時間：2011-07-08來源：
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技術的應用方案。首先簡要介紹了OPC技術的特點，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技術應用到城市污水處理控制系統的具體設計及實現方法。該技術的應用使得系統在實現無縫集成的同時，大大簡化系統復雜性，并減輕了生產及維護工人的勞動強度，具有很好的經濟效益和社會效益。
關鍵詞：城市污水處理 OPC技術 無縫集成 開放式系統 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，對于現場設備數據的采集，大都是由廠家自己編寫的專用驅動程序。雖然這些驅動程序可以針對其專門的硬件進行最優化讀取，但如果需要集成不同廠家的硬件時，就會產生不同軟硬件之間的數據沖突；而且在污水處理過程中會用到大量結構復雜的設備，維護量大，也不利于整個系統的監控、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題，采用OPC(OLE for process contr01)技術，在中心控制室設置調度監控中心，通過主站對污水處理廠各PLC站進行集中控制和監視，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技術簡介
隨著過程控制和工業自動化的發展，自動化系統廠商希望能夠集成不同廠家的不同軟硬件設備，實現各家設備之間的互操作；而現實中不同供應商的軟硬件存在著不同的標準和協議，供應商對這種標準和協議專權享有，難以實現系統的無縫集成。在這種情況下，OPC作為一種工業標準應運而生，它為工業環境中的信息交互提供了統一的標準軟件接口，改變了客戶相對被動的局面。
由于OPC接口的基礎是Microsoft Windows的 COM和DCOM技術，因此，只有當設備帶有的操作系統是基于Windows COM和DCOM技術時，才能使用 OPC接口方法。OPC按照面向對象的原則，將一個應用程序(OPC服務器)作為一個對象封裝起來，只將接口方法暴露在外面，客戶以統一的方式去調用這個方法，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中脫離出來。OPC規范了接口函數，不管現場設備以何種形式存在，客戶都以統一的方式去訪問，實現了系統的開放性。
OPC技術的關鍵在于它提供了一種高效的通信機制，其所關心的是現場數據的存取方式而不是實際的數據類型，它給工控軟件提供了一種一致的存取現場設備數據的方法。OPC的軟件系統結構為客戶端 (client)／服務器(8erver)模式。由于OPC技術的采用，使得以更簡單的系統結構、更長的壽命、更低廉的價格解決工業控制系統成為可能；同時，現場設備與系統的連接也更加簡單、靈活、方便。因此，OPC技術在國內工業控制領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分離出來或將其轉化為無害物質，從而使污水得到凈化的過程。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，其具體工藝過程是管網來的污水首先流入迸水控制井，使污水量和水質得到調節，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，防止其對后續工序設備的損害，最后進入二級處理。
二級處理是在一級處理的基礎上，進一步采用物化法去除污水中的膠體及溶解性物質，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入厭氧區進行厭氧處理，厭氧池中的污泥吸收污水中的一些有害物質后，污水進入好氧池，由鼓風機提供微生物所需的氧氣，與池內活性污泥混合成混合液；然后在曝氣池中經過連續、充分的曝氣，曝氣一方面使活性污泥處于懸浮狀態，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、有毒物質無害化；污水進入沉淀池后，沉淀后的污泥流人污泥濃縮池進行處理，其中沉淀雜質較少的上清液再由污泥回流泵送往厭氧池進行循環處理。經過CASS池、接觸池，再經加氯消毒后，此時的水已達到國家排放標準，可排至黃河。
由于污水處理廠產生的大量污泥含有有害、有毒物質，會對周圍環境產生不利影響，所以，必須對污泥進行及時處理和處置，使之減量、穩定、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；另一部分通過泵提升到氣浮濃縮池。經過2個濃縮池濃縮后的污泥，通過投配泵提升到消化池進行消化處理。最后進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、構筑物的分布及整體控制要求，整個自動控制系統設置了3個現場PLC監控站和1個中心控制室，從而實現了分散檢測和控制、集中顯示和管理的原則。其中，3個現場監控站分別負責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；而中心控制室設在廠區綜合辦公樓內，中央控制室中的中央監控機可以監視全廠工藝設備的運行狀態、工藝過程中的各種參數、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PC機)。整個控制系統結構如圖2所示。
自控系統采用集散型控制系統，即由上位機、通信網絡、現場控制站(PLC可編程序控制器)以及就地控制盤組成。各現場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。當上位機發生故障時，系統仍能按照預編程序對轄區內的設備進行控制。CASS 反應池就地控制盤(箱)設置在潷水器附近，其將采集到的各種參數及信號通過現場控制站傳送至中央監控管理計算機，并接收上位機指令，對潷水器的潷水過程進行控制和監視。就地控制盤(專用控制裝置)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就地手動控制，一般在自動控制系統出現故障或檢修時用到；②遠程遙控控制，操作員在中心控制室進行控制，一般用于異常情況下的控制；③自動控制，正常情況下系統運行在自動控制模式下。控制級別由高到低依次為：現場手動控制、遙控控制、自動控制。
另外，為了使經營管理人員能及時了解掌握現場情況，提前發現隱患并及時處理，保證污水廠正常運行，設立了攝像系統，以監視廠內生產及安全保衛狀況；在污水廠圍墻邊上，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控制站(粗格柵提升泵房現場控制站和變配電室控制站) 和污泥脫水機房現場控制站。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；內存：l GB的DDR；硬盤驅動器：160 GB；光盤驅動器：DVD±RWIEEE 1394卡；多串口卡標準鍵盤、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公司的產品，4臺。
3．2上位監控軟件設計
上位監控系統采用Simatie WinCC開發”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軟件中所用的變量進行初始化定義，主要作用是將變量標簽與下位機PLC程序中的數據相連：編輯器則是實現組態各個畫面和報警、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、手動自動狀態及空氣開關的狀態。這樣，在中央控制室內就可以檢測到來自現場的各種相關數據，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。遠程監控系統實現了對各個站的集中控制，系統可以在控制室里控制各電動設備的開啟、關閉和停止動作以及變頻器的啟動停止，并可調節轉速。這是實現自動控制的關鍵所在。自動化操作的實現，使得管理人員在控制室內就能夠實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期內的報警情況，電機過流或變頻器發生故障等都會引起系統的報警。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消除等)，報警窗口各時期報警情況等。實時數據記錄系統可以將一段時間內的水位、溫度、含氧量、流量及流量累計等數據實時地記錄下來，并打印。曲線分析系統可以實現各種數據的趨勢顯示，使操作者能直觀地看到數據的變化情況。另外，在按鈕欄上設有一個總停按鈕(停止所有設備的運行)，用來應付緊急情況。
4 OPC技術的通信實現
在本項目中，采用西門子公司和羅克韋爾公司生產的PLC作為OPC Server，并在上位機中開發OPC Client，以實現這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，所以可直接利用S7系統提供的OPC Server。同時。在PC機上創建OPC服務器，并采用Simatic Net軟件建立Profibus．DP網絡，實現了OPC服務器與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環境下建立工廠所用通信方案的工具，它不僅提供了多種網絡驅動程序。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客戶端應用程序，實現了上位機與Lo畫x5550 控制器之間的通信。
首先在WinCC中組態監控畫面，再在LogixS000 中進行I／O組態及控制程序編寫H1，然后在RSLinx中配置通信驅動，最后采用OPC技術實現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 結束語
在靖遠城區污水處理項目中利用OPC技術開發的智能控制系統，降低了系統造價，保證了通信網絡良好的兼容性和穩定性，實現了不同廠商設備的無縫集成；同時保證了通信的快速性，并為生產工藝的進一步改進提供了方便，降低了生產和維護成本，更減輕了生產及維護工人的勞動強度，具有很好的經濟效益和社會效益。
