慧云平台终端管理开发主要功能为用户管理、角色管理、人员管理、权限管理、设备管理、数据采集、报警设置、报警通知、数据图表、数据报表、远程视频查看，并根据实际需求，为工业水处理用户开放不同的权限。
14.优选的，所述用户管理，主要是各项目用户信息的记录，包括基础信息、软件使用期限、最大用户量；根据项目用户量生成一定量的注册码，分配到各个项目，项目用户员工根据注册码进行用户注册；如若增加项目用户，则可生成相应数量的注册码，再分配给项目用户；用户信息要素包含用户编号、用户名称、用户地址、联系方式、负责人、开始使用时间、到期时间、最大用户量、用户状态用户到期或禁用，用户用户将无法进行登录；所述角色管理，是进行角色的定义和分配，为人员的管理和权限的管理提供很好的中间层；所述人员管理，根据需求进行人员的管理，同时也能够进行用户人员的管理，用户人员根据分配的注册码进行注册，注册后进行核对，保证用户信息的真实性；用户注册统一采用手机号码进行注册，手机号码作为统一的登录账户；可以针对用户进行锁定，禁用操作；人员信息要素包含姓名、性别、出生年月、联系方式、电子邮箱、所属部门、所属工厂、用户状态；所述权限管理，是为每个用户分配权限，用户根据分配的权限，获取相应的操作；所述设备配置管理，设备配置主要是下位机的通讯信息配置、读取方式、读取间隔、使用状态；仪器设备要素包含通讯地址、端口号、读取方式、读取间隔、读取指令；视频监控要素包含通讯地址、端口号、账号、密码；备品备件与设备平级，单独进行管理，用于设备维保到期提醒管理；备品备件要素包含设备名称、启用时间、到期时间；备品备件更换记录用于记录设备的更换信息以及设备下次维保时间更新，便于人员查看设备维保信息；备品备件更换记录要素包含回执单号、设备名称、更换日期、更换人；
所述数据采集，根据配置的数据进行数据的获取、处理和存储；由于考虑远程控制安全因素，因此只进行设备数据的读取，不进行设备控制；考虑数据的有效性，设置其最小读取间隔为1分钟；数据采集类型分为两大类：一是动力设备，主要获取设备状态；二是仪表类设备，主要获取仪表数值；数据要素包含设备编号、采集时间、设备模块、模块值；所述报警设置，需报警设备加入报警列表，根据设备设置数据的报警逻辑条件、通知方式和通知内容，在数据获取的时候进行数据判断，满足报警条件的数据根据配置进行相应的处理；数据报警设置要素包含设备编号、最小值、最大值、通知方式、通知内容、通知人；保养报警设置要素包含设备编号、通知方式、通知内容、通知人；所述报警通知，根据报警设置，满足报警条件的数据进行相应的通知，通知方式根据报警设置进行选择；管理员可以选择相应的报警数据、通知方式及通知内容进行编辑处理，使报警数据的传达达到最大有效化；所述数据图表柱状图、饼状图、趋势图进行展示，包含要素为采集时间、数值；所述数据报表，根据产生的数据生成数据报表，进行数据的导出和打印；所述远程视频查看，能够查看各个项目的视频监控。
15.本发明的一种基于下位机的智慧工业水处理管控系统的管控方法，其创新点在于包括以下步骤：步骤一：工业水处理用户通过管理应用层终端登录，提出具体项目控制与监控的微服务调用请求；步骤二：控制与监控的微服务调用请求通过管理应用层传输给网关层；步骤三：网关层向使用功能层获取调用微服务的软件接口访问地址；步骤四：当上述步骤中的调用微服务不需要调用其它微服务时，执行相应的微服务，并生成调节信号发送给工业水处理设备；步骤五：当上述步骤中的调用微服务需要调用其他微服务时，通过管理应用层将调用其他微服务的请求传输给网关层；步骤六：网关层向使用功能层获取需要调用的其他微服务的软件接口访问地址；步骤七：执行其他微服务，执行完毕后，返回步骤三，继续执行步骤三中的调用微服务。
16.本发明的有益效果：（1）本发明运用现代传感器技术、自动测量和控制技术、计算机和网络传输技术、以及视频监控技术，建立工业水处理监管系统平台；可以实现各个现场设备的信息化管理，关键生产指标、生产运行数据的自动采集、远程实时监控、智能预警，能够加强各级管理人员对各生产现场运行情况的实时监管力度；（2）本发明通过对生产现场的各类运行数据进行分析和数据挖掘，为各工业水处理设备运营管理提供实时运行监测、全厂过程控制、工艺运行模拟、运行异常预警、优化运行决策功能，进而提供整体综合运营决策的工艺分析、设备分析、成本分析、风险分析功能；（3）本发明充分考虑系统使用的宽泛性，可以同时为不同管理权限需求、多种终端的广大用户同时提供服务，实现同一系统对多工程、多用户和多终端的支持；对于设备使用方而言，是通过互联网向其提供系统控制、数据监测、运行维护、智能决策和辅助管理等软件技术服务，仅需在下位机部分搭载物联网远程网关，其他软硬件部署于设备制造方控制
机房、或在设备使用方设置服务器；（4）本发明对于设备制造方而言，在用户授予权限的情况下，可以对现场设备运行状况进行实时监测，对生产使用情况科学分析，进而对使用方提供生产建议；可以实现系统的故障在线诊断、程序在线升级，节省大量的人力和物力；可以收集使用数据作为升级改造依据，进而持续保持设备竞争优势；至于通信安全保障方面，智慧云平台其网关具备认证授权、安全防护、动态路由、服务监控等功能；（5）本发明将智慧水务功能模块化架构思想运用到智慧云平台构建的过程中，将工业水处理应用中的核心业务构建成相互耦合程度较低的功能模块，每项功能模块可以独立运行与部署，功能模块与用户之间通过协议和数据进行通信与调用；云平台用户可以根据工业水处理设备的规模与需求进行云平台功能选择，降低平台使用成本，缩短部署时间；同时，系统也支持针对工业水处理设备使用方的特殊需求定制开发，开发时无需对系统整体进行调整，只需对功能模块进行修改或定制开发，可有效缩短开发时间；（6）本发明对于旧改工业水处理设备，原已有组态监控的上位机，智慧云平台设备的操作可同步于原上位机组态软件的操作，智慧云平台与原上位机组态是两个互相独立的系统，用户在新增工业水处理设备时，可通过智慧云平台进行控制，无需购买上位机组态软件及其硬件，节约设备购置成本。
附图说明
17.为了更清晰地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明的原理图。
19.图2为本发明中智慧云平台的架构图。
具体实施方式
20.下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
21.本发明的一种基于下位机的智慧工业水处理管控系统及其方法，包括自动化控制系统、工业水处理设备和智慧云平台；如图1、图2所示，自动化控制系统包括上位机和与之相连接的下位机，且上位机采用触摸屏，并通过智慧云平台对其进行远程管控；下位机搭载物联网远程网关，且物联网远程网关分别与所述工业水处理设备以及智慧云平台进行物联，进行下位机与智慧云平台数据上报和接收；智慧云平台的总体架构为层状结构，并对工业水处理设备进行控制和监视。本发明智慧云平台可适用于搭载各类自动化控制系统的工业水处理设备，而由于工业水处理设备、自动化控制系统作为工业水处理过程已普遍使用，只是工艺与控制方式有差别，在背景技术已有介绍，故不过多赘述。
22.本发明智慧云平台包括数据采集层、数据传输层、数据处理层、数据存储层、使用功能层、网关层、管理应用层和用户层；如图1、图2所示，数据采集层，通过自动化控制系统的下位机，搭载物联网远程网关，来进行数据采集；其中，根据下位机的接口形式，下位机与物联网远程网关的连接形式为有线、无线、233
或485通讯；数据采集层的数据采集具体流程为：a.选择对应的下位机类型，填写通讯速率、设备地址信息；b.根据设备的需求，确定采集频率、手自动获取方式；c.由智慧云平台主动下发轮询指令，智慧云平台自动匹配对应协议解析，通过物联网远程网关与下位机进行透传，实现分钟级采集。
23.数据传输层，用于下位机与智慧云平台数据上报和接收；其中，根据工业水处理设备现场的便利条件及经济性考虑，物联远程网关可采用有线、无线、4g或5g的形式与智慧云平台进行物联，实现下位机与智慧云平台数据上报与接收，进而对工业水处理设备的水泵电机、电动阀门、仪表进行控制与监视。
24.数据处理层，物联网远程网关上报与接收智慧云平台的数据，再经云接入管理、应用服务支持、可视化模型、云计算数据进行处理和转换；其中，云接入管理，对接入智慧云平台的物联网远程网关设备、数据进行管理，并通过对应协议对通讯数据进行配置；应用服务支持，通过对应协议把应用程序数据以逻辑性展现给客户端的程序模块，并提供访问逻辑的途径以供客户端应用程序使用；可视化模型，通过人机交互自动处理和可视化分析方法紧密结合在一起，对数据进行交互可视化，以帮助用户感知数据中蕴含的规律，按照给定的先验，进行数据挖掘，进而从数据中直接提炼出数据模型；云计算数据，通过网络“云”将巨大的数据计算处理程序分解成无数个小程序，再通过服务器系统进行处理和分析，小程序将得到结果返回给用户。
25.数据存储层，经数据处理层处理过的数据分别存储于数据库ⅰ与数据库ⅱ，两个数据库互为热备用。
26.使用功能层，面向用户提供服务注册、数据监测、设备管理、专家服务、生产辅助、数据可视化、设备控制、视频监控程序功能；其中，服务注册，用于工业水处理用户的注册；数据监测，对工业水处理设备的水泵电机、电动阀门、仪表工艺设备的状态及数据进行监测，进而运行控制及收集并统计、分析；设备管理，根据设备的运行精度状况，自动调整并推荐设备的维护、保养计划并定期推送；专家服务，专家包括为工业水处理用户提供技术服务的水处理工艺专家、电气自动化工程师及后台维护人员，根据收集、智能分析的数据为工业水处理用户提供远程运行、维护指导及在线诊断；生产辅助，通过用户界面接收和查看水务处理系统发送的信息，如：生产调度指令、巡检状况、维修工单和提醒污水处理剂的库存状况等，查看本水厂的设备档案，调整本水厂的生产工艺，监视运行状况和生产报表；数据可视化，利用图形、图像处理、计算机视觉以及用户界面，通过表达、建模以及对立体、表面、属性以及动画的显示，对工业水处理产生的数据加以可视化解释；设备控制，通过用户界面对工业水处理设备的水泵电机、电动阀等设备进行智慧云平台控制；
视频监控，先通过视频监控设备对工业水处理设备进行视频监控，再通过视频监控设备厂商提供的视频监控设备与物联远程网关通讯，最后通过视频监控模块将工业水处理设备视频监控的画面通过系统架构流程，展示给用户。
27.管理应用层，通过网关层与使用功能层进行数据交互，将智慧云平台服务展示给工业水处理用户，并进行交互，并通过管理应用层终端登录，进行具体项目的监控；其中，管理应用层主要有智慧水务管理平台web客户端、智慧水务管理平台移动app、微信小程序、终端管理；设备厂家管理员通过相应权限，进行终端管理，终端管理员包括为工业水处理用户提供技术服务的水处理工艺专家、电气自动化工程师及后台维护人员；智慧云平台终端管理开发主要功能为用户管理、角色管理、人员管理、权限管理、设备管理、数据采集、报警设置、报警通知、数据图表、数据报表、远程视频查看，并根据实际需求，为工业水处理用户开放不同的权限；其中，用户管理，主要是各项目用户信息的记录，包括基础信息、软件使用期限、最大用户量；根据项目用户量生成一定量的注册码，分配到各个项目，项目用户员工根据注册码进行用户注册；如若增加项目用户，则可生成相应数量的注册码，再分配给项目用户；用户信息要素包含用户编号、用户名称、用户地址、联系方式、负责人、开始使用时间、到期时间、最大用户量、用户状态（正常/到期/禁用）用户到期或禁用，用户用户将无法进行登录；所述角色管理，是进行角色的定义和分配，为人员的管理和权限的管理提供很好的中间层；人员管理，根据需求进行人员的管理，同时也能够进行用户人员的管理，用户人员根据分配的注册码进行注册，注册后进行核对，保证用户信息的真实性；用户注册统一采用手机号码进行注册，手机号码作为统一的登录账户；可以针对用户进行锁定，禁用操作；人员信息要素包含姓名、性别、出生年月、联系方式、电子邮箱、所属部门、所属工厂、用户状态；权限管理，是为每个用户分配权限，用户根据分配的权限，获取相应的操作；设备配置管理，设备配置主要是下位机的通讯信息配置、读取方式、读取间隔、使用状态；仪器设备要素包含通讯地址、端口号、读取方式、读取间隔、读取指令；视频监控要素包含通讯地址、端口号、账号、密码；备品备件与设备平级，单独进行管理，用于设备维保到期提醒管理；备品备件要素包含设备名称、启用时间、到期时间；备品备件更换记录用于记录设备的更换信息以及设备下次维保时间更新，便于人员查看设备维保信息；备品备件更换记录要素包含回执单号、设备名称、更换日期、更换人；数据采集，根据配置的数据进行数据的获取、处理和存储；由于考虑远程控制安全因素，因此只进行设备数据的读取，不进行设备控制；考虑数据的有效性，设置其最小读取间隔为1分钟；数据采集类型分为两大类：一是动力设备，主要获取设备状态；二是仪表类设备，主要获取仪表数值；数据要素包含设备编号、采集时间、设备模块、模块值；报警设置，需报警设备加入报警列表，根据设备设置数据的报警逻辑条件、通知方式和通知内容，在数据获取的时候进行数据判断，满足报警条件的数据根据配置进行相应的处理；数据报警设置要素包含设备编号、最小值、最大值、通知方式、通知内容、通知人；保养报警设置要素包含设备编号、通知方式、通知内容、通知人；
报警通知，根据报警设置，满足报警条件的数据进行相应的通知，通知方式根据报警设置进行选择（页面报警/短信通知指定人）；管理员可以选择相应的报警数据、通知方式及通知内容进行编辑处理，使报警数据的传达达到最大有效化；数据图表柱状图、饼状图、趋势图进行展示，包含要素为采集时间、数值；数据报表，根据产生的数据生成数据报表，进行数据的导出和打印；远程视频查看，能够查看各个项目的视频监控。
28.用户层，与管理应用层进行通讯。
29.本发明的一种基于下位机的智慧工业水处理管控系统的管控方法，包括以下步骤：步骤一：工业水处理用户通过管理应用层终端登录，提出具体项目控制与监控的微服务调用请求；步骤二：控制与监控的微服务调用请求通过管理应用层传输给网关层；步骤三：网关层向使用功能层获取调用微服务的软件接口访问地址；步骤四：当上述步骤中的调用微服务不需要调用其它微服务时，执行相应的微服务，并生成调节信号发送给工业水处理设备；步骤五：当上述步骤中的调用微服务需要调用其他微服务时，通过管理应用层将调用其他微服务的请求传输给网关层；步骤六：网关层向使用功能层获取需要调用的其他微服务的软件接口访问地址；步骤七：执行其他微服务，执行完毕后，返回步骤三，继续执行步骤三中的调用微服务。
30.本发明的有益效果：（1）本发明运用现代传感器技术、自动测量和控制技术、计算机和网络传输技术、以及视频监控技术，建立工业水处理监管系统平台；可以实现各个现场设备的信息化管理，关键生产指标、生产运行数据的自动采集、远程实时监控、智能预警，能够加强各级管理人员对各生产现场运行情况的实时监管力度；（2）本发明通过对生产现场的各类运行数据进行分析和数据挖掘，为各工业水处理设备运营管理提供实时运行监测、全厂过程控制、工艺运行模拟、运行异常预警、优化运行决策功能，进而提供整体综合运营决策的工艺分析、设备分析、成本分析、风险分析功能；（3）本发明充分考虑系统使用的宽泛性，可以同时为不同管理权限需求、多种终端的广大用户同时提供服务，实现同一系统对多工程、多用户和多终端的支持；对于设备使用方而言，是通过互联网向其提供系统控制、数据监测、运行维护、智能决策和辅助管理等软件技术服务，仅需在下位机部分搭载物联网远程网关，其他软硬件部署于设备制造方控制机房、或在设备使用方设置服务器；（4）本发明对于设备制造方而言，在用户授予权限的情况下，可以对现场设备运行状况进行实时监测，对生产使用情况科学分析，进而对使用方提供生产建议；可以实现系统的故障在线诊断、程序在线升级，节省大量的人力和物力；可以收集使用数据作为升级改造依据，进而持续保持设备竞争优势；至于通信安全保障方面，智慧云平台其网关具备认证授权、安全防护、动态路由、服务监控等功能；（5）本发明将智慧水务功能模块化架构思想运用到智慧云平台构建的过程中，将
工业水处理应用中的核心业务构建成相互耦合程度较低的功能模块，每项功能模块可以独立运行与部署，功能模块与用户之间通过协议和数据进行通信与调用；云平台用户可以根据工业水处理设备的规模与需求进行云平台功能选择，降低平台使用成本，缩短部署时间；同时，系统也支持针对工业水处理设备使用方的特殊需求定制开发，开发时无需对系统整体进行调整，只需对功能模块进行修改或定制开发，可有效缩短开发时间；（6）本发明对于旧改工业水处理设备，原已有组态监控的上位机，智慧云平台设备的操作可同步于原上位机组态软件的操作，智慧云平台与原上位机组态是两个互相独立的系统，用户在新增工业水处理设备时，可通过智慧云平台进行控制，无需购买上位机组态软件及其硬件，节约设备购置成本。
31.上面所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围，本发明的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。