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目前，污染物總量控制是以環境質量目標為基本依據，政府環保管理機構以行政手段對區域內各污染源的污染物或重點污染物的排放總量實施控制。而隨著排放污染物的增加和不斷變化，迫切需要通過工業信息化手段來解決污染物的總量控制。

排污總量控制系統采集企業各排污口各類監測數據，通過設置總量控制指標，為總量減排指標的落實提供科學依據，實現對工業企業重點污染排放物的濃度及總量的雙控制，為鞏固和落實總量減排工作成果提供了科學的方法。

1　系統概述

排污總量控制系統是用于對工業企業主要污染物的排放數據進行實時采集、監視、自動控制和管理的一套應用管理系統。系統由觸控一體機、數據采集控制器、在線監控應用軟件組成。系統應用示意圖如圖1所示。

系統應用過程中包含定量、監視、關閥、開閥等環節。

（1）定量：對企業廢水排放總量和污染物（COD或氨氮等）排放總量進行設置等。

（2）監視：實時獲取企業污染物的排放總量數據和閥門運行狀態，在接近總排放量限額時（如90%），進行報警。

（3）關閥：企業的實際排污量達到總排放量限額時，自動下發關閥指令關閉電動閥門。

（4）開閥：對排污閥門被關閉的企業，在購買排污量后，再重新設置并且導入排污量后，自動下發開閥指令開啟電動閥門。

圖1 系統應用示意圖

2　系統功能

排污總量控制系統在線監控應用軟件界面如圖2所示。系統包括以下功能：

（1）設置系統排放量：設置排放總量信息，并且存儲到數據采集控制器中，作為污染物排放量的上限指標。

（2）實時監視：以文本和圖像形式查看流量計數據信息（瞬時流量、累計流量）、閥門實時狀態信息。

（3）實時數據查看：查看流量計、閥門實時數據信息。

（4）歷史數據查看：查詢系統數據庫中已保存的排放量歷史數據信息。

（5）報警提示功能：當總量超過允許總量的90%、100%時，系統會進行分級別預警，可直接啟動報警，并保存報警信息記錄，啟動關閉閥門操作。

（6）自動閥門控制：系統檢測到余量排放完時，自動關閥。重新購買和設定排放量后，自動開閥。

（7）日志信息查詢：系統可查詢系統中指定時間內的操作日志信息。

（8）報警信息查詢：系統可查詢系統中指定時間內的報警信息。

圖2 排污總量控制系統界面

3　Modbus Tcp 在系統中的應用

Modbus是由Modicon在1979年發明的，是全球第一個真正用于工業現場的總線協議。1996年施耐德公司推出了基于以太網TCP/IP的Modbus TCP協議，Modbus TCP是一個請求/應答協議，通過功能碼與寄存器地址進行數據讀寫操作。Modbus在2004年成為我國的國家標準。

在排污總量控制系統中，在線監控應用軟件與數據采集控制器的通信功能都是應用Modbus TCP來實現的。Modbus TCP中共包括13類功能碼，本系統中用到了其中5種功能碼，如表1所示。

表1 Modus TCP5種功能碼

在實際應用中，數據采集控制器作為Modbus TCP Server，在線監控應用軟件作為Modbus TCP Client，在線監控應用軟件先要通過Socket對象和502端口連接數據采集控制器，然后根據功能需要向Modbus TCP Server發送構造字節數組進行寄存器的讀寫操作。

（1）設置系統排放量：設置排放總量信息，并且存儲到數據采集控制器中。此處首先讀取數據采集控制器中存儲的排放總量信息，然后對其進行設置，最后將新數值寫入保持寄存器，需要使用的Modbus TCP的功能碼為3和16。讀取保持寄存器的主要字節構造代碼如下：

List sendMessage = new List(255);

sendMessage.AddRange(GetBytes(this.NextDataIndex()));//1~2位 標識位

sendMessage.AddRange(new byte[] { 0, 0 });//3~4位 modbus標識

sendMessage.AddRange(GetBytes((short)6));//5~6位 后續byte數量

sendMessage.Add(0);//7位 默認為0

sendMessage.Add((byte)3);//8位 讀保持寄存器功能碼

sendMessage.AddRange(GetBytes((short)startAddress));//9~10位 讀起始地址

sendMessage.AddRange(GetBytes((short)registerCount));//11~12位 讀取的寄存器數量

圖3 設置系統排放量界面

（2）實時監視：獲取流量計數據信息（瞬時流量、累計流量）、閥門實時狀態信息，需要使用的Modbus TCP的功能碼為4和2。讀取輸入狀態的主要字節構造代碼如下：

List sendMessage = new List(255);

sendMessage.AddRange ( vt.GetBytes ( this.NextDataIndex()));//1~2位 標識位

sendMessage.AddRange(new byte[] { 0, 0 });//3~4位 modbus標識

sendMessage.AddRange(vt.GetBytes((short)6));//5~6位 后續byte數量

sendMessage.Add(0);//7位 默認為0

sendMessage.Add((byte)2);//8位 讀輸入狀態功能碼

sendMessage.AddRange(vt.GetBytes((short)startAddress));//9~10位 讀起始地址

sendMessage.AddRange(vt.GetBytes((short)registerCount));//11~12位 讀取的寄存器數量

圖4 實時監視界面

（3）自動閥門控制：系統檢測到累計排放量達到限值時，自動關閥。購買排放量并且導入后，自動開閥。并且顯示當前閥門狀態。需要使用的Modbus TCP的功能碼為5。寫入線圈狀態的主要字節構造代碼如下：

List sendMessage = new List(255);

sendMessage.AddRange(GetBytes(this.NextDataIndex()));//1~2位 標識位

sendMessage.AddRange(new byte[] { 0, 0 });//3~4位 Modbus標識

sendMessage.AddRange(GetBytes((short)6));//5~6位 后續byte數量

sendMessage.Add(0);//7位 默認為0

sendMessage.Add((byte)5);//8位 寫狀態位功能碼

sendMessage.AddRange(GetBytes((short)startAddress));//9~10位 寫入地址if (ceilStatus)

{

sendMessage.AddRange(BitConverter.GetBytes((short)255));//11~12位 寫入狀態位on

}

else

{

sendMessage.AddRange(dt.GetBytes((short)0));//11~12位 寫入狀態位off

}

圖5 閥門狀態界面

4　應用情況

目前，排污總量控制系統已經在工業現場進行了實驗應用，對污水實時和累計排放總量進行了數據監視，對排放總量接近存儲排污量限值時進行報警，當排放總量達到存儲排污量限值時自動關閉電動閥門停止排污。

5　總結

基于Modbus TCP實現的排污總量控制系統，實現了讀取和寫入數據采集控制器中相關寄存器中的數據，從而實現工業現場排污數據的讀取和閥門狀態的監視與控制，目前主流的數據采集控制器均支持標準的Modbs TCP通訊協議，所以本系統具有廣泛的現場適用性。通過系統的成功部署與運行，有效地實現了對工業企業排放污染物的濃度及總量的雙控制，在實際應用中還可以將累計排污數據發送到環保部門的在線監測平臺，使環保部門清晰了解每個工業企業的污染物排放情況，從而為環境治理以及環保執法提供了有力的保障。

參考文獻：

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[3] 耿元一. Modbus TCP國際領先 工業以太網前景看好[J]. 機電一體化，2005 (4): 15.

[4] 鄔書金等. 基于Modbus TCP協議實現PC機與PLC的串行通信[J]. 可編程控制器與工廠自動化，2009(9): 63 - 64.

作者簡介

馮皓晨（1996-），男，黑龍江大慶人，現就讀于電子科技大學自動化專業。

摘自《自動化博覽》2016年2月刊