OPC技術(shù)在城市污水處理中的應(yīng)用

摘要：為了解決WinCC與RSLinx之間的通信以及站與站之間的互操作問題，提出在城市污水處理過程中采用OPC技術(shù)的應(yīng)用方案。首先簡要介紹了OPC技術(shù)的特點，然后分析了城市污水處理的工藝流程，最后詳細(xì)給出了將OPC技術(shù)應(yīng)用到城市污水處理控制系統(tǒng)的具體設(shè)計及實現(xiàn)方法。該技術(shù)的應(yīng)用使得系統(tǒng)在實現(xiàn)無縫集成的同時，大大簡化系統(tǒng)復(fù)雜性，并減輕了生產(chǎn)及維護(hù)工人的勞動強度，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

關(guān)鍵詞：城市污水處理 OPC技術(shù) 無縫集成 開放式系統(tǒng) 監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

目前，城市污水處理系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備基本上采用分散獨立的傳統(tǒng)繼保裝置，對于現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的采集，大都是由廠家自己編寫的專用驅(qū)動程序。雖然這些驅(qū)動程序可以針對其專門的硬件進(jìn)行最優(yōu)化讀取，但如果需要集成不同廠家的硬件時，就會產(chǎn)生不同軟硬件之間的數(shù)據(jù)沖突；而且在污水處理過程中會用到大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備，維護(hù)量大，也不利于整個系統(tǒng)的監(jiān)控、調(diào)度和集中管理。在靖遠(yuǎn)城區(qū)污水處理項目中，為了能低成本地解決這些問題，采用OPC(OLE for process contr01)技術(shù)，在中心控制室設(shè)置調(diào)度監(jiān)控中心，通過主站對污水處理廠各PLC站進(jìn)行集中控制和監(jiān)視，較好地解決了ControlLogix 1756一L61 PLC和西門子公司的s7-300系列PLC的通信和互操作。 

1 OPC技術(shù)簡介

隨著過程控制和工業(yè)自動化的發(fā)展，自動化系統(tǒng)廠商希望能夠集成不同廠家的不同軟硬件設(shè)備，實現(xiàn)各家設(shè)備之間的互操作；而現(xiàn)實中不同供應(yīng)商的軟硬件存在著不同的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，供應(yīng)商對這種標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議專權(quán)享有，難以實現(xiàn)系統(tǒng)的無縫集成。在這種情況下，OPC作為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運而生，它為工業(yè)環(huán)境中的信息交互提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)軟件接口，改變了客戶相對被動的局面。

由于OPC接口的基礎(chǔ)是Microsoft Windows的 COM和DCOM技術(shù)，因此，只有當(dāng)設(shè)備帶有的操作系統(tǒng)是基于Windows COM和DCOM技術(shù)時，才能使用 OPC接口方法。OPC按照面向?qū)ο蟮脑瓌t，將一個應(yīng)用程序(OPC服務(wù)器)作為一個對象封裝起來，只將接口方法暴露在外面，客戶以統(tǒng)一的方式去調(diào)用這個方法，從而保證了軟件對客戶的透明性，使得用戶完全從底層的開發(fā)中脫離出來。OPC規(guī)范了接口函數(shù)，不管現(xiàn)場設(shè)備以何種形式存在，客戶都以統(tǒng)一的方式去訪問，實現(xiàn)了系統(tǒng)的開放性。 

OPC技術(shù)的關(guān)鍵在于它提供了一種高效的通信機制，其所關(guān)心的是現(xiàn)場數(shù)據(jù)的存取方式而不是實際的數(shù)據(jù)類型，它給工控軟件提供了一種一致的存取現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的方法。OPC的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為客戶端 (client)／服務(wù)器(8erver)模式。由于OPC技術(shù)的采用，使得以更簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、更長的壽命、更低廉的價格解決工業(yè)控制系統(tǒng)成為可能；同時，現(xiàn)場設(shè)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(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 

2水處理工藝流程

污水處理就是利用各種不同的方法，將污水中所含污染物質(zhì)分離出來或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，從而使污水得到凈化的過程。靖遠(yuǎn)城區(qū)污水處理流程如圖1所示。

本污水處理工藝分為一級處理和二級處理。

一級處理主要是采用物理法取出懸浮物以及部分有機物，其具體工藝過程是管網(wǎng)來的污水首先流入迸水控制井，使污水量和水質(zhì)得到調(diào)節(jié)，從而使污水處理達(dá)到穩(wěn)定平衡運轉(zhuǎn)；再將污水分別通過粗、細(xì)格柵，以截阻粗大的懸浮物；然后在沉砂池中利用重力分離原理，將污水中的砂粒、礦渣等較大的無機顆粒分離出去，而吸砂機則將沉砂吸出，送到砂水分離器。沉砂池的作用是將污水中的沙礫分離出來，防止其對后續(xù)工序設(shè)備的損害，最后進(jìn)入二級處理。

二級處理是在一級處理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用物化法去除污水中的膠體及溶解性物質(zhì)，其主要工藝采用CASS池(包括厭氧池、好氧池和沉淀池)T藝生化處理，包括：一級處理過的污水首先進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)進(jìn)行厭氧處理，厭氧池中的污泥吸收污水中的一些有害物質(zhì)后，污水進(jìn)入好氧池，由鼓風(fēng)機提供微生物所需的氧氣，與池內(nèi)活性污泥混合成混合液；然后在曝氣池中經(jīng)過連續(xù)、充分的曝氣，曝氣一方面使活性污泥處于懸浮狀態(tài)，與廢水充分接觸；另一方面，通過曝氣，向活性污泥供氧，保持好氧條件，使微生物正常生長和繁殖，通過微生物的新陳代謝，使有機物無機化、有毒物質(zhì)無害化；污水進(jìn)入沉淀池后，沉淀后的污泥流人污泥濃縮池進(jìn)行處理，其中沉淀雜質(zhì)較少的上清液再由污泥回流泵送往厭氧池進(jìn)行循環(huán)處理。經(jīng)過CASS池、接觸池，再經(jīng)加氯消毒后，此時的水已達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，可排至黃河。

由于污水處理廠產(chǎn)生的大量污泥含有有害、有毒物質(zhì)，會對周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響，所以，必須對污泥進(jìn)行及時處理和處置，使之減量、穩(wěn)定、無害化以及能被綜合利用。污泥的處理包括消化、濃縮等過程。初沉池沉淀的生污泥通過泵提升到重力濃縮池進(jìn)行濃縮。二沉池沉淀的活性污泥一部分由回流泵提升到 CASS池的厭氧區(qū)，以增加活性污泥濃度；另一部分通過泵提升到氣浮濃縮池。經(jīng)過2個濃縮池濃縮后的污泥，通過投配泵提升到消化池進(jìn)行消化處理。最后進(jìn)入脫水間脫水成較干的污泥即可外運處理。 

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)污水處理丁藝特點、構(gòu)筑物的分布及整體控制要求，整個自動控制系統(tǒng)設(shè)置了3個現(xiàn)場PLC監(jiān)控站和1個中心控制室，從而實現(xiàn)了分散檢測和控制、集中顯示和管理的原則。其中，3個現(xiàn)場監(jiān)控站分別負(fù)責(zé)污水處理過程中的粗格柵及污水提升泵房控制室、變配電室控制室、污泥脫水機房控制室；而中心控制室設(shè)在廠區(qū)綜合辦公樓內(nèi)，中央控制室中的中央監(jiān)控機可以監(jiān)視全廠工藝設(shè)備的運行狀態(tài)、工藝過程中的各種參數(shù)、主要設(shè)備的控制和事故報警、主要參數(shù)的越限報警等。下位機系統(tǒng)采用PLC，上位機系統(tǒng)采用IPC (工業(yè)PC機)。整個控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

自控系統(tǒng)采用集散型控制系統(tǒng)，即由上位機、通信網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場控制站(PLC可編程序控制器)以及就地控制盤組成。各現(xiàn)場控制站設(shè)置在就地控制室內(nèi)，控制站將采集到的各種參數(shù)及信號傳送到中央監(jiān)控管理計算機，并接收上位機指令。當(dāng)上位機發(fā)生故障時，系統(tǒng)仍能按照預(yù)編程序?qū)�轄區(qū)內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行控制。CASS 反應(yīng)池就地控制盤(箱)設(shè)置在潷水器附近，其將采集到的各種參數(shù)及信號通過現(xiàn)場控制站傳送至中央監(jiān)控管理計算機，并接收上位機指令，對潷水器的潷水過程進(jìn)行控制和監(jiān)視。就地控制盤(專用控制裝置)位于被控設(shè)備附近，作為工藝設(shè)備成套的控制裝置，其控制功能有3種：①就地手動控制，一般在自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障或檢修時用到；②遠(yuǎn)程遙控控制，操作員在中心控制室進(jìn)行控制，一般用于異常情況下的控制；③ 自動控制，正常情況下系統(tǒng)運行在自動控制模式下�？刂萍墑e由高到低依次為：現(xiàn)場手動控制、遙控控制、自動控制。

另外，為了使經(jīng)營管理人員能及時了解掌握現(xiàn)場情況，提前發(fā)現(xiàn)隱患并及時處理，保證污水廠正常運行，設(shè)立了攝像系統(tǒng)，以監(jiān)視廠內(nèi)生產(chǎn)及安全保衛(wèi)狀況；在污水廠圍墻邊上，還設(shè)置了紅外入侵探測系統(tǒng)，以防止外人非法入侵。

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、可維護(hù)性和靈活性的要求，本系統(tǒng)硬件組成包括現(xiàn)場控制站(粗格柵提升泵房現(xiàn)場控制站和變配電室控制站) 和污泥脫水機房現(xiàn)場控制站。粗格柵及污水提升泵房控制室和變配電室控制室采用AB系列的PLC，而污泥脫水機房控制室采用西門子的$7-300系列PLC；上位機選擇研祥工控計算機(IPC810A 4套)；CPU：PIV／ 3．0 GHz；內(nèi)存：l GB的DDR；硬盤驅(qū)動器：160 GB；光盤驅(qū)動器：DVD±RWIEEE 1394卡；多串口卡標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、鼠標(biāo)、USB接口、通信接口、顯示卡等；低壓電氣選用德力西低壓電氣產(chǎn)品；美國HP公司彩色噴墨打印機2臺，激光打印機(黑白)l臺；UPS電源(不間斷電源)選用Santak公司的產(chǎn)品，4臺。 

3．2上位監(jiān)控軟件設(shè)計

上位監(jiān)控系統(tǒng)采用Simatie WinCC開發(fā)”o，其主要包括計算機、變量管理器、結(jié)構(gòu)變量和編輯器4大部分。變量管理器是對組態(tài)軟件中所用的變量進(jìn)行初始化定義，主要作用是將變量標(biāo)簽與下位機PLC程序中的數(shù)據(jù)相連：編輯器則是實現(xiàn)組態(tài)各個畫面和報警、報表等功能的主要部分。

在上位機中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實時顯示水位、溫度、電機電流、流量、流量累計、流量電流比、變頻器工作狀態(tài)、手動自動狀態(tài)及空氣開關(guān)的狀態(tài)。這樣，在中央控制室內(nèi)就可以檢測到來自現(xiàn)場的各種相關(guān)數(shù)據(jù)，免去了在各站之間煩瑣地來回工作，只需定期到各站檢查一遍即可，從而大大減輕了工作人員的工作量。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對各個站的集中控制，系統(tǒng)可以在控制室里控制各電動設(shè)備的開啟、關(guān)閉和停止動作以及變頻器的啟動停止，并可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。這是實現(xiàn)自動控制的關(guān)鍵所在。自動化操作的實現(xiàn)，使得管理人員在控制室內(nèi)就能夠?qū)崿F(xiàn)對遠(yuǎn)距離各設(shè)備的啟停操作，大大提高了工作效率。報警系統(tǒng)能顯示短時期內(nèi)的報警情況，電機過流或變頻器發(fā)生故障等都會引起系統(tǒng)的報警。報警形式有總報警燈閃爍及報警聲音，事故站按鈕閃爍及報警聲音、報警欄、報警信息顯示 (包括報警單位、報警款項及是否自動消除等)，報警窗口各時期報警情況等。實時數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)可以將一段時間內(nèi)的水位、溫度、含氧量、流量及流量累計等數(shù)據(jù)實時地記錄下來，并打印。曲線分析系統(tǒng)可以實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的趨勢顯示，使操作者能直觀地看到數(shù)據(jù)的變化情況。另外，在按鈕欄上設(shè)有一個總停按鈕(停止所有設(shè)備的運行)，用來應(yīng)付緊急情況。 

4 OPC技術(shù)的通信實現(xiàn)

在本項目中，采用西門子公司和羅克韋爾公司生產(chǎn)的PLC作為OPC Server，并在上位機中開發(fā)OPC Client，以實現(xiàn)這2種PLC之間的互操作。西門子公司為s7- 300／400提供的OPC Server接口集成在Simatic Net軟件包內(nèi)，所以可直接利用S7系統(tǒng)提供的OPC Server。同時。在PC機上創(chuàng)建OPC服務(wù)器，并采用Simatic Net軟件建立Profibus．DP網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了OPC服務(wù)器與S7—300／ 400系列PLC輸入、輸出接口點對點的連接。 

RSLinx是AB可編程控制器在Windows環(huán)境下建立工廠所用通信方案的工具，它不僅提供了多種網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序。而且提供了快速的OPC、DDE和Custom C／ C++接口。在項目的具體實施過程中，采用VB軟件編寫OPC客戶端應(yīng)用程序，實現(xiàn)了上位機與Lo畫x5550 控制器之間的通信。

首先在WinCC中組態(tài)監(jiān)控畫面，再在LogixS000 中進(jìn)行I／O組態(tài)及控制程序編寫H1，然后在RSLinx中配置通信驅(qū)動，最后采用OPC技術(shù)實現(xiàn)RSLinx與 WinCC之間的通信以及AB PLC與s7-300 PLC之間的互操作。待RSLinx配置完后，再到WinCC里新建用于監(jiān)控的變量，最后利用RSLinx中Edit菜單下的Copy DDE／OPC Link功能，找到所需的通信地址、OPC鏈接格式。逐個建立完這種鏈接后，即可在WinCC里像使用本地直接鏈接的變量一樣使用通過OPC鏈接的變量。 

5 結(jié)束語

在靖遠(yuǎn)城區(qū)污水處理項目中利用OPC技術(shù)開發(fā)的智能控制系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)造價，保證了通信網(wǎng)絡(luò)良好的兼容性和穩(wěn)定性，實現(xiàn)了不同廠商設(shè)備的無縫集成；同時保證了通信的快速性，并為生產(chǎn)工藝的進(jìn)一步改進(jìn)提供了方便，降低了生產(chǎn)和維護(hù)成本，更減輕了生產(chǎn)及維護(hù)工人的勞動強度，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。作者: 互樹東 董 蕾 來源：自動化儀表