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       WinCE.net為快速建立下一代智能嵌入式設(shè)備提供了一個(gè)健壯的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力、良好的通信能力、出色的圖形用戶界面及提供的豐富的應(yīng)用程序接口使得它在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用[1][2]。雖然當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展如火如荼，但是在污水處理領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)尤其是嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的應(yīng)用卻并不多見，現(xiàn)有資料中也很難找到相關(guān)報(bào)道。我國目前已加大力度實(shí)現(xiàn)對造紙廢水的達(dá)標(biāo)排放,并已初見成效。但是仍然需要實(shí)現(xiàn)對廢水排放及處理過程的在線監(jiān)控,一方面保證環(huán)保部門對生產(chǎn)廠家的監(jiān)管,另一方面可為廢水處理過程的自動(dòng)控制提供條件,從而實(shí)現(xiàn)對排放的一致達(dá)標(biāo),進(jìn)一步降低運(yùn)行成本[3][4]。在工控領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)以其可靠性高，體積小和成本低而成為極具潛力的發(fā)展方向，但是針對嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件的發(fā)展則相對滯后[5][6]。
　　由于污水處理的特殊性，對計(jì)算機(jī)也有特殊要求：①對軟硬件的設(shè)計(jì)要量體裁衣，既要充分滿足污水處理各環(huán)節(jié)控制過程的需要，又要減少不必要的配置，以降低功耗、減小軟硬件開銷；②由于污水的水質(zhì)時(shí)刻在發(fā)生變化，故要求計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性，能使污水處理的響應(yīng)時(shí)間盡量短，與水質(zhì)的變化相適應(yīng)；③污水處理過程中同時(shí)要處理的功能(或任務(wù))較多，因此要求計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用一種多任務(wù)的處理機(jī)制，能在保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的前提下，使各任務(wù)按照各自的輕重緩急協(xié)調(diào)運(yùn)行。各任務(wù)既要保持一定的獨(dú)立性，不受其它任務(wù)所影響，又要能實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的通信，以實(shí)現(xiàn)信息的共享和交互；④要求計(jì)算機(jī)具有較好的可靠性，能經(jīng)受工業(yè)現(xiàn)場的強(qiáng)干擾和強(qiáng)噪聲[7]。

　　基于以上要求，系統(tǒng)需要的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該是一臺專用于污水處理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它具有嵌入式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其軟硬件應(yīng)根據(jù)污水處理的具體要求而配置和裁剪，其軟硬件功能也應(yīng)針對污水處理的特殊要求而設(shè)置，正是由于該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的針對性和專用性，鑒于此現(xiàn)狀，本文對基于Windows CE.NET操作系統(tǒng)的嵌入式組態(tài)軟件的開發(fā)進(jìn)行了進(jìn)一步探討，并將該軟件應(yīng)用于廢紙?jiān)旒垙U水處理控制系統(tǒng)中。

　　1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1系統(tǒng)主要硬件

　　1.1.1上位機(jī)

　　上位機(jī)是系統(tǒng)的核心部分。它具有對下位機(jī)的監(jiān)管、數(shù)據(jù)采集處理、發(fā)布啟動(dòng)關(guān)機(jī)命令、修改控制參數(shù)、記錄、顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警、冗余及通訊等功能。其數(shù)據(jù)可存入硬盤,設(shè)計(jì)保存期,以供隨時(shí)調(diào)用[8]。

　　傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)硬件平臺由工控PC機(jī)、PLC及相關(guān)的傳感設(shè)備組成，其缺點(diǎn)是：系統(tǒng)龐大連接復(fù)雜，抗干擾能力較差，不適合在惡劣的環(huán)境下使用，并且由于工控PC機(jī)采用了普通的操作系統(tǒng)，實(shí)時(shí)響應(yīng)較差，控制滯后嚴(yán)重，甚至由于操作系統(tǒng)的不穩(wěn)定而使得整個(gè)控制系統(tǒng)完全崩潰[9]；而采用嵌入式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可較為快捷地開發(fā)出專用于污水處理的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以高度集成各種功能于一身，只需連接較少的外部傳感設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線檢測及控制。

　　1.1.2下位機(jī)

　　下位機(jī)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵,其主要的功能是接受上位機(jī)設(shè)置的參數(shù)或命令,實(shí)現(xiàn)對本現(xiàn)場的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)判斷決策及實(shí)時(shí)控制,并將現(xiàn)場狀態(tài)傳送給上位機(jī)。本設(shè)計(jì)采用S7-200, 它在直接實(shí)現(xiàn)開關(guān)量控制的同時(shí),還可通過A/D轉(zhuǎn)換器采集現(xiàn)場測定儀表(由傳感器和變送器共同組成)輸入的 4－－-20mA 標(biāo)準(zhǔn)信號,經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后,然后輸出信號,以控制各相應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備(如變頻器+電機(jī)、調(diào)節(jié)閥等)[10][11]。通過STEP7，用戶可以進(jìn)行系統(tǒng)配置和程序的編寫、調(diào)試、完成PLC硬件組態(tài)、控制PLC的運(yùn)行狀態(tài)和I/O通道的狀態(tài)等。通常用戶程序由組織塊（OB）、功能塊（FB、FC）和數(shù)據(jù)塊（DB）構(gòu)成。其中OB用于控制程序的運(yùn)行，是下位機(jī)軟件系統(tǒng)的總控模塊，F(xiàn)B、FC是用戶子程序，DB是用于存取數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)[12]。

　　當(dāng)程序啟動(dòng)的時(shí)候，嵌入式設(shè)備的LCD顯示器上出現(xiàn)圖1所示的啟動(dòng)界面。該界面包括5個(gè)子界面，它們分別是：廢水處理示意圖、數(shù)據(jù)列表、采集量定義、歷史數(shù)據(jù)查詢、實(shí)時(shí)趨勢圖。

圖1啟動(dòng)畫面

　　1.2系統(tǒng)軟件

　　組態(tài)軟件包括必要的初始化采集程序,用于工程師站的組態(tài)程序以及操作員站的運(yùn)行程序,它們都是獨(dú)立的可執(zhí)行文件,相互間通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)交互通信。初始化過程要設(shè)置、采用PC機(jī)的相關(guān)設(shè)備,初始化完成后就能定時(shí)接收現(xiàn)場控制站采集的數(shù)據(jù),系統(tǒng)組態(tài)需要針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域先離線進(jìn)行,投入運(yùn)行后也能根據(jù)現(xiàn)場控制站情況在線組態(tài)。

　　與通用組態(tài)軟件一樣，用戶在嵌入式組態(tài)軟件開發(fā)環(huán)境下組成一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。需要完成的工作包括生成監(jiān)控畫面、定義各個(gè)需要監(jiān)控的變量屬性、設(shè)置軟硬件通訊的參數(shù)等，并據(jù)此自動(dòng)生成一些數(shù)據(jù)文件。之后進(jìn)入調(diào)試階段，通過串口或者是TCP/IP協(xié)議將應(yīng)用系統(tǒng)程序從開發(fā)機(jī)下載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行。生成和調(diào)試過程可以反復(fù)進(jìn)行直至應(yīng)用系統(tǒng)程序滿足用戶需求。最后，把系統(tǒng)運(yùn)行程序和應(yīng)用系統(tǒng)程序存儲(chǔ)到目標(biāo)機(jī)的電子硬盤（或Compact Flash卡）中投入實(shí)時(shí)運(yùn)行[14]。該組態(tài)軟件具有如下功能如圖2：

　　圖2 軟件功能模塊

       2軟件運(yùn)行畫面分析

　　本文搭建了一個(gè)造紙廢水自動(dòng)處理系統(tǒng),嵌入式設(shè)備加上通過對系統(tǒng)出口水質(zhì)的在線監(jiān)測,實(shí)時(shí)調(diào)整加藥量。在實(shí)驗(yàn)室條件下對造紙廢水進(jìn)行了軟件試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)使用的廢水取自廣東某造紙廠，廢水（原水）COD值為500～1500 mg/l，實(shí)驗(yàn)所使用的絮凝劑濃度為5‰，助凝劑濃度為1‰。將組態(tài)好的工程下載到監(jiān)控系統(tǒng)的嵌入式設(shè)備上運(yùn)行，所取得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)全部保存在數(shù)據(jù)庫中。實(shí)驗(yàn)中有4個(gè)主要的變量，它們分別是：原水COD值、進(jìn)水流量、加藥流量（包括絮凝劑流量和助凝劑流量）和出水COD值,如表1中，同時(shí)數(shù)據(jù)顯示在嵌入式組態(tài)軟件的界面實(shí)時(shí)趨勢圖3中：

圖3  2006年9月實(shí)時(shí)趨勢圖

表1  2006年9月運(yùn)行情況

　　用戶有時(shí)候并不想查看所有的歷史數(shù)據(jù)，如果用戶只關(guān)心最近幾天或者一個(gè)周的生產(chǎn)情況時(shí)就要借助于“歷史數(shù)據(jù)查詢”功能。如圖4界面所示。

圖4 歷史數(shù)據(jù)查詢畫面

　　在圖5的界面中有一個(gè)數(shù)據(jù)表顯示控件和“查詢定義”和 “開始查詢”兩個(gè)按鈕。點(diǎn)擊“查詢定義”這個(gè)按鈕，就會(huì)彈出一個(gè)對話框，在其中定義需要查詢的時(shí)間間隔，程序就自動(dòng)生成一條查詢SQL語句，然后點(diǎn)擊圖5里的“開始查詢“按鈕，執(zhí)行這條SQL語句從數(shù)據(jù)庫中得到所需的結(jié)果，并且把結(jié)果顯示在圖5所示界面的數(shù)據(jù)表顯示控件中。

圖5 數(shù)據(jù)列表界面

　　3 結(jié)語

　　經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，所開發(fā)的監(jiān)控軟件平臺運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，使用情況良好，得到了用戶的肯定。開發(fā)的基于.net 的廢水處理嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)軟件，該開發(fā)軟件完成了人機(jī)畫面、嵌入式數(shù)據(jù)庫模塊，可與用戶信息交互，完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示。WinCE.net的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力、良好的通信能力、出色的圖形用戶界面及提供的豐富的應(yīng)用程序接口使得該監(jiān)控軟件運(yùn)行出色。自動(dòng)化控制在污水處理中的應(yīng)用可以安全可靠地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的工藝流程,減少人為因素帶來的可能事故和隱患及誤差等,保證污水處理效果；同時(shí)可減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,提高勞動(dòng)效率和效益；使污水廠的資源最優(yōu)組合,有效節(jié)約能源；使污水廠生產(chǎn)運(yùn)行及管理發(fā)生質(zhì)的變化,部門職能發(fā)生轉(zhuǎn)變,削減冗余部門及人員,部門優(yōu)化重組,實(shí)現(xiàn)減員增效。