基于OPC技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線的污水處理控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)構(gòu)建

王樹東 周盛成 畢作文 孟靜靜 王恒星

(1.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050;2.甘肅省工業(yè)過程先進(jìn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

OPC(OLE for Process Control)是一套在基于windows操作平臺(tái)的工業(yè)應(yīng)用程序之間提供高效信息集成和交互功能的組件對(duì)象模型接口標(biāo)準(zhǔn)，它以微軟的分布式組件對(duì)象模型COM/DCOM/COM+技術(shù)為基礎(chǔ)，采用客戶端/服務(wù)器模式。OPC服務(wù)器是數(shù)據(jù)的供應(yīng)方，負(fù)責(zé)為OPC客戶端提供所需的數(shù)據(jù);OPC客戶端是數(shù)據(jù)的使用方，處理OPC服務(wù)器提供的數(shù)據(jù)。OPC定義了一個(gè)開放的接口，通過這個(gè)接口，不同廠商的工業(yè)控制設(shè)備和應(yīng)用程序之間可以進(jìn)行靈活的數(shù)據(jù)交換，而不用單獨(dú)為某一種或幾種工控設(shè)備開發(fā)專門的驅(qū)動(dòng)程序。OPC客戶端/服務(wù)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

OPC技術(shù)是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與過程管理設(shè)備之間進(jìn)行信息交互、實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的開放性的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)也為不同現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的集成提供了有效的軟件實(shí)現(xiàn)手段。

圖1 OPC客戶端/服務(wù)器結(jié)構(gòu)示意圖

現(xiàn)場(chǎng)總線是用于現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互聯(lián)、多變量、多點(diǎn)、多站的通信網(wǎng)絡(luò)［1］?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將專用微處理器植入傳統(tǒng)的測(cè)量控制設(shè)備及儀器儀表中，使其除了具備測(cè)量控制的功能以外，還有一定的數(shù)字通信能力，成為能獨(dú)立承擔(dān)某些測(cè)控、通信任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，儀器設(shè)備和控制器之間、控制器與各信號(hào)點(diǎn)之間是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)后，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以采用同一組通信線，不僅節(jié)約了連線，而且實(shí)現(xiàn)了通信鏈路的多點(diǎn)信息傳輸，提高通信的可靠性。

工業(yè)以太網(wǎng)是指技術(shù)上與以太網(wǎng)(IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn))兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)，材質(zhì)選擇、實(shí)用性等方面能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種惡劣環(huán)境。工業(yè)以太網(wǎng)在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層均采用了IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層則采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議族，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議用來確定信息傳輸路線，而傳輸控制協(xié)議(TCP)則是用來保證傳輸?shù)目煽啃?，它們?gòu)成了工業(yè)以太網(wǎng)的第四層。在高層協(xié)議上，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議通常都省略了會(huì)話層、表示層，而定義了用戶層，部分工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議還定義了用戶層。［2］

Profibus是用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，主要由三個(gè)兼容的協(xié)議類型組成:Profibus-FMS(現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范)、Profibus-DP(分散化外圍設(shè)備)和Profibus-PA(過程自動(dòng)化)。Profibus-DP協(xié)議是專門為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制系統(tǒng)與分散I/O的高速通信而設(shè)計(jì)的，數(shù)據(jù)傳輸速率范圍在9.6kbps～12Mbps之間，每次可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為244個(gè)字節(jié)，采用周期通信方式，響應(yīng)時(shí)間較高，適合于大多數(shù)工業(yè)控制場(chǎng)合。［2］

Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間可以通信。該協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)，描述了控制器請(qǐng)求訪問其他設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其他設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。Modbus有RTU(遠(yuǎn)程終端單元)和ASCII兩種報(bào)文傳輸方式。

1 污水處理工藝簡介

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。當(dāng)前，國際國內(nèi)污水處理行業(yè)對(duì)于生活污水處理的主要方法就是活性污泥法(SBR)，即利用活性污泥對(duì)污水中的污染物質(zhì)進(jìn)行生物處理，去除污水中呈膠體狀態(tài)和溶解狀態(tài)的有機(jī)物質(zhì)。污水處理的一般流程是一級(jí)處理、二級(jí)處理和三級(jí)處理。一級(jí)處理只是簡單濾掉和沉淀去除較大的顆粒;二級(jí)處理是生物處理，去除COD;三級(jí)處理是減少出水微生物和病原體。

一級(jí)處理的方法是采用格柵機(jī)、沉砂池等將污水中較大的顆粒狀雜物濾除，以免其對(duì)后續(xù)處理單元的設(shè)備和管線造成損害。二級(jí)處理主要采用活性污泥法，即在人工充氧條件下，對(duì)污水和各種微生物群體進(jìn)行連續(xù)混合培養(yǎng)，形成活性污泥。利用活性污泥的生物凝聚、吸附和氧化作用，以分解去除污水中的有機(jī)污染物。然后使污泥與水分離，大部分污泥再回流到曝氣池，多余部分則排出活性污泥系統(tǒng)。目前國際和國內(nèi)的生活污水處理行業(yè)主要的二級(jí)處理工藝有以下幾種:(1)氧化溝工藝:氧化溝是活性污泥法的一種變型，其曝氣池呈封閉的溝渠型，所以它在水力流態(tài)上不同于傳統(tǒng)的活性污泥法，它是一種首尾相連的循環(huán)流曝氣溝渠，污水滲入其中得到凈化，最早的氧化溝渠不是由鋼筋混凝土建成的，而是加以護(hù)坡處理的土溝渠，是間歇進(jìn)水間歇曝氣的，從這一點(diǎn)上來說，氧化溝最早是以序批方式處理污水的技術(shù)。(2)CASS池工藝，其基本結(jié)構(gòu)是:在SBR法的基礎(chǔ)上，反應(yīng)池沿池長方向設(shè)計(jì)為兩部分，前部為生物選擇區(qū)也稱預(yù)反應(yīng)區(qū)，后部為主反應(yīng)區(qū)，其主反應(yīng)區(qū)后部安裝了可升降的自動(dòng)潷水裝置。整個(gè)工藝的曝氣、沉淀、排水等過程在同一池子內(nèi)周期循環(huán)運(yùn)行，省去了常規(guī)活性污泥法的二沉池和污泥回流系統(tǒng);同時(shí)可連續(xù)進(jìn)水，間斷排水。三級(jí)處理的目的是為了污水回用。其使用的措施有膜濾、深床過濾以及消毒(臭氧、液氯或紫外線)，根據(jù)出水水質(zhì)的要求，部分污水處理廠還添加化學(xué)沉淀除磷環(huán)節(jié)。

2 項(xiàng)目介紹

本文是以甘肅省某縣城區(qū)污水處理廠自控及儀表設(shè)計(jì)開發(fā)項(xiàng)目為背景的，該污水處理廠工程處理規(guī)模:遠(yuǎn)期(2020年)1.7萬m3/d;近期(2015年)1.2萬m3/d。污水提升泵站至污水廠距離1.5 km。污水處理采用CASS工藝，出水采用二氧化氯消毒，污水處理廠出水用于農(nóng)灌或綠化，污泥處理采用機(jī)械濃縮脫水和污泥處置工藝，脫水后污泥進(jìn)一步好氧穩(wěn)定堆肥，可用作農(nóng)林肥料。主要處理構(gòu)筑物的粗格柵及提升泵房、高地水池、細(xì)格柵及漩流沉砂池、配水井、CASS生物反應(yīng)池、接觸池、鼓風(fēng)機(jī)房、貯泥曝氣池、污泥濃縮脫水機(jī)房、變配電室、廠區(qū)廢水提升泵房、加氯間等。系統(tǒng)工藝流程圖如圖2。

圖2 污水處理廠工藝流程圖

系統(tǒng)自動(dòng)控制環(huán)節(jié)要求安全、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、高效，遵循“集中管理、分散控制、數(shù)據(jù)共享”的原則。系統(tǒng)各部分具有相對(duì)的獨(dú)立性，并可利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)完成系統(tǒng)的縱向與橫向擴(kuò)展;當(dāng)系統(tǒng)任何一部分發(fā)生故障時(shí)都不會(huì)影響其他部分的正常運(yùn)行，以最大限度地降低了系統(tǒng)危險(xiǎn)性。本系統(tǒng)要求采用典型三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu):管理層、控制層和現(xiàn)場(chǎng)層。管理層負(fù)責(zé)全廠運(yùn)行系統(tǒng)的調(diào)度、參數(shù)分配和信息管理;控制層負(fù)責(zé)全廠設(shè)備的監(jiān)視與控制、儀器儀表的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視，控制層配置觸摸屏;現(xiàn)場(chǎng)層主要提供設(shè)備、儀表等的就地控制與參數(shù)調(diào)節(jié)。

3 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)污水處理廠工藝特點(diǎn)、構(gòu)筑物的分布以及控制工藝流程的不同，該污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三個(gè)現(xiàn)場(chǎng)PLC監(jiān)控站和一個(gè)主控中心，以實(shí)現(xiàn)分散監(jiān)視和控制，集中顯示和管理的目的。PLC1控制柜設(shè)在粗格柵及污水提升泵房就地控制室內(nèi)，負(fù)責(zé)粗格柵及污水提升泵房的設(shè)備控制及數(shù)據(jù)采集;PLC2控制柜設(shè)在變配電室就地控制室內(nèi)，負(fù)責(zé)鼓風(fēng)機(jī)房、變配電室、細(xì)格柵間、漩流沉沙池、CASS反應(yīng)池、接觸池、加氯間、潷水器、進(jìn)廠水水質(zhì)及出廠水水質(zhì)的設(shè)備控制及數(shù)據(jù)采集;PLC3控制柜設(shè)在污泥濃縮脫水機(jī)房就地控制室內(nèi)，負(fù)責(zé)貯泥池、污泥脫水機(jī)房、沖洗水池的設(shè)備控制及數(shù)據(jù)采集。全廠各現(xiàn)場(chǎng)控制站分別采用威綸通觸摸屏構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)操作平臺(tái)，廠區(qū)水質(zhì)分析儀表和部分成套控制設(shè)備采用現(xiàn)場(chǎng)總線完成向控制站的集成。

作為本自控系統(tǒng)的核心，PLC系統(tǒng)有著舉足輕重的作用。本項(xiàng)目選擇ABB公司的AC500系列可編程控制器系統(tǒng)，該系列PLC除了自帶的 CS31、FBP等通信協(xié)議外，還集成了 Ethernet、Profibus-DP、Modbus等通信協(xié)議?，F(xiàn)場(chǎng)控制站操作屏采用威綸通MT8100i系列觸摸屏，該系列觸摸屏采用400MHz CPU，128MB內(nèi)存，分辨率高，觸摸屏還集成了一個(gè)以太網(wǎng)口，1個(gè)USB2.0接口，1個(gè) USB1.1接口，三個(gè) COM端口(分別可以采用 RS232，RS485，MODBUS等方式通信)。本工程自控系統(tǒng)由三層網(wǎng)絡(luò)組成。即管理層、控制層和現(xiàn)場(chǎng)層。管理層與控制層之間的通信網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)100M TCP/IP光纖環(huán)型網(wǎng)進(jìn)行高速大容量數(shù)據(jù)交換;現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站與儀表、專用控制設(shè)備等現(xiàn)場(chǎng)層之間通過標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(Profibus-DP)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信;控制站PLC與操作屏采用Modbus總線進(jìn)行通信。系統(tǒng)自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

3.1 管理層——控制層

控制層是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，也是管理層與現(xiàn)場(chǎng)層之間的樞紐層。其主要功能是接受管理層設(shè)置的參數(shù)或命令，對(duì)污水處理過程進(jìn)行手自動(dòng)控制，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)輸送到管理層。因控制層要求具有高可靠性，故在系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)部分要采用冗余技術(shù)?？刂茖庸I(yè)以太網(wǎng)是一個(gè)全集成的、完全符合IEEE802.3國際標(biāo)準(zhǔn)、為工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的、高可靠、高速率的工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)。采用了標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)通訊協(xié)議:TCP/IP協(xié)議。工業(yè)以太網(wǎng)的通訊速率為100Mbit/s?？刂茖庸I(yè)以太網(wǎng)采用光纖冗余環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)正常運(yùn)行中，當(dāng)某一個(gè)通道的部件或電纜發(fā)生故障時(shí)，可自動(dòng)快速地切換到另一個(gè)通道，因此充分保證系統(tǒng)中央操作級(jí)通訊網(wǎng)絡(luò)的可靠性?？刂茖庸I(yè)以太網(wǎng)具有很好的開放性和可擴(kuò)展性。

圖3 污水處理廠自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 控制層——現(xiàn)場(chǎng)層

現(xiàn)場(chǎng)層是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)，主要由分析、檢測(cè)儀表、控制設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)就地操作盤等組成，其功能是對(duì)系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)、儀器儀表的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)完成控制設(shè)備的手自動(dòng)及遠(yuǎn)程控制。由于現(xiàn)場(chǎng)部分設(shè)備分布比較分散，采用導(dǎo)線進(jìn)行硬鏈接會(huì)產(chǎn)生工作量大、成本高、可擴(kuò)展性差等問題。采用開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場(chǎng)總線來完成設(shè)備的集成，可以有效地解決上述問題［3］。本系統(tǒng)中，控制層與現(xiàn)場(chǎng)層之間的數(shù)據(jù)交換方式采用Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，以可靠、快速地完成控制層與現(xiàn)場(chǎng)層的集成，該網(wǎng)絡(luò)符合EN50170歐洲標(biāo)準(zhǔn)和IEC1158國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，其最高通訊速率可達(dá)12Mbit/s?？刂普綪LC控制系統(tǒng)CPU未集成Profibus-DP通信協(xié)議，因此需要擴(kuò)展 Profibus-DP通信模塊CM572-DP。在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置時(shí)需將第三方設(shè)備、儀表等的Profibus-DP通信配置文件(GSD文件)導(dǎo)入PS501軟件的GSD文件庫中，以便完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表的集成。

3.3 觸摸屏——PLC

為了方便現(xiàn)場(chǎng)操作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制與監(jiān)視，系統(tǒng)在每個(gè)控制站設(shè)置一個(gè)觸摸屏作為操作人員與控制器的接口(HMI)。由于操作屏一般安裝在控制層控制柜上，因此觸摸屏與控制器的距離不會(huì)受到影響，只要雙方都能夠接受的通信方式，即可作為觸摸屏和 PLC的通信方式［4］。常用的通信方式有 Modbus、RS232、RS485等方式，本系統(tǒng)考慮觸摸屏與PLC的通信接口和各種通信方式下數(shù)據(jù)地址對(duì)應(yīng)的方式等因素，采用Modbus方式進(jìn)行通信。采用Modbus通信方式時(shí)，控制器和觸摸屏之間采用主從技術(shù)(觸摸屏為主站，PLC為從站)，通信模式采用RTU方式。標(biāo)準(zhǔn)的Modbus口采用RS232兼容串行接口，定義了連接器針腳、接線電纜、信號(hào)電平、波特率、奇偶校驗(yàn)等信息。

4 系統(tǒng)組態(tài)

工業(yè)以太網(wǎng)完成了管理層與控制層通信的硬件連接，然而這還不能夠?qū)崿F(xiàn)管理層工控組態(tài)軟件與現(xiàn)場(chǎng)控制器(PLC)的數(shù)據(jù)交換。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制器與上位組態(tài)軟件的通信接口一般采用兩種方式進(jìn)行開發(fā):基于DDE(Dynamic Data Exchange)技術(shù)和 OPC技術(shù)。本項(xiàng)目采用OPC技術(shù)完成上、下位之間的通信。ABB AC500系列PLC自帶的OPC服務(wù)器CodeSys OPC Configurator作為OPC服務(wù)器，上位組態(tài)軟件(組態(tài)王)利用其自帶的OPC客戶端讀取CodeSys OPC Server上的數(shù)據(jù)。在OPC Configurator上進(jìn)行配置前，需在PS501(ABB系列PLC自帶的程序開發(fā)軟件)上進(jìn)行符號(hào)配置，如圖4所示。

此時(shí)，將生成一個(gè)“文件名.SDB”文件，在設(shè)備聯(lián)機(jī)/登陸時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將該文件拷貝到“C:WindowsGateway Files”目錄下。然后在CodeSys OPC Configurator軟件中進(jìn)行OPC配置。完成上述配置后進(jìn)行組態(tài)王6.53與CodeSys OPC Server之間的OPC通訊連接。

圖4 PS501符號(hào)配置圖

5 結(jié)束語

本文分析了污水處理廠控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用當(dāng)前工業(yè)控制行業(yè)先進(jìn)的控制系統(tǒng)、先進(jìn)的總線技術(shù)、先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)集成方式，開發(fā)了一套完整、先進(jìn)、可靠、擴(kuò)展性強(qiáng)的控制網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，并且在某縣城生活污水處理自動(dòng)控制項(xiàng)目中進(jìn)行實(shí)際的系統(tǒng)平臺(tái)測(cè)試。通過長時(shí)間的實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)都表現(xiàn)出良好的運(yùn)行性能，穩(wěn)定性、可靠性都有了很好的保障。因此，該網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)在污水處理行業(yè)乃至其他大型的自動(dòng)控制系統(tǒng)中都有很好的推廣價(jià)值。

［1］李正軍.現(xiàn)場(chǎng)總線及其應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］張鳳登.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2008.

［3］劉如有.Profibus總線在伊春市污水處理廠的應(yīng)用［J］.中國給水排水，2010，26(10):85-86，90.

［4］宋建瞿金平.基于Modbus協(xié)議的PCC與觸摸屏串口通信的實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)電一體化，2007(2):68-69，73.

［5］王樹東孟靜靜陳仕彬，等.工業(yè)以太網(wǎng)和CAN總線在污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電氣自動(dòng)化，2011，33(1):37-40.