OPC技術(shù)在城市污水處理控制系統(tǒng)中的應用研究

王樹東 王紅波 譚華 畢作文 曹新鳳

(1.蘭州理工大學 電氣與信息工程學院，甘肅 蘭州 730050;2.甘肅省工業(yè)過程先進控制重點實驗室，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

目前，一些大型控制系統(tǒng)中，往往包含了多種多樣的控制網(wǎng)絡，如DCS、FCS、PLC和智能儀表。一方面，由于時代的不同，控制系統(tǒng)往往存在著先進性的差異，如DCS，F(xiàn)CS并存的局面;另一方面，由于生產(chǎn)廠商的不一致，存在著控制設備品牌與協(xié)議的差異。這兩方面的差異最終導致自成系統(tǒng)，難以實現(xiàn)統(tǒng)一管理。永昌城區(qū)污水處理項目就是典型這類控制系統(tǒng)，其下位機采用了三種不同品牌的PLC，為瑞士ABB公司的AC500系列PM582－ETH PLC，美國Allen－Bradley 公司的 Control Logix系列1756－L61 PLC和德國Siemens公司的S7－300系列PLC，上位監(jiān)控組態(tài)軟件是RSView32。由于RSView32只內(nèi)置了AB公司的PLC驅(qū)動程序，直接導致與ABB和Siemens PLC之間的無法通信，其次，不同品牌的PLC的通信協(xié)議不一樣，使整個控制系統(tǒng)無法互鎖。于是，如何進行可靠的數(shù)據(jù)通訊，確保三個控制站正常運行并滿足互操作就成了解決問題的關鍵所在。OPC(Object Linking and Embedding(OLE)for Process Control，用于過程控制的OLE)技術(shù)就是為了解決這些問題而產(chǎn)生的。

1 OPC技術(shù)介紹

OPC技術(shù)，由OPC基金會于1996年秋推出的。它是以微軟的OLE/COM技術(shù)為基礎建立的一項技術(shù)規(guī)范與標準，采用Client/Server模型，定義了一組COM對象及其雙接口。OPC服務器可以成為OPC數(shù)據(jù)源，OPC應用程序為數(shù)據(jù)的使用者。數(shù)據(jù)源可以是PLC，DCS，條形碼讀取器等控制設備，也有可能是其他的應用程序或數(shù)據(jù)庫。隨控制系統(tǒng)構(gòu)成的不同，作為數(shù)據(jù)源的OPC服務器即可以是和OPC應用程序在同一臺計算機上運行的本地OPC服務器，也可以是在另外的計算機上運行的遠程OPC服務器。一個客戶程序可以同時和一個或多個廠商提供的OPC服務器連接［1］。

OPC對象主要包括服務器(Server)、組(Group)和項(Item)。服務器對象包含服務器的所有信息，也是組對象的容器，一個服務器對應于一個OPC Server，即一種設備的驅(qū)動程序。而組對象相對于項而言也是一個包容器，它提供一套管理項的機制;OPC項則表示了與OPC服務器中數(shù)據(jù)的連接，包括值(Valve)、品質(zhì)(Quality)、時間戳(Time Stamp)3個基本屬性。

由于OPC技術(shù)的使用，實現(xiàn)了不用考慮驅(qū)動程序和接口問題，就可在自動化控制軟、硬件之間實行無縫鏈接，它使設備層、自動化層以及信息層之間的協(xié)同工作成為可能。用戶可在選擇它們的軟、硬模塊時具有充分的靈活性，通過標準化通信接口，多種供應商的產(chǎn)品能被組合、匹配在一起，并在無需修改程序的情況下能夠相互作用。

這樣使得工業(yè)控制系統(tǒng)有著更加簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，更長的使用壽命，并且相對較低的造價。同時現(xiàn)場設備與系統(tǒng)的連接也更加簡單、靈活、方便。因此OPC技術(shù)在國內(nèi)工業(yè)控制領域得到了廣泛的應用。

2 污水處理工藝流程及主要控制

根據(jù)永昌城區(qū)和污水的具體特點，設計一座日處理能力為1.7m3/d的污水處理廠。采用循環(huán)式活性污泥法 CASS(CyclicActivated Sludge System)工藝，該工藝具有能耗低、運行費用少、出水水質(zhì)好、管理簡便、自動化程度高等優(yōu)點。具體工藝流程見圖1。

圖1 污水處理工藝流程

由于城市污水主要是工業(yè)企業(yè)和居民生活所排放的，所以污水中含有大量的有機物，這種污水稱為生化污水。生化污水處理工藝是利用微生物的吸附，氧化和分解作用來降解污水中的有機物含量，形成可以沉淀的污泥，從而使凈化水質(zhì)達到規(guī)定排放的標準。本項目污水處理系統(tǒng)分三個子系統(tǒng):機械處理部分，生化處理部分，污泥處理部分。在機械處理部分中主要涵蓋的有:粗格柵，提升泵房，細格柵，砂水分離池。這部分主要是除去污水中的漂浮物，懸浮物，細小纖維，防止水流中的阻塞和降低后續(xù)生物處理負荷。生化處理部分為:配水井，CASS池，鼓風機房，接觸池，加氯加藥間，計量井。其主要任務是大幅度地去除污水中膠體和溶解狀態(tài)的有機物。采用的方法以CASS法為污水處理的主體工藝。CASS反應池分預反應區(qū)和主反應區(qū)，該工藝過程使活性污泥在預反應區(qū)中經(jīng)歷一個高負荷的吸附階段，隨后在主反應區(qū)經(jīng)歷一個較低負荷的基質(zhì)降解階段，以完成整個基質(zhì)去除過程。經(jīng)過CASS池后的水進入接觸池投加氯消毒，最后通過計量井，此時的水已達到國家排放標準，排至黃河。污泥處理部分是:回流污泥池，貯泥池，污泥緩沖池，污泥脫水間。是防止受納水體發(fā)生富營養(yǎng)和受到難降解的有毒化合物的污染。以下就主要的過程控制加以說明。

(1)格柵機控制系統(tǒng)

在粗細格柵機控制中，主要采用兩種控制方式，一種是液位控制，另一種是時間控制。前者主要是根據(jù)格柵處安放的超聲波液位差計，PLC通過液位差的值來啟動格柵機的運行，為防止格柵機在液位差值的波動上反復的啟動，對此在控制上設置了一定的運行時間。后者是在時間控制方式下，不管液位差的值是多少，到了設定的間隔時間，格柵機就自動啟動運行，運行時間也是可以設定的，這樣更為靈活、方便。格柵間，輸送機，壓榨機為聯(lián)動控制。

(2)提升泵房控制系統(tǒng)

提升泵房設置有3臺提升泵，PLC根據(jù)超聲波液位計的值自動控制水泵的啟停及運行的臺數(shù)，三臺提升泵為自動輪換運行。

(3)CASS池控制系統(tǒng)

目前CASS池的控制方案大體有三種:一是生物濃度控制，是指根據(jù)在線測得的水質(zhì)參數(shù)與設定參數(shù)形成閉環(huán)控制;二是反應時間控制，即根據(jù)對CASS池工藝的各個階段所需要的時間進行自動控制;三是流量程序控制，就是根據(jù)CASS池前的計量井的流量來決定CASS閘門的開關時間，流量大時，進水時間相對縮短，反之，則時間加長。總的情況是保證CASS池的處理量。本項目采用的是第三種控制方案。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)污水廠的分布情況，共設有三個PLC現(xiàn)場控制站和一個中心控制室，三個站分布在粗格柵及污水提升泵房控制室(PLC1)、變配電控制室(PLC2)、污泥脫水房控制室(PLC3)，中央控制室設在廠區(qū)綜合辦公樓內(nèi)。自動控制系統(tǒng)由三層組成:現(xiàn)場控制層，過程監(jiān)控層，管理層，遵循“集中管理，分散控制，數(shù)據(jù)共享”的原則。系統(tǒng)各部分相對獨立性，并可利用網(wǎng)絡技術(shù)完成系統(tǒng)的縱向與橫向擴展，檢修系統(tǒng)的任一部分，不會影響其它部分的正常運行。整體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

自控系統(tǒng)采用集散型控制系統(tǒng)，即由中央監(jiān)控系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡、現(xiàn)場控制站(PLC)以及就地控制盤組成。中央控制室操作員站和現(xiàn)場PLC控制站之間通過工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)接，數(shù)據(jù)和參數(shù)可以在PLC與中央控制室管理站之間相互傳送，PLC控制站和現(xiàn)場儀表之間通過現(xiàn)場總線Profibus和4～20mA進行數(shù)據(jù)傳輸，MCC控制站通過PLC控制站的輸入輸出模塊和PLC進行數(shù)據(jù)傳輸。PLC1負責粗格柵、細格柵、污水提升泵房的設備控制及數(shù)據(jù)采集。PLC2主要針對鼓風機房、變配電室、沉沙池、CASS反應池、接觸池、加氯間、潷水器、進廠水水質(zhì)及出廠水水質(zhì)的設備控制及數(shù)據(jù)采集。PLC3負責貯泥池、污泥脫水機房、沖洗水池的設備控制及數(shù)據(jù)采集。中央監(jiān)控機用以監(jiān)視全廠工藝設備的運行狀態(tài)、工藝過程中的各種參數(shù)、主要設備的控制和事故報警、主要參數(shù)的越限報警等。當監(jiān)控工作站故障或不使用時，下位PLC控制站仍可繼續(xù)工作而不影響整個工藝過程控制和檢測。就地控制系統(tǒng)是可以獨立運行的控制系統(tǒng)。在正常情況下，就地控制系統(tǒng)可以接受監(jiān)控系統(tǒng)的指令運行;在事故情況下，就地控制系統(tǒng)與污水廠自控系統(tǒng)通訊發(fā)生故障，就地控制系統(tǒng)可以獨立地控制本系統(tǒng)自動運行。

本監(jiān)控系統(tǒng)的配置，不但能夠?qū)崟r采集和顯示出各設備的運行工況及各項工藝運行參數(shù)，而且能夠合理解決和協(xié)調(diào)運行中各工藝單元之間的優(yōu)化配合，以提高整個污水處理系統(tǒng)的運行管理水平，使整個系統(tǒng)能夠正常、穩(wěn)定、安全、高效、低耗運行，并取得最佳效益。

3.1 系統(tǒng)硬件選型

考慮到污水處理控制對系統(tǒng)安全性、可靠性、靈活性和可維護性的要求，本系統(tǒng)硬件組成為

(1)PLC造型

格柵控制室采用的是瑞士ABB公司的AC500系列可編程序控制器，變配電室采用的是美國Allen－Bradley公司的Control-Logix系列PLC，脫水機控制室為德國Siemens公司的S7－300系列。ABB公司的AC500系列PLC系統(tǒng)是世界知名品牌之一，代表者世界PLC的發(fā)展方向，有較高的市場占有率。AC500系列PLC系統(tǒng)具有網(wǎng)絡功能強、可靠性高、價格適中的特點。

(2)監(jiān)控計算計造型

監(jiān)控計算機為臺灣研華4臺，CPU:Core2 Duo E7400(2.8GHz，800MHz FSB，2MB L2 Cache，，EM64－T)，液晶顯示器:22寸 1920×1080，內(nèi)存:2048MB，硬盤:250GB，光驅(qū):可讀寫 DVD，16倍速，集成一個千/百兆自適應以太網(wǎng)控制器。

(3)UPS電源選型

UPS電源(不間斷電源)選用SANTAK公司的產(chǎn)品4臺。

(4)打印設備選型

美國HP公司彩色噴墨打印機2臺，激光打印機(黑白)1臺。

3.2 上位監(jiān)控軟件設計

根據(jù)污水處理廠的自身工藝和控制系統(tǒng)對上位機軟件的要求，上位監(jiān)控系統(tǒng)采用了RSView32開發(fā)。由于Windows為RSView32和基于Windows的應用軟件提供接口，RSView32利用DDE和OPC技術(shù)，與Windows應用程序間進行數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)本地控制單元與上位機之間數(shù)據(jù)和信息共享，為用戶提供更為集中的數(shù)據(jù)操作環(huán)境，實現(xiàn)信息集中管理，并向上層系統(tǒng)提供開放式數(shù)據(jù)庫接口ODBC。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實時顯示液位、溫度、PH值、COD值、BOD值，水的流量、變頻器工作狀態(tài)、手動自動遙控的狀態(tài)等。它主要由登錄管理模塊、監(jiān)控界面、報警、報表、數(shù)據(jù)庫、預測模塊、趨勢、系統(tǒng)幫助等模塊組成。

登錄管理:根據(jù)建立權(quán)限制度，不同的用戶設置不同的等級，防止不同用戶越權(quán)使用，出現(xiàn)非法操作。監(jiān)控界面:主要指系統(tǒng)的工藝流程，設備圖，按系統(tǒng)的工藝流程編制的中文圖形化人機界面，便于操作員監(jiān)視整個污水處理廠的情況，并且可方便地根據(jù)系統(tǒng)運行情況正確操作。報警:如現(xiàn)場信號異常或自身控制系統(tǒng)出錯，模擬量超限，系統(tǒng)在LCD上也能發(fā)出聲光報警，根據(jù)組態(tài)可快速切換到當前發(fā)生故障的畫面。報表:按照工藝要求對水廠的進出水水質(zhì)和水量等參數(shù)進行報表統(tǒng)計，可根據(jù)需要形成特點參數(shù)組合的小時報表、天報表、月報表、年報表。數(shù)據(jù)庫:系統(tǒng)所有設備的信息生成數(shù)據(jù)庫，便于操作維護人員對系統(tǒng)設備的管理。水質(zhì)預測:對污水處理廠進出水水質(zhì)進行預測，為生產(chǎn)管理人員進行優(yōu)化運行提供決策參考。趨勢:監(jiān)控系統(tǒng)對設備參數(shù)實時記錄，通過趨勢曲線顯示在趨勢畫面上，并具有參數(shù)預測功能，操作員可通過該畫面查詢設備參數(shù)的變化情況，方便系統(tǒng)操作。系統(tǒng)幫助:系統(tǒng)提供在線幫助功能，包括操作手冊和設備常見故障維護。

4 OPC通訊設置

RSView32具有強大的通信功能，其向上可通過 TCP/IP，Ethernet與高層管理網(wǎng)互聯(lián);向下可通過Wintelligent LINK，OPC，DDE等與數(shù)據(jù)采集硬件通信。對于大多數(shù)本機與遠程設備之間的通信，RSView32采用OPC或DDE連接，本項目采用OPC作為與遠程設備的通信方式，使RSView32可以作為一個客戶端或服務器，允許在不同的RSView32以及其他OPC服務器之間進行點對點通信［5］，項目控制系統(tǒng)將RSLinx作為OPC服務器。

按以下方法將RSView32設置為OPC服務器:

(1)啟動OPC或DDE服務器;

(2)啟動RSView32，并創(chuàng)建或者打開一個項目;

(3)創(chuàng)建節(jié)點，將數(shù)據(jù)源選為OPC Server，之后發(fā)出RT Data-Server On命令(使用RT Data Server Off命令可以取消此功能)，這將允許其它應用程序讀取數(shù)值但不能改變它;發(fā)出RT Data Write Enable命令(使用RTData Write Disable命令可以取消此項功能)，這允許從外部OPC應用程序?qū)懭耄愿淖僐SView32的標記值。

客戶端應用程序要從 RS View32取得數(shù)據(jù)，那么必須使用下列信息:OPC Server為RS.RSView320PCTag Server;RSLink安裝在本臺電腦上，服務器的類型就選擇為本機;如果客戶和服務器在同一計算機上，那么服務器計算機名或地址這項可以是空白;訪問路徑:項目名;更新速率指定OPC服務器發(fā)送數(shù)據(jù)到OPC客服機的最大速度，默認值為1s。OPC服務器實際使用的速率可能比用戶指定的速度要慢;條目:標記名。可以通過查看RSView32的標簽數(shù)據(jù)庫獲得。

5 OPC接口開發(fā)

監(jiān)控軟件只有通過OPC才能訪問OPC Server，當監(jiān)控軟件采用VB6.0或者其他高級語言開發(fā)時，需要開發(fā)訪問OPC Server的OPC接口。在此用VB6.0開發(fā)OPC的自動化接口。我們開發(fā)OPC客服端的目的就是為了通過OPC 服務器去訪問現(xiàn)場設備，讀取來自現(xiàn)場設備的實時數(shù)據(jù)，監(jiān)控設備的工作狀態(tài)，由于OPC客服端和服務器的接口標準都是符合OPC數(shù)據(jù)訪問規(guī)范要求，所以開發(fā)的客服端如果能夠?qū)崿F(xiàn)與某一個設備廠商提供的OPC服務器的數(shù)據(jù)通信，那么其也能夠與其他所有設備廠商提供的OPC服務器進行通信。

OPC客服端開發(fā)過程:

(1)安裝由OPC基金會提供的動態(tài)鏈接庫OPCDAAuto.dll文件;

(2)在 VB6.0 里引用 OPC Automation 2.0;

(3)創(chuàng)建一個OPC服務器對象，Set ObjServer=New OPC Server;

(4)連接一個OPC服務器，ObjServer.Connect strProgID，str-Node;

(5)添加一個OPC組集合，SetObjGroups=ObjServer.OPCGroups;

(6)添加一個 OPC組，Set ObjTestGrp=ObjGroups.Add(“TestGrp”);

(7)客服端有三種方式訪問服務器的數(shù)據(jù)，分別是同步數(shù)據(jù)讀寫、異步數(shù)據(jù)讀寫、訂閱方式的數(shù)據(jù)采集。這里我們采用同步數(shù)據(jù)讀寫，待OPC服務器對應的操作全部完成之后，OPC客服程序才能返回，在這期間OPC客服程序一直處于等待狀態(tài)。

同步讀:ObjItem.Read OPCDevice，myValue，myQuality，myTimeS-tamp

Edit_ReadVal=myValue

Edit_ReadQu=GetQualityText(myQuality)

Edit_ReadTs=myTimeStamp

同步寫:On Error GoTo ErrorHandler

Serverhandles(1)=ObjItem.ServerHandle

MyValues(1)=Edit_WriteVal

ObjGroup.SyncWrite 1，Serverhandles，MyValue，MyErrors

Edit_WriteRes=ObjServer.GetErrorString(MyErrors(1))

(8)斷開OPC服務器的連接，ObjServer.Disconnect Set ObjServer=Nothing

6 結(jié)束語

本文介紹了OPC技術(shù)開發(fā)的污水處理控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和用VB6.0開發(fā)訪問OPC服務器的自動化接口的通用過程。實現(xiàn)了RSView32和三種不同品牌PLC之間的通信以及污水處理參數(shù)的遠程監(jiān)控，及時掌握了污水水質(zhì)變化趨勢。如此保證了通訊網(wǎng)絡良好的兼容性和穩(wěn)定性，實現(xiàn)了通訊的高速，并為生產(chǎn)工藝的進一步改進提供方便，同時通過OPC接口的開發(fā)，使得監(jiān)控軟件可對OPC服務器的數(shù)據(jù)進行讀寫操作，提高了污水處理控制系統(tǒng)的開放性和管理水平，從而降低了控制系統(tǒng)的造價，減少了勞動強度，具有很好的經(jīng)濟效益和社會效益。

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