作者：朱万浩1 ，章盼梅2 ，孔令棚1 ( 1．广州城市理工学院电气工程学院，广东广州 510800; 2．广州城市理工学院机械工程学院，广东广州 510800)

摘要: 为了解决当前造纸厂废水处理控制系统自动化程度低、不能远程监控的难题，采用工业物联 网技术设计了一套造纸废水远程监控系统，对造纸厂原废水控制系统进行升级改造。改造后的系统上 位机采用微信小程序，下位机采用 STM32 控制器，通过 WiFi 模块、工业以太网、云服务器等，把现场的 运行参数实时发送到微信小程序中，从而实现了设备的远程监控。系统自试运行以来，反应灵敏、实时 性好，能远程监控造纸厂废水排放情况。

关键词: 工业物联网; 微信小程序; 造纸; 废水; 控制系统; 改造

0 引言

造纸过程中产生大量的废水，给水环境带来污 染。近年来，随着经济的快速发展，造纸厂加快新建 或扩建厂区，加大造纸产能的同时废水也快速增长， 原有的自动化系统不满足当前废水处理的需要［1－2］。 因此，为了提高排放水质指标和废水处理自动化程 度，各造纸厂对废水处理工艺和控制系统进行升级 改造。 控制系统是造纸废水处理的重要组成部分，系统 性能直接影响排放的水质。目前，已有学者对造纸废 水处理控制系统进行了相关研究，以寻求更高可靠 性、更高稳定性的控制系统。文献［3］根据造纸行业 废水排放的特点，采用单片机、传感器、数据库、管理 软件等技术，设计了一套造纸企业废水监测和预警系 统。该系统能实现对造纸废水的自动监视、控制和报 警等功能。文献［4］采用 S7-400 型号 PLC 和上位机 WinCC 监控软件，设计了一套造纸废水处理监控系 统。文中详细介绍了硬件和软件的设计过程，最后对 系统进行试运行测试。文献［5］以辉发公司纸厂为 例，对其废水处理控制系统进行升级改造设计。文中 首先介绍了改造前废水厂的现状，然后详细分析了造 纸废水处理的工艺、控制系统等改造措施，最后进行 改造后的效益、成本分析。文献［6］针对当前工业废 水存在排放量大、控制系统稳定性差的难题，设计了 一套废水处理监控系统。该系统采用单片机、仪表分 析仪、无线传输等技术，实现了工业废水的在线监控。 虽然以上提到的控制系统一定程度上能解决当前废 水处理的难题，有助于造纸废水处理的前期发展，但 它们只能本地监控，不能实现远程监控，无法满足当前废水处理系统的需求。 随着传感器、监控软件、控制器的不断发展，工业 物联网等技术越来越成熟、稳定。因此，针对当前造 纸废水控制系统自动化程度低、不能远程监控的难 题，本文采用工业物联网技术设计了一套造纸废水远 程监控系统，对原废水控制系统进行升级改造。 1 工程概况 广东某造纸厂成立于 2004 年，占地面积约 50 hm2 ， 主要生产卡纸和瓦楞纸。造纸厂在建设的同时，配套 建设了废水处理厂，废水处理规模为 1×104 t /d。 1．1 造纸废水处理工艺流程及水质指标 根据造纸工艺的不同，造纸过程中产生的废水分 为 3 类: 第一类为红液或黑液，通过浓缩将红液制成胶 黏剂，通过碱回收法对进行黑液回收; 第二类为白水， 采用气浮法对白水进行分离，分离后的清水进入清水 池回收，短纤维进入浆池二次利用; 第三类为中段废 水，它含有大量的污染物，需先经造纸厂配套的废水 处理厂进行处理，水质合格后才能排放到河流。上述 的前两类废水均可通过工艺处理方法进行回收，只有 中段废水需进入废水处理厂进行处理，造纸厂中段废 水处理工艺流程如图 1 所示。

根据最新国家标准，废水处理厂进水水质标准为: 化学需氧量( COD) ≤800 mg /L，生化需氧量( BOD) ≤ 400 mg /L，固体悬浮物浓度( SS) ≤400 mg /L，氢离子浓 度( pH) ≤8。出水水质标准为: COD ≤350 mg /L， BOD≤100 mg /L，SS≤100 mg /L，6≤ pH ≤7。进出水 水质指标见表 1。 2 原控制系统总体架构 造纸废水原控制系统下位机采用 S7-300 PLC 为 中央控制器，它包含 CPU、数字量/模拟量模块、通信 模块等。上位机采用组态王二次开发监控软件，它与 PLC 建立通信后，可实时监控废水处理设备的运行情 况。监控现场由液位计、流量计等仪表和鼓风机、废 水泵等机电设备组成，它们通过接收来自 PLC 控制器 发送过来的命令进行工作。中央监控室配置监控主 机 1 台、喷墨打印机 1 台、投影仪 1 台，监控主机主要 负责监控厂内设备的运行情况。现场设备通讯采用 Profibus 通信协议，实现软硬件数据的交换。原控制 系统只能本地监控造纸废水处理厂的运行状态，不能 实现远程监控，原系统总体架构如图 2 所示。

1．3 存在问题 近年来，随着造纸厂业务不断扩大，产能不断增 加，造纸过程中产生的废水越来越多。因此，原废水 处理厂面临如下问题: ( 1) 原控制系统只能本地监控，工作人员不能远 程监控厂内设备的运行情况。 ( 2) 随着废水的日益增多，原控制系统不能满足 处理需求。因此，在工艺方面需增加进水泵房、沉砂 池、二沉池、污泥池等工艺建筑物; 在设备方面需增加 筛网机、废水泵、污泥泵、脱泥机等设备。

2 控制系统改造 为了解决原控制系统自动化程度低、不能远程监 控的难题，本文采用工业物联网对造纸废水原控制系 统进行升级改造。改造后的系统上位机采用微信小 程序二次开发监控软件，下位机采用 STM32 控制器开 发控制程序，通讯网络采用工业光纤环网，同时结合 腾讯云平台技术，实现对造纸废水厂的远程监控。 为了更好处理造纸废水，提高出水水质，把改造 后的系统设计为 3 个控制子站: 1 号控制子站监控进 水系统，2 号控制子站监控反应系统，3 号控制子站监 控出水系统。同时，把废水监控系统分为应用层、中 间层、现场层。应用层由本地服务器、腾讯云服务器、 微信小程序监控软件、平板电脑、笔记本等组成，它们 主要负责实时显示废水处理厂的运行状态; 中间层由 网络模块、STM32 控制器、数字量控制模块、模拟量采 集模块组成，它们主要负责控制现场机电设备和采集仪表的测量现场数据，然后经程序处理后再控制设备 的运行; 现场层由筛网机、废水泵、污泥泵、液位计、流 量计等组成，它们主要负责现场参数采集和执行控制 器发送的命令，改造后系统总体架构如图 3 所示。 

2．1 硬件系统改造 传统的废水处理厂采用 PLC 作为中央控制器，但 PLC 性价比低，且难与物联网远程监控软件通信。随 着嵌入式技术的发展，STM32 控制器的功能越来越强 大，有学者研究 STM32 在工业控制领域的应用，例如: 文献［7］为解决工业自动化领域数据传输速度慢、效 率低的问题，提出采用 STM32 实现工业以太网数据采 集的解决方案; 文献［8］针对工业以太网设备传输距 离短的难题，提出采用 STM32 作为核心控制器，实现 了光纤设备的长距离传输; 文献［9］针对风电塔自动 化程度低的问题，利用 STM32 控制器设计了一套爬行 控制系统。鉴于 STM32 广泛应用于工业控制领域，稳 定性好，性价比高，因此本工程控制器采用 STM32 控 制器。

2．1．1 模拟量采集模块改造 由于控制器的 CPU 不能直接处理模拟量信号，需 把它转换为数字信号才能处理，因此，需用模数转换 模块把模拟信号转换为数字信号后，再发送给 CPU 进 行处理。STM32 控制器自带 12 路 A/D 通道，可处理 12 路的模拟量。但考虑到系统监控的设备数量多，利 用 STM32 自带的模数转换接口数量远远不够。因此， 本工程采用独立的模数转换模块。系统采用外置独 立的模数转换模块优点在于当模块损坏时，只需更换 外置独立的模数转换模块，从而提高了系统的稳定性 和兼容性。模数转换模块电路设计采用 74HC595 信 号芯片，SER 为串行数据接入引脚，OE 为使能控制 端，Q1 ～ Q7 为数据输入端，Q8 为数据输出端，设计 2 个 74HC595 级联相接，如图 4 所示。  2．1．2 数字量监控模块改造 造纸废水处理厂有大量的设备需要监控( 废水 泵、筛网机、鼓风机、污泥泵等) ，厂内监控的数字量输 入/输出点数1 000个以上，原控制系统的数字量接口 远远不够。改造后的系统采用 STM32 控制器，它和继 电器配合工作，可远程控制机电设备的运行。继电器 广泛应用于电气设备控制场合。工作时，控制器发送 一个低电平给继电器低压线圈，线圈得电，设备启动 运行; 当给继电器控制模块高电平时，线圈失电，设备 停止运行。数字量模块的 IN 端口接收来自 STM32 IO 口的高低电平，VCC接高电平。继电器 K 并联 1 个二极 管，防止电源断开的瞬间产生过大的反向电势，造成 继电器损坏。Q1 为 9013 型号三极管，通过 STM32 输 入端口的高低电平，开启或关闭三极管，从而使继电 器动作，继电器工作原理如图 5 所示。


2.1．3 网络模块改造 为提高造纸废水远程监控系统通信的可靠性，改 造后网络模块由以太网模块和 WiFi 模块组成。系统 运行时，只设定一个模块工作，另一个模块备用。当 系统出现通信故障时，备用的网络模块立即进入到工 作模式。网络通讯模块选用 ENC28J60，它具有通用的 RJ45 端口，方便与电脑等设备连接。同时，网络模块 可直接搭载在硬件电路板上，提高了系统的集成度。 网络组网时，设置模块 IP: 192．168．1．X，调试主机的 IP 地址网段和网络模块网段应保持一致，否则通信不成 功。网络模块工作时，STM32 控制器采集仪表和现场执行元件的信号，经过程序处理后通过以太网或 WiFi 模块，发送给本地服务器和云服务器。2 个服务器同 时工作，数据相互备份，防止服务器损坏导致数据丢 失。最后，微信小程序和云平台连接，实现数据的通 信。在监控系统运行时，信息的流向是双向的，系统 既发送信息也接收信息，网络模块数据信息流如图 6 所示。 2．2 软件系统改造 传统的造纸废水控制系统上位机采用组态软件 二次开发，常用的上位机监控软件有 WinCC、Factory Talk、KingView 等，传统的组态软件较好支撑了早期造 纸废水控制系统的发展，但它们只能本地监控。随着 物联网的兴起，计算机软件的快速发展，出现了 APP、 微信订阅号、微信小程序等监控平台。微信小程序依 托于微信平台，通过微信小程序二次开发监控系统， 能快速实现设备的远程监控。 随着微信小程序技术的不断成熟，目前已有学者 研究微信小程序在工业方面的应用。文献［10］为了 实现工业自动化现场的远程监控，在传统的 PLC 控制 系统基础上，通过增加微信小程序实现了工业设备的 远程监控; 文献［11］为了解决当前水资源监控、用水 预测的难题，利用微信小程序设计了一套远程监控系 统; 文献［12］针对我国农作物灌溉分布范围广、监测 点数量多、自动化程度低的难题，设计了一套微信小 程序的远程灌溉系统; 文献［13］针对当前停车难、停车 场利用率低等难题，利用微信小程序开发一套停车场实 时监控系统，用户只要登录微信小程序，即可快捷方便 找到停车位置。因此，针对当前造纸废水无法远程监控 的难题，本工程采用微信小程序二次开发监控软件。

2．2．1 软件系统总体架构 造纸废水远程监控系统分为进水子系统、反应子 系统、出水子系统和数据中心，如图 7 所示。

2．2．2 数据采集程序开发 利用微信小程序开发监控系统时，数据采集主要 是用传感器采集现场环境参数。如通过超声波液位 计采集废水池的液位数据，把采集的数据发送到控制 器中。设计微信小程序采集程序时，首先用传感器采 图 7 软件系统总体架构图 集现场环境的信号，如果采集成功，则把现场参数转 换为电信号发送给 STM32 控制器; 如果采集不成功， 则返回重新采集。STM32 控制器根据设定的程序处 理传感器发送的信号，然后通过 WiFi 模块或以太网模 块发送给服务器。网络模块工作时，只设定其中一个 模块工作，另一个模块热启动备用。最后，微信小程 序与服务器建立连接，实现数据的采集。数据采集流 程如图 8 所示。


2．2．3 设备控制程序开发 在造纸废水远程监控系统运行时，系统根据预先 设定的程序判定是否需要控制设备。例如: 当废水 泵、污泥泵温度过高时，系统判定后发送命令控制继 电器动作，保护设备不受损坏; 当进水的流量过大时， 电磁流量计发送命令给中央控制器，经程序判定后控 制启闭机工作。微信小程序运行时，首先监控界面发 出控制命令，然后通过服务器和网络模块，把命令发 送给 STM32 控制器，最后 STM32 控制器根据设定程 序，自动判定需要控制的继电器，从而控制机电设备 的启动或关闭，微信小程序设备控制程序如图 9 所示。

3 系统测试 软硬件系统设计完成后，在实验室搭建实验平 台，进行系统测试。系统测试分为功能性测试和性能 测试，功能性测试在实验室进行，主要检测软件各控 制按钮是否正常、监控界面是否能实时采集现场数 据; 性能测试在造纸厂试运行期间进行，主要检测监 控软件的响应速度和性能优缺点。

3．1 功能性测试 功能性测试是测试监控软件的各项功能是否正 常。测试时，首先通过手机微信的扫一扫功能，识别 管理员分享的二维码，进入监控主系统。通过主系统 可跳转到进水系统、反应系统、出水系统。点击“上一 页”或“下一页”，系统跳转到不同的设备监控界面，点 击“启动”按钮，No．1 废水泵进入运行模式。监控界面 测试如图 10 所示。

3．2 性能测试 系统功能测试通过后，在造纸废水处理厂内进行 性能测试。测试前首先启动监控系统，然后进入废水 处理厂试运行状态，连续试运行 30 d。系统每天隔1 h 会自动记录 1 次数据，记录试运行出水水质包括 COD 值、BOD 值、SS 值和 pH 值。通过对比改造前和改造 后系统的出水水质指标，证明改造后的系统性能优于 改造前系统，处理后的水质质量更高，测试结果如图 11 所示。 4 结束语 本文采用工业物联网技术对造纸废水控制系统 进行升级改造。文中详细对比了改造前和改造后的 方案，设计了改造后的硬件和软件系统。( 1) 上位机采用微信小程序二次开发监控软件， 工作人员通过手机微信扫描二维码，即可远距离监控 厂内设备的运行状态，实现了造纸废水处理的远程 监控。 ( 2) 下位机采用 STM32 控制器，它与网络模块、现 场仪表、微信小程序等进行良好的通信，实现数据的 快速传输。