Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt die Anwendung eingebetteter Steuerungen und Online-Messgeräte zur Überwachung der Wasserqualität. Grundlage hierfür ist das Betriebssystem des Abwasserableitungssystems einer Kläranlage, das Parameter wie TOC, CSB, Ammoniakstickstoffgehalt und pH-Wert misst. Das einfache Funktionsprinzip der eingebetteten Steuerung wird analysiert und zusammengefasst. Die Automatisierungssteuerung ist eines der wichtigsten Subsysteme in einem automatischen Steuerungssystem. Eine typische Steuerung besteht aus drei Hauptkomponenten: ① einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU), die für die Datenverarbeitung und Logiksteuerung sowie die Feldkommunikation und Datenübertragung zuständig ist; ② Ein-/Ausgabeports, die für die Verbindung mit Feldgeräten und die Datenerfassung zuständig sind; und ③ einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI), die für die Konfiguration des Feldbildschirms, die Datenanzeige und die Eingabe von Feldsteuerungsdaten zuständig ist. Aufgrund der fortgeschrittenen Technologie der Host-Computer werden HMIs in einigen Bereichen nicht mehr benötigt. Eingebettete Steuerungen, die ein Echtzeit-Multitasking-Betriebssystem (RTOS) integrieren, vereinen einen oder mehrere eingebettete Mikroprozessoren und Peripheriekomponenten in einer einzigen Einheit. Diese Einheit übernimmt Steuerungs-, Kommunikations-, Überwachungs- und Interaktionsfunktionen und erfüllt strenge Anforderungen an Funktionalität, Zuverlässigkeit, Kosten, Größe und Energieverbrauch. Sie bietet zudem den Vorteil der einfachen Programmierung, was zu ihrer breiten Anwendung in der Automatisierungstechnik führt. Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technik hat sich auch die Technologie der automatisierten Überwachung deutlich weiterentwickelt. Controller werden heute in der Umweltüberwachung weit verbreitet eingesetzt und sparen erheblichen Personal- und Ressourcenaufwand bei der Wasserüberwachung. Noch wichtiger ist jedoch die Bereitstellung zeitnaher Informationen über die Bedingungen an entfernten Standorten. Dieser Artikel veranschaulicht anhand eines Abwasserqualitätsüberwachungsprojekts in einer Kläranlage in der Provinz Jilin die Anwendung eingebetteter Controller in Wasserüberwachungsprojekten. 1. Projektübersicht Die Kläranlage in der Provinz Jilin ist für eine Primärreinigungskapazität von 200.000 m³/d und eine Sekundärreinigungskapazität von 100.000 m³/d ausgelegt. Das geplante Versorgungsgebiet umfasst 30,5 km² und ist für 350.000 Einwohner vorgesehen. Nach der Reinigung in der Kläranlage wird ein Teil des gereinigten Wassers direkt in einen kleinen Fluss eingeleitet, der Rest dient der Bewässerung landwirtschaftlicher Flächen und trägt so zur Verbesserung der umliegenden Wasserverschmutzung bei. 2. Reinigungsverfahren: Die Kläranlage verfügt über modernste, importierte Wasseraufbereitungsanlagen und nutzt das traditionelle Belebtschlammverfahren in zwei Stufen. Aufgrund der geringen Schadstoffkonzentration im lokalen Abwasser kommt im Kernbelüftungsprozess das OOC-Verfahren zum Einsatz. Dieses Verfahren zeichnet sich durch geringen Energieverbrauch, niedrige Betriebskosten, gute Ablaufqualität, einfache Handhabung und stabilen Betrieb aus. Das aus der externen Abwasserleitung gesammelte Abwasser durchläuft mehrere Reinigungsstufen, darunter Grob-, Fein- und Belüftungsrechen, Pumpstationen, belüftete Sandfangbecken, Vorklärbecken und Belüftungsbecken, bevor es zur Schlamm-Wasser-Trennung in das Nachklärbecken gelangt. Das geklärte Überstandwasser dient als gereinigtes Abwasser. Die Wasserqualität wird mittels Pumpen überwacht. Nachdem die Probe Instrumente wie TOC-, CSB- und Ammoniakstickstoffdetektoren durchlaufen hat, wird sie in den Wassertank zurückgeführt. Die Detektoren analysieren die verschiedenen Indikatoren der Wasserprobe intern und wandeln sie anschließend über eine Sendeschaltung in elektrische Signale (4–20 mA) um, die vom Steuergerät vor Ort erfasst werden können. Das Steuergerät wandelt die erfassten elektrischen Signale intern um, um die Istwerte der einzelnen Indikatoren zu ermitteln, und sendet diese dann über verschiedene Kommunikationswege (z. B. GPRS, Breitband, PTSN) an die Überwachungszentrale. Umweltbehörden können so Veränderungen der Wasserverschmutzung im städtischen Wassersystem in Echtzeit überwachen. Neben der Signalerfassung steuert das Überwachungssystem vor Ort mithilfe des Steuergeräts drei Magnetventile, Wasserpumpen und die Messgeräte, um zwischen interner und externer Reinigung sowie Überwachung umzuschalten. Im Überwachungsmodus sendet das Steuergerät ein Signal zum Starten der Pumpe, um Wasserproben zu entnehmen, und startet gleichzeitig die Messgeräte zur Analyse der Proben. Während der internen Reinigung schließt die Steuerung das Überwachungsventil und öffnet das interne Reinigungsventil, sodass enthärtetes Wasser in die internen Leitungen fließen und die Instrumente reinigen kann. Bei der externen Reinigung schließt die Steuerung das interne Reinigungsventil, sodass enthärtetes Wasser in die externen Leitungen fließen und die Wasserpumpe reinigen kann. Für eine komfortable Bedienung vor Ort ist außerdem ein lokales Überwachungssystem eingerichtet, das über ein HMI-Modul oder einen Touchscreen mit dem Kommunikationsanschluss (RS485 oder RJ45) der Steuerung verbunden ist und so die lokale Steuerung ermöglicht. Das Steuerungsablaufdiagramm ist in der Abbildung dargestellt. 3. Hauptausrüstung 3.1 Vor-Ort-Messgeräte: TOC-, CSB-, Ammoniak-Stickstoff-, pH-, Leitfähigkeits-, Sauerstoff-, Trübungs- und Wassertemperaturmessgeräte 3.2 Vor-Ort-Steuerung: Die Steuerung basiert auf einem Embedded-Controller der STEC-Serie von Beijing Shuoren Times Technology Co., Ltd. Dieser Controller nutzt eine 32-Bit-Hochgeschwindigkeits-CPU von Motorola und ein eingebettetes Echtzeit-Linux-Betriebssystem. Er ermöglicht die industrielle Datenerfassung, Steuerung, Kommunikation und Überwachung vor Ort. Der Embedded-Controller besteht aus einem Hauptmodul, erweiterten digitalen und analogen Ein-/Ausgabemodulen und unterstützt bis zu 96 Messpunkte für die Signalerfassung und -steuerung vor Ort. Das Hauptmodul enthält ein Linux-Echtzeitbetriebssystem und unterstützt Kommunikationsprotokolle wie TCP/IP, PPP und TELNET sowie Feldbusse wie Profibus und Modbus. Die visuelle Konfigurationsumgebung SRDev2.0 ermöglicht eine komfortable Programmierung. Der analoge Eingang nutzt einen 8-Kanal-Differentialeingang, der elektrische Signale von 4–20 mA oder 0–10 V aus dem Feld erfassen und Gleichtaktstörungen effektiv unterdrücken kann. Der integrierte Controller bietet zudem verschiedene Kommunikationsmethoden. Aufgrund der unterschiedlichen Gegebenheiten in verschiedenen Regionen des Landes, insbesondere bei Wasserqualitätsprüfungen in längeren Flussgebieten, können Anwender je nach Standortbedingungen ADSL, Telefonie, GPRS und andere Kommunikationsmethoden wählen, um Felddaten und Alarmsignale an die Überwachungszentrale zu übermitteln und dort vergleichende Analysen durchzuführen. Die Feldüberwachungssoftware basiert auf MCGS oder KingSCADA von Kunlun Tongtai. Sie ist einfach zu konfigurieren, bietet umfassende Steuerungsmöglichkeiten und ist benutzerfreundlich. Der Controller kommuniziert über den RJ45-Anschluss mit dem Industrie-PC, der die Werte der entsprechenden Kanäle schnell auslesen und bei Bedarf historische Daten speichern kann. Ein Beispielbildschirm ist in der Abbildung dargestellt. Nach der Abwasserbehandlung erfolgt die Erfassung verschiedener Indikatoren vollautomatisch, was Personalkosten spart, die Betriebskosten senkt und die Wirtschaftlichkeit verbessert. 4. Betriebs- und Managementerfahrung Um den einwandfreien Betrieb der automatisierten Messgeräte zu gewährleisten, ist eine regelmäßige Wartung erforderlich. (1) Die Messgeräte sind sauber zu halten. Neben der Kontrolle der internen und externen Reinigungszeiten sollte die Standardprobenlösung regelmäßig gewechselt werden, um die Genauigkeit der erfassten Daten zu gewährleisten. (2) Die Messgeräte sind regelmäßig zu kalibrieren. Im Langzeitbetrieb treten zwangsläufig Messfehler auf, die eine regelmäßige Kalibrierung erfordern, um die Messgenauigkeit zu gewährleisten. Wir haben einen monatlichen Kalibrierungsplan für die Analysegeräte erstellt. (3) Die Stabilität der Arbeitsumgebung der Messgeräte vor Ort ist sicherzustellen. In der Regel ist vor Ort eine Klimaanlage installiert, um eine nahezu konstante Raumtemperatur und somit genaue Testergebnisse zu gewährleisten. Kurzzeitige Überspannungen können zu Geräteausfällen führen. Daher werden Blitzschutzmaßnahmen und Potenzialausgleich an den Messgeräten vor Ort durchgeführt, um Schäden durch Blitzeinschläge oder statische Aufladung zu verhindern. Insgesamt hat der Einsatz eingebetteter Steuerungen zur Realisierung des unbemannten Betriebs von Wasseraufbereitungsanlagen die Entwicklung des Umweltschutzes erheblich gefördert. Anhang: Leistungsübersicht des eingebetteten Controllers CPU: Motorola 32-Bit Taktfrequenz: 66 MHz Speicher: 32 MB RAM, 16 MB Flash, 32 MB On-Chip-Festplatte (elektronische Festplatte) Betriebssystem: Eingebettetes Linux Erkennungsschaltung: AI, DI, AO, DO Eingangssignal: 0–20 mA, 4–20 mA, 0–5 V, 0–10 V Passiver Schaltereingang, 0–10 kHz Impulseingang Ausgangssignal: 4–20 mA, 0–10 V Relaisausgang A/D/A-Wandler: 16 Bit Betriebstemperatur: -20–70 °C Lagertemperatur: -40–80 °C Kommunikationsschnittstelle: Ethernet, RS485, RS232, Telefon (integriertes Modem, optional) Kommunikationsmethode: ADSL, Festnetztelefon (PSTN), GPRS, Funk, dediziertes Twisted-Pair-Kabel Anzeigemethode: 5-Zoll-LCD-Farbdisplay Bedienungsmethode: Fernbetrieb, Vor-Ort-Bedienung Stromversorgung für die Mensch-Maschine-Interaktion: +5V, +12VDC, ±12V Programmier- und Konfigurationssoftware: SRDEV-Konfigurationssoftware, SRDEV-Offline-Simulationsumgebung, Echtzeit-Skripteditor und Nicht-Echtzeit-Skripteditor.