基于大数据视域下造纸工业废水控制软件系统升级改造研究.pdf

第43 卷第1期2024年1月造纸科学与技术Paper Science and TechnologyVol.43No.1Jan.2024基于大数据视域下造纸工业废水控制软件系统升级改造研究刘慧梅（陕西国防工业职业技术学院，陕西西安，7 10 3 0 0)摘要：造纸业对水的需求整体较大，在造纸的过程中所生成的废水涉及到各类杂质，如颜料、纤维等,若是无法及时进行相应处理，则会对周围环境带来显著影响。基于大数据技术，成功开发造纸废水远程监控系统，对原有的废水控制系统进行升级。升级之后的系统使用微信小程序用作上位机，而下位机则使用了STM32芯片，借助于WIFI模块、云服务器等，将现场运行的动态参量传递至微信小程序，可对设备进行远程监控。系统在运行之后，具有较高的刘慧梅女士实时性，同时反应也具有较高的灵敏度，可以对造纸厂的废水排放进行远程监控。关键词：大数据；造纸工业；废水控制软件；升级改造中图分类号：X793文献标识码：AD0I:10.19696/j.issn1671-4571.2024.1.016引文格式：刘慧梅.基于大数据视域下造纸工业废水控制软件系统升级改造研究 J.造纸科学与技术，2 0 2 4，43（1）：7 5-7 8.Control Software System in Paper Industry Based on Big Data(Shaanxi Institute of Technology,Xi an 710300,China)Abstract:The demand for water in papermaking industry is large.The waste water generated in papermaking process involves variousimpurities,such as pigment,fiber,etc.,will have a significant impact on the surrounding environment.Based on the big datatechnology,the paper successfully developed the paper-making wastewater remote monitoring system,upgrading the original wastewatercontrol system.The upgraded system uses the wechat small program as the upper computer,while the lower computer uses the STM32chip.With the help of WIFI module,cloud server,etc,the dynamic parameters of the field operation are passed to the wechat smallprogram,the device can be monitored remotely.After running,the system has high real-time and high sensitivity,and can monitor thewaste water discharge of paper mill remotely.Key words:big data;paper industry;waste water control software;upgrading0引言国内造纸产业规模日益增大，纸与纸板的生产与消费规模在全球范围内都处于领先地位。十三五时期，由于国民经济水平持续提升，群众的物质生活水平得到显著的改善,纸制品需求规模持续增大,相应的造纸产业发展也在持续升级，运营质量得到了文章编号:16 7 1-457 1(2 0 2 4)0 1-0 0 7 5-4Study on Upgrading and Upgrading of WastewaterLIU Huimei明显的提升。然而，造纸对水资源的需求规模整体较大，由此带来了较为严重的水污染问题。造纸业废水处理系统的关键构成就是控制系统,后者的性能对最终排水质量产生显著影响。近些年，控制器、传感器等相关技术不断升级，大数据技术也进人到成熟期。由于当前废水控制系统整体上缺乏足够高的自动化能力，并不具备远程监控能力，本次将工业作者简介：刘慧梅，生于19 7 6 年，硕士，副教授，主要从事软件开发研究。E-mail:。基金项目：陕西国防工业职业技术学院2 0 2 1年度科研计划项目（Gfy21-07)76物联网作为基础，完成远程监控系统的开发，进而对早先的废水控制系统加以升级，1造纸企业废水处理现状1.1造纸废水处理工艺流程及水质指标按照造纸工艺差异，造纸所出现的废水可以分成:第一种,红液与黑液。利用浓缩技术,使得红液制成胶黏剂,在处理黑液时，需要借助于碱回收法加以处理;第二种，白水。借助于气浮发对白水加以分离，借助于清水池回收相应清水，同时还能提取短纤维,将其置入浆池,并对其进行科学利用 ;第三种，中段废水。它涉及到较为丰富的污染物，需要借助于相关的废水处理厂加以处理，当水质满足要求后才能将其排入河流。前两种废水都可以借助于相关工艺进行回收处理，只是第三种水才最终需要转人专门的废水处理厂进行解决。1.2原控制系统总体架构早先的控制系统，下位机使用S7-300PLC芯片进行控制,这也是中央控制模块，集成了CPU、通信、模数模块等。上位机则为组态王监控系统，将上、下位机进行结合，就能对废水处理给予动态监控。在监控过程中，主要涉及到的装置为：鼓风机、废水泵、流量计等,这些设备能够处理PLC 的指令 2 。中央监控室通常会配置打印机、投影仪、监控主机等。特别是后者,更多是对处理厂设备加以动态监控。相关设备的互动需要得到Profibus协议的支持，这样就能实现软硬件信息的互动。早先的控制系统仅仅支持本地监控，不能对远程监控给予支持，下图展现了原系统整体架构。投影仪中央控制室监控主机S7-30plc超声被液位计PH鼓风机废水泵污泥泵液位计流量计测量仪图1原控制系统总体架构1.3存在问题近些年，造纸厂业务呈现出不断增长趋势，相应的产能也在显著扩大，造纸过程中容易出现较多废水。为此,原先废水厂的问题具体为：第一，原控制系统尽管可以监控本地，但是工作人员难以通过远造纸科学与技术程方式监控相关装置；第二,因为废水持续上升，原控制系统很难满足处理要求 3-5。为此，需要从工艺角度,进一步运用污泥池、二沉池等,此外还需要增设脱泥机、废水泵等。2大数据视域下控制系统改造因为原先控制系统缺乏自动化，很难进行远程监控,本次研究以大数据技术为基础,对陈旧控制系统加以改造。升级之后上位机可以借助于微信小程序来进行控制，这样就能二次开发相关监控系统。下位机运用STM32芯片进行管控，利用光纤环网，完成交互网络构建，此外还进一步引入云平台（腾讯）技术,完成对废水厂的远程监控。为了科学处理造纸废水，切实提升处理水质，就需要对原先系统细分成不同子站，并使用1至3 号进行表示，它们分别为监控进水、反应、出水系统。此外，废水监控系统还能细分成三个模块，分别为应用、中间、现场层。对于前者来说，主要通过服务器、小程序等组成 6 ,这能够动态显示该废水处理厂运行状态。中者主要构成模块为：数字控制、网络、单片机、模拟采集等模块，相关核心职能可以对仪表进行现场数据采集，而且还能控制现场机电装置，借助于程序处理后,可以科学控制设备的运行。后者构成为：废水泵、流量计、晒网机等，这些装置主要接受指令，采集现场参量。2.1硬件系统改造PLC芯片可以用作原先系统的中心模块，然而相较于本次所选的单片机，在性价比方面相对较低，很难支持远程通信。如今嵌人式系统实现蓬勃发展,本次所选的STM32芯片，有着丰富的控制功能，打印机很多学者也对其进行深人研究，如今在工控领域得到广泛应用，凭借着出色的稳定性能、优秀的性价比,得到很多用户的垂青,本次工程也使用了STM32控制芯片 7 悬浮物测量仪需氧量测氧仪筛网机灌水仪第43 卷2.1.1数字量监控模块改造此废水处理厂监控系统，需要对更多设备进行动态监控，如废水泵、晒网机等。有关I0点数，大于1千个，这样原先控制系统就很难提供支持。通过升级之后，运用STM32芯片，它能够与继电模块进行通力协作，对机电设备的运行进行很好控制。继电器目前在电气控制领域应用颇广 8-9 。在工作状态下，控制芯片只需要向继电器传递低电平，线圈获得电力支持后，就能启动设备。若是给继电器传递高电平，那么线圈失去电力，于是设备不再运行。数字量模块IN端能够对控制第1期芯片的IO端口高、低电平进行接收,VCC可以和高电平加以对接。K为继电器,要和二极管（1个)加以并联，这样就能规避电源断开可能引发的过高反向电势，进而损坏相关的继电器2.1.2网络模块改造为了提升本次开发的监控系统有着更高的通信稳定性，在改造网络模块后,还需要通过以太网、WIFI共同构成。在对系统进行运行之际，仅需设置某个模块，同时将另外模块加以备用。倘若系统通信出现问题，就会迅速投人备用模块。本次通讯模块所选的型号为：ENC28J60,它能对RJ45端口给予支持,这样就能与电脑高效对接。当然，网络模块还能直接配置于电路板之上，于是系统的集成度就会显著提升 10 。在具体组网环节，还能设置有关IP模块，具体范围为：19 2.16 8.1.1至2 55，对于主机IP来说，需要和此网段保持统一，否则就难以通信。只有网络模块工作正常，本次所选控制芯片才可以对现场执行设备、仪表的信号进行采集，通过处理后，借助于WIFI或者以太网模块，将其传递至云或者本地服务器。这两种服务器同时运行，支持相互备份，这样有助于提升系统健壮性。最后，将云平台与小程序加以对接,完成数据通信。在系统进行监控之际，信息呈现出双向流动，能够实现收、发送信息。2.1.3模拟量采集模块改造因为控制器中的CPU模块对模拟信号不可以直接处理，需要将这些模拟信号转变成数字信息，为此就需要引人模数转换模块,将转换后的信号传递至CPU。本文所选的STM32芯片,内部集成了12 路模数转换模块，能够同时处理12 路模拟量。不过由于本次监控系统涉及到较多的控制装置，因此内部集成的模数转换模块尚不能满足需求，还需要引入独立模块。本次升级使用独立的转换模块优势体现在 11-2 若是该转换模块出现损坏,那么可以直接进行更换即可，因此有助于提升系统兼容性与稳定性。2.2软件系统改造陈旧的造纸废水控制系统上位机一般采取组态软件二次开发，FactoryTalk、Wi n CC以及KingView等都是较为常用的上位机监控软件，虽然陈旧的组态系统能对原先的废水控制系统提供支持，然而这类系统的局限性开始日益显著，仅仅支持本地监控。随着移动互联网发展，各种APP、小程序广泛运用。本系统采用小程序对设备进行远程监控刘慧梅：基于大数据视域下造纸工业废水控制软件系统升级改造研究而实现机电设备的自动化控制。3系统测试在成功开发软硬件系统后，就需要构建实验平台,对系统进行全面测试。这又可以细分成性能与功能性测试。后者需要利用实验室开展，重点检测不同操作钮的功能，以及能否动态采集现场信息；前者需要试运行期开展,重点对系统的性能、响应速度等进行检测。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。在整个测试阶段，第一步是要通过手机微信其中的扫一扫功能,对管理员分享的二维码进行准确识别,之后会进人到一个监控主系统。利用主系统可跳转到其中三个系统，分别为进水系统、反应系统、出水系统。如果点击“上一页”或“下一页”，系统跳转到不同的设备监控界面，点击“开启”按钮，则废水泵会开始进行运作 14772.2.1软件系统总体架构出水子系统、进水子系统、反应子系统以及数据中心组成了造纸废水远程监控系统。2.2.2数据采集程序开发借助于小程序完成新型监控系统开发，通过各类传感器，动态采集现场参量。例如运用超声波液位计，就能动态采集废水池水位信息，同时还能将此信息迅速传递至控制芯片 13 。在设计此采集系统之际，最先要借助于传感器采集有关现场信息，倘若成功采集，就能将现场参量转变成电信号，并将其传递至STM32控制芯片。若是采集不能实现，就需要重新处理。该控制芯片能够按照设定系统对传感器的信号进行处理，接着借助于以太网或者WIFI模块将信息传递至服务器。网络模块在运行时，只需要对其中某个模块进行设置，而另外模块则设置为热备用。最后,服务器和小程序进行连接，从而实现数据采集。2.2.3设备控制程序开发在运行废水远程监控系统之际，系统需要遵照设定流程，判断有关控制设备。例如判断污泥泵是不是存在着过高温度等。这样就能借助于相关指令，控制继电器动作，从而提升设备的安全性。假设有着过高的进水流量，与此同时，电磁流量计就会将信息传递至中央控制芯片，后者通过判定，对相关设备进行启闭。在运行小程序之际，监控页面能够传递出控制质量，通过网络模块与服务器,进一步将指令传递至STM32芯片，后者按照自身程序，自动对需要控制的继电器进行处理，从78造纸废水远程监控系统进水系统反应系统出水系统No.1废水泵远程启动运行停止故障频率设定49.9Hz频率反馈50.1Hz上一页主莱单品图2 微信小程序监控界面测试3.2性能测试系统在功能测试之后，就需要在处理厂对系统的性能展开测试。此时最先需要对监控系统进行启动,随后处理厂开始进人到试运行状态，而且需要持续运行1个月 15。该监控系统每间隔1个小时，就需要对数据进行一次采集，并精准记录测量的水质情况,如COD、S S 与BOD值等。然后与改造前的水质指标进行对比,最终可以发现，改造后系统在性能上要明显超过原先系统，经过改造后的系统进行处理,有着更高的水质。4结语本次以大数据视域为基础，对早先落后的废水控制系统进行升级，首先对改造前后的方案进行论述,并详细设计了升级后的软硬件系统。上位机主要通过小程序来实现，工作人员只需要利用手机，对有关二维码进行扫描，就能动态监控厂内的设备运行动态,从而实现远程监控。下位机借助于STM32造纸科学与技术1:24#芯片，与上位机、网络模块进行协作，进而实现高质造纸废水远程监控系统量、快速的数据通讯。参考文献1林英行,陈小泉.纳米TiO_2胶体光催化-磁絮凝回收深度处理进水系统反应系统出水系统COD仪表值100.5mg/BOD仪表值80.3mg/LSS仪表值61.0mg/LPH仪表值7.5下一页上一页主菜单品第43 卷造纸废水 J.中国造纸学报,2 0 2 2,3 7（3）：10 9-117.2陈浩波，刘尚余.废纸造纸废水厌氧处理及资源综合利用效益分析 J.广东化工,2 0 2 2,49(15:111-112+12 0.3朱友胜，张俊苗，徐建春，等.内外循环厌氧反应器处理高浓度造纸废水工程实践 J.纸和造纸,2 0 2 1,40（6）：3 0-3 5.D0I:10.13472/j.ppm.2021.06,007.4成琳.造纸废水处理技术的研究进展 J.化学工程师,2 0 2 1,3 5(5):60-62.D0I:10.16247/ki.23-1171/tq.20210560.5冯雷雷.基于UASB反应器的造纸废水处理分析 J.造纸科学与技术,2 0 2 2,41（4）:6 1-6 4.D0I:10.19696/j.issn1671-4571.下一页2022.4.012.6祁梦娇，赵伟仲，周艺璇，等.不同厌氧发酵系统在造纸废水处理中的应用 J.环境工程学报，2 0 2 2,16（7）：2 416-2 42 4.7陈学萍，占正奉，伊浩，等.废纸制浆造纸废水处理过程中溶解性有机物转化特性的研究 J.中国造纸,2 0 2 2,41(7):1-10.8赵登，张仕南，任建华，等.造纸废水处理高效IC厌氧反应器的设计与运行 J.中华纸业，2 0 2 2,43（6）：19-2 3.9吴芳磊，贺航运，梁庸，等.造纸废水处理强化生化系统COD去除的实例 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