基于OPC技術的城市污水處理集散控制系統

王樹東，王紅波，譚華，陳仕彬，孟靜靜

（1.蘭州理工大學 電氣與信息工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省工業過程先進控制重點實驗室，甘肅 蘭州 730050；3.河池學院 計算機與信息科學系，廣西 宜州 546300）

1 引言

當今，污水處理控制系統越來越智能化、大型化。控制系統中的各種智能儀器、儀表、PLC等一般是不同的生產廠商提供，設備具有不同的通信機制，不同軟件中的通訊模塊訪問接口也不盡相同，因而造成工控軟件之間不能相互通信，資源不能共享，數據沒有實現整體管理。本項目就是典型的這類控制系統，其下位機采用了瑞士ABB公司的AC500系列PM582－ETH PLC和美國Allen－Bradley公司的ControlLogix系列1756－L61PLC，上位組態軟件為組態王Kingview6.5。為此，如何能使來自不同廠商的軟硬件組成一個有機整體，使各PLC站正常運行并能夠互操作，數據傳輸可靠，且速度快，成為解決問題的關鍵所在。OPC（用于過程控制的OLE）技術就是為了解決這些問題而產生的。

2 OPC 技術介紹［1］

OPC技術，由OPC基金會于1996年秋推出。它是以微軟的OLE／COM技術為基礎建立的一項技術規范與標準，采用Client／Server模型，具有語言無關性、代碼重用性、易于集成性等優點。OPC服務器收集現場設備數據信息，OPC客戶端通過OPC標準接口獲取OPC服務器的各種信息。凡是符合OPC標準的客戶端都可以訪問來自任何生產廠商的OPC服務器。

OPC服務器支持兩種類型的訪問接口：自動化接口 （automation interface）；自 定義接口（custom interface）。自動化接口是為基于腳本編程語言而定義的標準接口，可以使用VisualBasic，Delphi，PowerBuilder等編程語言開發OPC服務器的客戶應用。自定義接口是專門為C＋＋等高級編程語言而制定的標準接口。

OPC對象主要包括服務器（server）、組（group）和項（item）。Server對象包含了OPC Server相關信息，可以對Group對象進行添加和刪除，是Group對象的容器。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服務器中數據的連接，包括值（value）、品質（quality）、時間戳（time stamp）3個基本屬性。

由于采用OPC后，現場設備與系統的連接更加簡單、靈活、方便，針對硬件的驅動程序不再由軟件廠家開發，而是由硬件廠家提供統一的OPC接口，從而避免了軟件廠家的重復開發，大大降低了開發費用。這樣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同工作成為可能。因此OPC技術在國內工業控制領域得到了廣泛的應用。

3 污水處理工藝流程及主要控制

根據某城區和其污水的具體特點，設計了一座日處理能力為1.7m3／d的污水處理廠。采用循環式活性污泥法CASS（cyclic activated sludge system）工藝，該工藝具有能耗低、運行費用少、出水水質好、管理簡便、自動化程度高等優點。其污水處理工藝流程如圖1所示。

圖1 污水處理工藝流程Fig.1 Sewage treatment process

城市污水管網收集到的污水經過水廠的進水控制井后進入粗格柵，在此，比較大的懸浮物被攔截，以防止水流的阻塞和降低后續生物處理負荷。然后經提升泵提升，以提高水的重力勢能，從而使水可以依靠重力的作用流過后續各個構筑物。接著污水進入細格柵，在細格柵較小的懸浮物進一步被攔截。之后流入回旋沉砂池，進行砂水分離。經過沉淀后的污水流入CASS生物反應池，CASS反應池分預反應區和主反應區，該工藝過程使活性污泥在預反應區中經歷一個高負荷的吸附階段，隨后在主反應區經歷一個較低負荷的基質降解階段，以完成整個基質去除過程。經過CASS池后的水進入接觸池加氯消毒，最后通過計量井，此時的水已達到國家排放標準，排至黃河。而多余的污泥被排泥泵送到脫水機房，通過脫水處理，污泥被壓干制成餅，用作肥料。以下就主要的過程控制加以說明。

3.1 鼓風機的控制

PLC根據反應池中測得的DO值調節曝氣池進氣閥的開度，鼓風機的頻率則根據出風壓力進行調節。PLC將實時采集的壓力傳感器信號與用戶設定信號進行比較，通過PID調節控制變頻器的輸出頻率，從而控制鼓風機轉速和出氣量。當壓力低于預設定值，增大鼓風機頻率，轉速加快，氣壓上升。反之，則減少頻率，轉速下降，氣壓減少。從而降低鼓風機多余用電負荷消耗，也使壓力保持穩定，同時也減少了管道壓力過高時對閥門等設備的損害［2］。

3.2 加氯間控制

管道泵按設定的時間程序由PLC啟動，亦可手動控制。在加氯間中設有一臺漏氯檢測儀，其有高低濃度開關輸出。當檢測到空氣中氯氣含量超標但仍為低濃度時開軸流風機，高濃度時啟動氯氣吸收裝置并關閉軸流風機，同時發出報警信號，現場報警儀啟動。

4 控制系統設計

本系統根據污水廠工藝要求和設計要求，考慮到系統的可靠性、開放性、易維護性和可擴展性，按“集中管理，分散控制”的原則，采用集散控制系統（distribute control system，DCS）。其綜合了計算機技術、網絡通信技術、軟件技術、輸入輸出接口技術等前沿技術，在大型控制系統中得到廣泛應用，并成為主流。以下給出應用OPC技術的集散控制系統軟件結構圖，如圖2所示。

在污水處理集散控制系統中，由3個PLC現場控制站和一個中心控制室組成，3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綜合辦公樓內。控制系統網絡結構圖如圖3所示。

圖2 集散控制系統結構Fig.2 The structure of distributed control system

圖3 控制系統網絡結構Fig.3 Control systems network architecture

由圖3可見，系統由污水處理廠運營管理局域網和過程監控工業以太網二級網絡構成，在兩級網絡構架下，實現控制系統的3個功能層：現場控制層、過程監控層和管理層。現場控制層由PLC、現場智能儀器儀表、控制設備等組成。該功能層主要是實現污水處理廠各部分設備控制、運行狀態、儀器儀表參數的數據采集，并通過工業以太網向監控層傳送數據和接受監控層控制指令。過程監控層是系統信息交換、信息顯示及控制的中心，由接在工業以太網上的工程師站和操作員站的2臺工業控制計算機構成。該層通過組態工具和監控應用軟件實現整個污水處理全過程的測量數據的集中顯示與管理，具有動態畫面顯示、報警、報表輸出功能、趨勢預測功能、實時歷史數據存儲功能。管理層是建立在由管理計算機和數據庫服務器組成的局域網上。實現污水處理廠的生產過程，決策調度及各項生產運營管理等功能，并留有具有網絡安全防護的遠程數據庫用戶訪問接口，實現授權的用戶遠程數據庫訪問［3］。全廠主要機械設備的控制采用就地手動控制、自動控制、中央控制站遙控的3層控制模式，控制級別由高到低為：現場手動控制、遙控控制、自動控制。

本監控系統的配置，不僅顯示出各設備的運行工況及各項工藝運行參數，而且能夠合理解決和協調運行中各工藝單元之間的優化配合，能夠實時采集和以提高整個污水處理系統的運行管理水平，使整個系統能夠正常、穩定、安全、高效、低耗運行，并取得最佳效益。

4.1 系統硬件選型

考慮到污水處理控制對系統安全性、可靠性和甲方要求提供不同品牌控制器以滿足日后系統的兼容和擴展的要求，本系統硬件組成為：格柵控制室采用的是ABB公司的AC500系列PM582－ETH PLC，變配電室和脫水機控制室均是Allen－Bradley公司的 ControlLogix系列1756－L61 PLC。ABB公司的AC500系列PLC系統具有網絡功能強、可靠性高、價格適中的特點。監控計算機為研華6臺，CPU：Core2Duo E7400（2.8GHz，800 MHz FSB，2MB L2Cache，EM64－T），液晶顯示器：22×2.54cm，內存：2048MB，硬盤：250GB，光驅：可讀寫DVD，16倍速，集成一個千／百兆自適應以太網控制器。UPS電源（不間斷電源）選用S ANTAK公司的產品6臺。HP公司彩色噴墨打印機2臺，激光打印機（黑白）2臺。

4.2 上位監控軟件設計

污水處理控制系統是一個多參量、多設備、多任務且具有隨機性、時變性和耦合性的復雜系統，其必須確保整個污水處理工藝和設備能夠長期安全可靠的運行和科學的管理，因此，上位監控系統采用Kingview6.5進行開發。Kingview6.5為系統開發人員提供了集成、靈活、易用的開發環境和強大的功能，能夠快速建立、測試和部署自動化應用、傳遞和記錄實時信息，使用戶能夠實時查看和管理生產過程。中心控制室監控主畫面如圖4所示。

圖4 中心控制室監控主畫面Fig.4 The main monitor screen of central control

該上位監控系統實現了3大類的功能：顯示功能，設備控制和管理功能，通訊功能。顯示功能，監控系統以圖形方式顯示了整個污水處理工藝流程，動態地顯示了當前所處的工作狀況及各設備的運行情況，并將相應的參數如溫度、pH值、DO值、COD值、BOD值等顯示在對應的位置上，使管理人員能及時、準確地監測水質變化和了解各設備工況，實現了水質的實時連續監測和遠程監控。設備控制和管理功能，管理人員可通過監控系統遠程對污水處理系統中的各過程設備發出啟動或停止命令，也可以對控制參數進行重新設定，此時需要有一定的授權。管理人員亦能夠通過監控畫面上顯示的設備故障信息，可以調出設備所在位置，派人前去維修。如未能及時處理，也可根據已經建立的設備故障檔案來查找信息，從而進行維護。這樣很大程度上減輕了工作人員的工作量，也提高了工作效率，是監控軟件優勢的集中體現。數據庫上根據現場獲得的實時監測數據，可以進行統計、處理、打印輸出日，周、月、季、年平均數據表和各種監測、統計報告，這些用于過程存檔、歷史數據查詢、事故分析和經驗學習等［4］。通訊功能：中心控制室監控系統實現與其它系統進行通訊，如與各現場PLC站之間的通訊，與公司調度系統間的通訊。

5 通訊設置

對于大多數本機與遠程設備之間的通信，組態王采用OPC或DDE連接，本項目采用OPC作為與遠程設備的通信方式，使組態王可以作為一個客戶端或服務器，允許其他OPC服務器之間進行點對點通信。組態王把每一臺與之通訊的設備看作是外部設備，為實現與外部設備的通訊，組態王內置了大量設備的驅動作為組態王與外部設備的通訊接口。

OPC服務器的設置：打開組態王，在組態王的工程器中選擇“設備”，點擊“OPC服務器”，在顯示的窗口中雙擊“新建”，此時則會彈出一個對話窗口，在OPC服務器列表中選擇“RSLinx OPC Server”，點擊“確定”即可。同樣的操作，再次點擊“新建”，在OPC服務器列表中選擇“CoDeSys.OPC.02”，點擊“確認”。這樣OPC服務器的設置就成功。

OPC客服端設置：在安裝AB PLC、通訊卡和相關的軟件，編寫了程序，并作物理連接后，使用RSLinx連接AB PLC的通訊網絡。首先點擊“開始”→“所有程序”→“Rockwell Software”→“RSLink”→“RSLink Classic”，這時打開了一個窗口RSLink Classic Gateway。其次在彈出的窗口 中 點 擊 “communications”，選 擇 “Configure Drivers”，在彈出的窗口中，選擇對應的通訊卡，并進行端口配置，配置成功后將顯示所配置的設備的運行狀態。完成此項操作后，接著使用“RSWho”命令查找連接的 PLC設備。待RSWho命令成功的執行后，將在設備列表中列出與本機連接的所有硬件設備。之后便是使用Topic Configoration來進行OPC服務的配置。其操作是點擊“DDE／OPC”→“Topic Configoration”，彈出窗口，選擇“Date Source”，在“Date Source”配置框中配置Topic，選擇一個物理設備（PLC），按“New”按鈕即建立了一個“Topic”，單擊“Done”即可。如此有關AB PLC的OPC服務器設置就建立好了。再依照一定的操作在ABB PLC編程軟件CoDeSys V2.3中進行設置，整個OPC的通信設置完成。

6 DO的模糊PID控制

由于污水處理中進水的流量和水質在時間上具有不固定性，整個系統也具有高度的非線性和大時滯，使其難以在短時間內達到平衡，而且輸入量為隨機變量，導致建立污水處理控制系統的精確數學模型是非常困難的。因此，污水處理系統要達到預期處理目標，保證出水水質，還應逐步引入模糊PID控制。模糊PID控制兼具模糊控制強魯棒性和良好的動態性能與PID控制可靠性強、精度高、控制簡單的兩者優點，能避開繁瑣的建模過程和解決系統滯后等麻煩問題，從而實現污水處理的實時優化控制。

本項目將模糊PID控制應用于溶解氧DO的控制中。溶解氧的濃度是污水處理進程的主要影響因素，是考核污水處理是否達標的關鍵指標。溶解氧的含量是由鼓風機曝氣控制的，如果曝氣時間過長，易發生污泥膨脹而且浪費能源；曝氣時間過短，則出水難以達標。DO的模糊PID控制結構圖如圖5所示。

圖5 模糊PID控制結構圖Fig.5 The structure of fuzzy－PID control

設計了一個雙輸入單輸出的模糊控制器而且引入了PID，輸入變量分別為DO的偏差E和DO偏差變化EC，輸出變量為鼓風機鼓風量。其控制原理是：控制系統的設定值與輸出值之間存在誤差e（t），e（t）是時間的系數。因此求得誤差變化率de（t）／dt，把e（t）和de（t）／dt模糊化，按照由人的經驗總結出來的語言控制規則進行模糊推理，給出模糊化，再將其轉化為精確量，經過PID控制器，對被控對象實施控制，從而實現溶解氧的控制。

6.1 模糊化

在模糊控制器設計中，可以取7種模糊量，即“NB＝Negative Big（負大）”，“NM ＝Negative Medium （負 中）”，“NS＝Negative Small（負小）”，“ZO＝Zero（零）”，“PS＝Positive Small（正小）”，“PM＝Positive Medium （正中）”，“PB＝Positive Big（正大）”，可以得到偏差E、偏差變化EC、輸出變量U的模糊子集：E和U的模糊集均為［NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB］，并且論域為［－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5］，EC＝［NB，NS，ZO，PS，PB］，其論域是［－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4］。

6.2 模糊推理規則

以DO為被控量的模糊控制系統是典型的雙輸入單輸出系統，其模糊控制規則形式為：

IF E＝……AND EC＝……THENU：……，共35條模糊控制規則。控制規則表見表1。

表1 控制規則表Tab.1 Rule of control

選取上述控制量變化的原則是：當DO偏差及偏差變化量為大或較大時，選擇曝氣量以盡快消除誤差為主；當DO偏差及偏差變化量較小，選擇曝氣量要注意防止超調，以系統的穩定性為主要出發點。例如如果“偏差”為“負大”，且“偏差變化”為“負大”，則當E＝NB時“曝氣量U”為“正大”，意味著當DO的誤差及誤差變化均為負大時，反應器內的DO濃度很低，有進一步減低的趨勢，要盡快提高DO濃度，必須增大曝氣量，所以U取正大，IF E＝NB AND EC＝NBTHEN U＝PB。

6.3 模糊決策表

通過求解模糊關系矩陣來建立控制表是一個很復雜的過程，計算量龐大，在此利用Matlab中的模糊工具箱來完成這一過程，將所得結果四舍五入，就可以得到控制決策表，如表2所示。

表2 控制決策表Tab.2 Decision of control

考慮到給水系統的實時控制，模糊控制器就能很方便地從該控制表中查詢所需要采取的控制策略，從而實現模糊控制；也可以根據實際情況對表中的單元數據進行適當的改動，從而提高控制性能。同時結合PID，這種模糊PID控制器不僅可消除極限環振蕩，而且可完全消除系統余差，使系統成為無差模糊控制系統（e→0），從而提高系統的控制精度。

7 結論

本文介紹了OPC技術開發的城市污水處理集散控制系統和將模糊PID控制應用于溶解氧的控制中，實現了污水處理的實時優化，并降低能耗。實現了組態王和兩種不同品牌PLC之間的通信以及污水處理設備和參數的遠程監控，及時掌握了污水水質變化趨勢。因此保證了通訊網絡良好的兼容性和穩定性，實現了通訊的高速，并為生產工藝的進一步改進提供方便。同時，模糊PID控制的引入改善了系統的動態性能和穩態性，提高了污水處理控制系統的開放性和運行速度，從而降低了控制系統的造價，減少了勞動強度，具有很好的經濟效益和社會效益。

［1］日本OPC協會，OPC（中國）促進委員會.OPC應用程序入門［Z］.2005.

［2］胡志軍，夏建華，嚴小毛.西門子工業自動化產品在污水處理廠中的應用［J］.The World of Inverters，2008（6）：9－10.

［3］黃健.基于DCS的污水處理廠自動監控系統研制［D］.合肥：合肥工業大學，2007.

［4］張玥.基于LONWORKS技術的污水處理控制系統的研究［D］.成都：西南交通大學，2007.

［5］鄧李.ControlLogix系統實用手冊［M］.北京：機械工業出版社，2008.