PLC 技術(shù)下污水處理站管控智能生產(chǎn)平臺(tái)分析

楊榮軍

（陜西群力電工有限責(zé)任公司，陜西寶雞 721300）

0 引言

污水處理工藝較為復(fù)雜，為了保證水質(zhì)、降低能耗、提升系統(tǒng)的可靠性，在管理過程中應(yīng)強(qiáng)化信息感知能力、故障分析能力以及自主決策能力。管控一體化智能生產(chǎn)平臺(tái)以運(yùn)行數(shù)據(jù)為支撐，以實(shí)時(shí)監(jiān)控為手段，以預(yù)設(shè)程序?yàn)閳?zhí)行邏輯，能夠?qū)崿F(xiàn)工藝流程的智能化管理。此類平臺(tái)具有較高的實(shí)用價(jià)值，研究其設(shè)計(jì)方法有助于推動(dòng)相關(guān)技術(shù)發(fā)展，促進(jìn)污水治理。

1 污水處理站管控一體化系統(tǒng)及PLC 架構(gòu)

1.1 污水處理站管控一體化系統(tǒng)整體架構(gòu)

污水處理站管控一體化智能生產(chǎn)平臺(tái)與站內(nèi)管控一體化系統(tǒng)、PLC 控制器的配置方案存在緊密聯(lián)系。管控一體化系統(tǒng)負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)備控制、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)監(jiān)控、遠(yuǎn)程操控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，智能生產(chǎn)平臺(tái)是管控一體化系統(tǒng)的重要組成部分。因此，掌握管控一體化系統(tǒng)的整體架構(gòu)有助于明確智能生產(chǎn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)定位。結(jié)合污水處理站的通用設(shè)計(jì)方案，管控一體化系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 污水處理站管控一體化系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 污水處理站管控一體化系統(tǒng)站內(nèi)PLC 架構(gòu)

污水處理站管控一體化智能生產(chǎn)平臺(tái)應(yīng)具備較強(qiáng)的自動(dòng)化、智能化水平，PLC 控制器具有編程功能，可自動(dòng)執(zhí)行特定的處理邏輯，因而成為智能平臺(tái)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1.2.1 主、從站設(shè)計(jì)

PLC 控制站將多個(gè)PLC 控制器集成安裝在機(jī)柜中，用于污水處理站內(nèi)特定工藝環(huán)節(jié)的自動(dòng)控制，PLC 控制器可上傳數(shù)據(jù)，并執(zhí)行系統(tǒng)平臺(tái)下發(fā)的指令。主、從站的主要組件包括電源、機(jī)柜、導(dǎo)軌、I/O 信號(hào)模塊、限位開關(guān)、數(shù)字輸入量模塊、數(shù)字輸出量模塊等。為保證PLC 控制柜的電源可靠性，通常需為其設(shè)置UPS 電源。

1.2.2 控制站的電氣連接設(shè)計(jì)

PLC 控制器的主要作用為控制現(xiàn)場(chǎng)的污水處理設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)水泵自動(dòng)啟閉、曝氣機(jī)控制、加藥控制等。在設(shè)計(jì)過程中需將控制站內(nèi)的PLC 控制器連接至對(duì)應(yīng)的電氣設(shè)備上?？刂乒駜?nèi)的每一個(gè)PLC 控制器都設(shè)置有專門的I/O 接口，用以區(qū)分被控制的污水處理設(shè)備。在西門子的機(jī)柜中，通常設(shè)置一個(gè)主機(jī)架，其余為輸入或輸出機(jī)架，一個(gè)機(jī)柜內(nèi)的機(jī)架數(shù)量最多可達(dá)到4 個(gè)，單個(gè)機(jī)架上的模塊數(shù)量為8 個(gè)，每一個(gè)模塊位占用一個(gè)地址[2]。

2 污水處理站管控一體化智能生產(chǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

2.1 平臺(tái)功能需求分析

2.1.1 數(shù)據(jù)可視化

污水處理站內(nèi)設(shè)計(jì)有污水提升泵站、過濾站、沉淀池、排渣池等，在運(yùn)行過程中需對(duì)流量、壓力、過濾時(shí)間、沉淀時(shí)間、加氯、加藥、曝氣進(jìn)行精確管控，其處理工藝中會(huì)產(chǎn)生大量的工程數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可視化旨在利用計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)，以圖形界面化的方式展示和操控污水處理站的工程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)更新和集成管理。

2.1.2 構(gòu)建便捷的人機(jī)交互環(huán)境

管控一體化智能生產(chǎn)平臺(tái)重在突出一體化和智能化，一方面通過平臺(tái)管理運(yùn)行數(shù)據(jù)，另一方面經(jīng)由平臺(tái)遠(yuǎn)程操控設(shè)備設(shè)施。人機(jī)交互環(huán)境成為管理人員完成工作的主要途徑，其設(shè)計(jì)重點(diǎn)為軟件界面和污水處理業(yè)務(wù)流程，設(shè)計(jì)方案需體現(xiàn)出人性化和便捷性，并高度匹配工藝過程。

2.1.3 優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度及管理

管控一體化智能生產(chǎn)平臺(tái)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行綜合調(diào)度與管理，要求該平臺(tái)具備生產(chǎn)過程分析能力，分析內(nèi)容包括能耗、設(shè)備狀態(tài)、故障檢修、水質(zhì)、水量耗損等，在其支撐下對(duì)整個(gè)工藝過程進(jìn)行優(yōu)化和提升。

2.2 平臺(tái)ERP 管理系統(tǒng)

ERP 系統(tǒng)是管控一體化智能生產(chǎn)平臺(tái)的人機(jī)交互界面，以軟件化的方式模擬顯示生產(chǎn)工藝。其設(shè)計(jì)重點(diǎn)如下。

2.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）工程數(shù)據(jù)服務(wù)器。在選擇服務(wù)器時(shí)重點(diǎn)關(guān)注其內(nèi)存、CPU 主頻、網(wǎng)卡以及持久化存儲(chǔ)空間。要求內(nèi)存至少達(dá)到8 GB 以上，主頻需達(dá)到中端水平[3]。綜合對(duì)比各類CPU 的性價(jià)比，污水處理站可選用Intel 酷睿系列處理器。如Intel Core i5-3350，其主頻為3.3 GHz，可睿頻至3.7 GHz，采用四核四線程三級(jí)Cache。數(shù)據(jù)服務(wù)器應(yīng)具備較大的持久化存儲(chǔ)空間，以1 TB 為宜。系統(tǒng)內(nèi)存設(shè)計(jì)為16 GB，網(wǎng)卡為100 M。

（2）實(shí)時(shí)工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)時(shí)工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)污水處理站的海量實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，選用國(guó)內(nèi)企業(yè)研發(fā)的KingHistorian 工業(yè)實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。其存儲(chǔ)速度達(dá)到30 萬條記錄/s，支持SQL 查詢，適用于Java、etc、C#.NET 開發(fā)的ERP 軟件。

（3）軟件系統(tǒng)。ERP 系統(tǒng)采用KingView 組態(tài)軟件。該軟件專門用于工業(yè)組態(tài)，生成可視化的監(jiān)控界面，能夠建立報(bào)表、操作界面，并且與常用的PLC 控制器進(jìn)行交互。

2.2.2 訪問模式

智能生產(chǎn)平臺(tái)應(yīng)支持兩種訪問模式。C/S 訪問模式下利用專用的軟件客戶端與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互。B/S 訪問模式以Web 瀏覽器訪問系統(tǒng)，其主要區(qū)別見表1。

表1 污水站管控一體化智能生產(chǎn)平臺(tái)訪問模式

2.3 系統(tǒng)組態(tài)開發(fā)及環(huán)境配置

2.3.1 組態(tài)軟件與PLC 控制器的通信配置

組態(tài)軟件使用KingView7.5 SP2 版本，污水站內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)以局域網(wǎng)為主，故采用工業(yè)以太網(wǎng)。PLC 控制器和組態(tài)軟件通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)交互。在該版本的組態(tài)軟件中集成有專門的通信協(xié)議，支持西門子S7-300 系列PLC 控制器，通信方式為TCP 連接，通信接口為RJ-45。

2.3.2 組態(tài)軟件與MATLAB 的通信配置

為實(shí)現(xiàn)可視化仿真，系統(tǒng)中引入Simulink 軟件（集成于MATLAB 中），MATLAB 中的算法可融入Simulink。KingView 組態(tài)軟件和MATLAB 之間的通信由OPC 協(xié)議實(shí)現(xiàn)。在KingView 組態(tài)軟件中，需設(shè)置OPC 服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)名稱（IP 地址）、OPC 路徑、OPC 服務(wù)器信息。同時(shí)，MATLAB 中設(shè)計(jì)有專門的OPC 接口程序。此時(shí)，以O(shè)PC 通信接口為橋梁，KingView 和MATLAB 中的Simulink 實(shí)現(xiàn)通信。在二者建立通信之后，以組態(tài)軟件為操作界面，用戶可直接向MATLAB 讀寫數(shù)據(jù)，并將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化成可視化的數(shù)據(jù)圖表[4]。

2.3.3 組態(tài)軟件網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

對(duì)比KingView 的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式和本地運(yùn)行模式，出于數(shù)據(jù)安全性的考量，應(yīng)采用聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式下的數(shù)據(jù)雙機(jī)熱備份方案。設(shè)置兩臺(tái)服務(wù)器，一臺(tái)作為主機(jī)，另一臺(tái)作為備份機(jī)器。PLC 數(shù)據(jù)采集任務(wù)交由主機(jī)處理，報(bào)警信息以及其他各種信息也由主機(jī)生成。從機(jī)定期對(duì)主機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，一旦主機(jī)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，從機(jī)中依然能獲取備份數(shù)據(jù)，從而確保數(shù)據(jù)安全性。

2.3.4 組態(tài)軟件數(shù)據(jù)服務(wù)器和客戶端配置

KingView 數(shù)據(jù)服務(wù)器為系統(tǒng)中的關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)服務(wù)器應(yīng)同時(shí)服務(wù)多個(gè)客戶端。換言之，數(shù)據(jù)服務(wù)器和客戶端之間為一對(duì)多的關(guān)系。在系統(tǒng)配置階段，需通過組態(tài)軟件在客戶端和數(shù)據(jù)服務(wù)器之間建立訪問權(quán)限，只有完成該配置，客戶端才能對(duì)平臺(tái)的可視化工藝畫面進(jìn)行操作。主要配置內(nèi)容包括服務(wù)器類型、遠(yuǎn)程工程的LINC 路徑、主機(jī)節(jié)點(diǎn)名稱、主機(jī)備份網(wǎng)卡等。

2.3.5 組態(tài)軟件關(guān)系變量與PLC 的I/O 關(guān)聯(lián)

組態(tài)軟件是平臺(tái)的管理控制端，PLC 控制器為污水處理站的現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行組件。在實(shí)際運(yùn)行過程中，KingView 軟件通過關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)與PLC 進(jìn)行交互。因此，需要將組態(tài)軟件中的關(guān)系變量映射至PLC 的I/O 變量。在KingView 的配置界面上需設(shè)置變量名稱、變量類型、結(jié)構(gòu)成員、初始值、最小值、采集頻率、讀寫屬性等。

2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)配置

2.4.1 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和KingHistorian 數(shù)據(jù)庫(kù)配置

關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，常見的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)包括SQL-Server、Mysql。其特點(diǎn)為以表區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用范圍，以字段區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)指標(biāo)。KingHistorian 工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)均在KingView 組態(tài)軟件的歷史庫(kù)配置界面進(jìn)行操作。勾選“歷史庫(kù)”和“工業(yè)庫(kù)服務(wù)器”兩個(gè)選項(xiàng)，然后點(diǎn)擊右側(cè)的“配置”按鈕，設(shè)置數(shù)據(jù)保存天數(shù)和存儲(chǔ)路徑。另外，KingHistorian 數(shù)據(jù)庫(kù)配置中需驗(yàn)證用戶角色，以限制操作權(quán)限。KingView 中提供相應(yīng)的配置界面，主要設(shè)置參數(shù)為用戶名稱、用戶組、密碼、密碼過期設(shè)置。待用戶權(quán)限設(shè)置完成后，即可訪問相應(yīng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.4.2 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)訪問設(shè)置

用戶可通過Microsoft Access 數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件訪問關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，以軟件界面呈現(xiàn)數(shù)據(jù)列表。在訪問之前需進(jìn)行通信配置。其訪問配置流程為：指定數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)路徑→指定數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)源→建立數(shù)據(jù)表名稱→建立參數(shù)名稱→設(shè)置參數(shù)類型及長(zhǎng)度[5]。待數(shù)據(jù)錄入之后，利用SQL 語句查詢數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)訪問。以CS 反應(yīng)池為例，相關(guān)SQL 語句的寫法和功能見表2。用戶利用Access軟件界面點(diǎn)擊表名稱，即可查看表中的數(shù)據(jù)（表3）。

表2 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)連接、建表、插入以及查詢SQL 語句

表3 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)污水處理站CS 反應(yīng)池?cái)?shù)據(jù)查詢示例

2.5 工程數(shù)據(jù)發(fā)布及訪問

2.5.1 Web 端發(fā)布及訪問

在管控一體化智能生產(chǎn)平臺(tái)中設(shè)計(jì)有針對(duì)歷史數(shù)據(jù)的Web 監(jiān)控功能，管理人員通過瀏覽器訪問Web 界面，從關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用數(shù)據(jù)，在前端界面完成統(tǒng)計(jì)、分析，形成報(bào)表。工程數(shù)據(jù)的Web 發(fā)布功能基于IE 瀏覽器的ActiveX 控件，在污水處理站的局域網(wǎng)之內(nèi)，管理人員可通過IE 瀏覽器訪問工作站內(nèi)的數(shù)據(jù)。

2.5.2 移動(dòng)端發(fā)布及訪問

管控一體化智能生產(chǎn)平臺(tái)支持移動(dòng)端訪問，KingView 組態(tài)軟件內(nèi)提供了移動(dòng)端訪問程序。

工程數(shù)據(jù)移動(dòng)端發(fā)布依賴于組態(tài)軟件的移動(dòng)客戶端開發(fā)工具，數(shù)據(jù)發(fā)布前需添加移動(dòng)用戶，并為其設(shè)置訪問權(quán)限。配置方法為：在組態(tài)軟件中設(shè)置變量組→在用戶管理界面設(shè)置用戶角色→打開變量組→勾選用戶可操作的變量[6]。完成以上步驟之后，該用戶即可通過移動(dòng)端訪問智能生產(chǎn)平臺(tái)。

3 結(jié)束語

污水處理站管控一體化智能生產(chǎn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)需求為數(shù)據(jù)可視化、決策智能化、人機(jī)交互便捷化等。該平臺(tái)以PLC 控制站、ERP 系統(tǒng)、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)等為軟硬件基礎(chǔ)，通過KingView 實(shí)現(xiàn)軟硬件組態(tài)。系統(tǒng)組態(tài)開發(fā)和軟硬件環(huán)境配置是整個(gè)設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵和難點(diǎn)，在這一階段，組態(tài)軟件與PLC、MATLAB 建立通信，將控制器采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，為遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作提供依據(jù)。