OPC技術(shù)在城市污水處理中的應用

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(wèn)題，提出在城市污水處理過(guò)程中采用OPC技術(shù)的應用方案。首先簡(jiǎn)要介紹了OPC技術(shù)的特點(diǎn)，然后分析了城市污水處理的工藝流程，最后詳細給出了將OPC技術(shù)應用到城市污水處理控制系統的具體設計及實(shí)現方法。該技術(shù)的應用使得系統在實(shí)現無(wú)縫集成的同時(shí)，大大簡(jiǎn)化系統復雜性，并減輕了生產(chǎn)及維護工人的勞動(dòng)強度，具有很好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

關(guān)鍵詞：城市污水處理 OPC技術(shù) 無(wú)縫集成 開(kāi)放式系統 監控系統

0 引言

目前，城市污水處理系統的監控設備基本上采用分散獨立的傳統繼保裝置，對于現場(chǎng)設備數據的采集，大都是由廠(chǎng)家自己編寫(xiě)的專(zhuān)用驅動(dòng)程序。雖然這些驅動(dòng)程序可以針對其專(zhuān)門(mén)的硬件進(jìn)行最優(yōu)化讀取，但如果需要集成不同廠(chǎng)家的硬件時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生不同軟硬件之間的數據沖突；而且在污水處理過(guò)程中會(huì )用到大量結構復雜的設備，維護量大，也不利于整個(gè)系統的監控、調度和集中管理。在靖遠城區污水處理項目中，為了能低成本地解決這些問(wèn)題，采用OPC(OLE for process contr01)技術(shù)，在中心控制室設置調度監控中心，通過(guò)主站對污水處理廠(chǎng)各PLC站進(jìn)行集中控制和監視，較好地解決了ControlLogix 1756一L61 PLC和西門(mén)子公司的s7-300系列PLC的通信和互操作。 

1 OPC技術(shù)簡(jiǎn)介

隨著(zhù)過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，自動(dòng)化系統廠(chǎng)商希望能夠集成不同廠(chǎng)家的不同軟硬件設備，實(shí)現各家設備之間的互操作；而現實(shí)中不同供應商的軟硬件存在著(zhù)不同的標準和協(xié)議，供應商對這種標準和協(xié)議專(zhuān)權享有，難以實(shí)現系統的無(wú)縫集成。在這種情況下，OPC作為一種工業(yè)標準應運而生，它為工業(yè)環(huán)境中的信息交互提供了統一的標準軟件接口，改變了客戶(hù)相對被動(dòng)的局面。

由于OPC接口的基礎是Microsoft Windows的 COM和DCOM技術(shù)，因此，只有當設備帶有的操作系統是基于Windows COM和DCOM技術(shù)時(shí)，才能使用 OPC接口方法。OPC按照面向對象的原則，將一個(gè)應用程序(OPC服務(wù)器)作為一個(gè)對象封裝起來(lái)，只將接口方法暴露在外面，客戶(hù)以統一的方式去調用這個(gè)方法，從而保證了軟件對客戶(hù)的透明性，使得用戶(hù)完全從底層的開(kāi)發(fā)中脫離出來(lái)。OPC規范了接口函數，不管現場(chǎng)設備以何種形式存在，客戶(hù)都以統一的方式去訪(fǎng)問(wèn)，實(shí)現了系統的開(kāi)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)心的是現場(chǎng)數據的存取方式而不是實(shí)際的數據類(lèi)型，它給工控軟件提供了一種一致的存取現場(chǎng)設備數據的方法。OPC的軟件系統結構為客戶(hù)端 (client)／服務(wù)器(8erver)模式。由于OPC技術(shù)的采用，使得以更簡(jiǎn)單的系統結構、更長(cháng)的壽命、更低廉的價(jià)格解決工業(yè)控制系統成為可能；同時(shí)，現場(chǎng)設備與系統的連接也更加簡(jiǎn)單、靈活、方便。因此，OPC技術(shù)在國內工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應用。 

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(lái)或將其轉化為無(wú)害物質(zhì)，從而使污水得到凈化的過(guò)程。靖遠城區污水處理流程如圖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(guò)程是管網(wǎng)來(lái)的污水首先流入迸水控制井，使污水量和水質(zhì)得到調節，從而使污水處理達到穩定平衡運轉；再將污水分別通過(guò)粗、細格柵，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(wú)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(lái)，防止其對后續工序設備的損害，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(guò)的污水首先進(jìn)入厭氧區進(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，與池內活性污泥混合成混合液；然后在曝氣池中經(jīng)過(guò)連續、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(guò)曝氣，向活性污泥供氧，保持好氧條件，使微生物正常生長(cháng)和繁殖，通過(guò)微生物的新陳代謝，使有機物無(wú)機化、有毒物質(zhì)無(wú)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(guò)CASS池、接觸池，再經(jīng)加氯消毒后，此時(shí)的水已達到國家排放標準，可排至黃河。

由于污水處理廠(chǎng)產(chǎn)生的大量污泥含有有害、有毒物質(zhì)，會(huì )對周?chē)�環(huán)境產(chǎn)生不利影響，所以，必須對污泥進(jìn)行及時(shí)處理和處置，使之減量、穩定、無(wú)害化以及能被綜合利用。污泥的處理包括消化、濃縮等過(guò)程。初沉池沉淀的生污泥通過(guò)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，以增加活性污泥濃度；另一部分通過(guò)泵提升到氣浮濃縮池。經(jīng)過(guò)2個(gè)濃縮池濃縮后的污泥，通過(guò)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 系統結構

根據污水處理丁藝特點(diǎn)、構筑物的分布及整體控制要求，整個(gè)自動(dòng)控制系統設置了3個(gè)現場(chǎng)PLC監控站和1個(gè)中心控制室，從而實(shí)現了分散檢測和控制、集中顯示和管理的原則。其中，3個(gè)現場(chǎng)監控站分別負責污水處理過(guò)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；而中心控制室設在廠(chǎng)區綜合辦公樓內，中央控制室中的中央監控機可以監視全廠(chǎng)工藝設備的運行狀態(tài)、工藝過(guò)程中的各種參數、主要設備的控制和事故報警、主要參數的越限報警等。下位機系統采用PLC，上位機系統采用IPC (工業(yè)PC機)。整個(gè)控制系統結構如圖2所示。

自控系統采用集散型控制系統，即由上位機、通信網(wǎng)絡(luò )、現場(chǎng)控制站(PLC可編程序控制器)以及就地控制盤(pán)組成。各現場(chǎng)控制站設置在就地控制室內，控制站將采集到的各種參數及信號傳送到中央監控管理計算機，并接收上位機指令。當上位機發(fā)生故障時(shí)，系統仍能按照預編程序對轄區內的設備進(jìn)行控制。CASS 反應池就地控制盤(pán)(箱)設置在潷水器附近，其將采集到的各種參數及信號通過(guò)現場(chǎng)控制站傳送至中央監控管理計算機，并接收上位機指令，對潷水器的潷水過(guò)程進(jìn)行控制和監視。就地控制盤(pán)(專(zhuān)用控制裝置)位于被控設備附近，作為工藝設備成套的控制裝置，其控制功能有3種：①就地手動(dòng)控制，一般在自動(dòng)控制系統出現故障或檢修時(shí)用到；②遠程遙控控制，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(dòng)控制，正常情況下系統運行在自動(dòng)控制模式下�？刂萍墑e由高到低依次為：現場(chǎng)手動(dòng)控制、遙控控制、自動(dòng)控制。

另外，為了使經(jīng)營(yíng)管理人員能及時(shí)了解掌握現場(chǎng)情況，提前發(fā)現隱患并及時(shí)處理，保證污水廠(chǎng)正常運行，設立了攝像系統，以監視廠(chǎng)內生產(chǎn)及安全保衛狀況；在污水廠(chǎng)圍墻邊上，還設置了紅外入侵探測系統，以防止外人非法入侵。

3．1系統硬件選型

考慮到污水處理控制對系統安全性、可靠性、可維護性和靈活性的要求，本系統硬件組成包括現場(chǎng)控制站(粗格柵提升泵房現場(chǎng)控制站和變配電室控制站) 和污泥脫水機房現場(chǎng)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(mén)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；內存：l GB的DDR；硬盤(pán)驅動(dòng)器：160 GB；光盤(pán)驅動(dòng)器：DVD±RWIEEE 1394卡；多串口卡標準鍵盤(pán)、鼠標、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上位監控軟件設計

上位監控系統采用Simatie WinCC開(kāi)發(fā)”o，其主要包括計算機、變量管理器、結構變量和編輯器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簽與下位機PLC程序中的數據相連：編輯器則是實(shí)現組態(tài)各個(gè)畫(huà)面和報警、報表等功能的主要部分。

在上位機中，數據采集系統可以實(shí)時(shí)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(dòng)自動(dòng)狀態(tài)及空氣開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。這樣，在中央控制室內就可以檢測到來(lái)自現場(chǎng)的各種相關(guān)數據，免去了在各站之間煩瑣地來(lái)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。遠程監控系統實(shí)現了對各個(gè)站的集中控制，系統可以在控制室里控制各電動(dòng)設備的開(kāi)啟、關(guān)閉和停止動(dòng)作以及變頻器的啟動(dòng)停止，并可調節轉速。這是實(shí)現自動(dòng)控制的關(guān)鍵所在。自動(dòng)化操作的實(shí)現，使得管理人員在控制室內就能夠實(shí)現對遠距離各設備的啟停操作，大大提高了工作效率。報警系統能顯示短時(shí)期內的報警情況，電機過(guò)流或變頻器發(fā)生故障等都會(huì )引起系統的報警。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(dòng)消除等)，報警窗口各時(shí)期報警情況等。實(shí)時(shí)數據記錄系統可以將一段時(shí)間內的水位、溫度、含氧量、流量及流量累計等數據實(shí)時(shí)地記錄下來(lái)，并打印。曲線(xiàn)分析系統可以實(shí)現各種數據的趨勢顯示，使操作者能直觀(guān)地看到數據的變化情況。另外，在按鈕欄上設有一個(gè)總停按鈕(停止所有設備的運行)，用來(lái)應付緊急情況。 

4 OPC技術(shù)的通信實(shí)現

在本項目中，采用西門(mén)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(kāi)發(fā)OPC Client，以實(shí)現這2種PLC之間的互操作。西門(mén)子公司為s7- 300／400提供的OPC Server接口集成在Simatic Net軟件包內，所以可直接利用S7系統提供的OPC Server。同時(shí)。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(shí)現了OPC服務(wù)器與S7—300／ 400系列PLC輸入、輸出接口點(diǎn)對點(diǎn)的連接。 

RSLinx是AB可編程控制器在Windows環(huán)境下建立工廠(chǎng)所用通信方案的工具，它不僅提供了多種網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)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(shí)施過(guò)程中，采用VB軟件編寫(xiě)OPC客戶(hù)端應用程序，實(shí)現了上位機與Lo畫(huà)x5550 控制器之間的通信。

首先在WinCC中組態(tài)監控畫(huà)面，再在LogixS000 中進(jìn)行I／O組態(tài)及控制程序編寫(xiě)H1，然后在RSLinx中配置通信驅動(dòng)，最后采用OPC技術(shù)實(shí)現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(gè)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(guò)OPC鏈接的變量。 

5 結束語(yǔ)

在靖遠城區污水處理項目中利用OPC技術(shù)開(kāi)發(fā)的智能控制系統，降低了系統造價(jià)，保證了通信網(wǎng)絡(luò )良好的兼容性和穩定性，實(shí)現了不同廠(chǎng)商設備的無(wú)縫集成；同時(shí)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)和維護成本，更減輕了生產(chǎn)及維護工人的勞動(dòng)強度，具有很好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。作者: 互樹(shù)東 董 蕾 來(lái)源：自動(dòng)化儀表