王樹東 周盛成 畢作文 孟靜靜 王恒星

(1.蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州 730050;2.甘肅省工業(yè)過程先進控制重點實驗室，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

OPC(OLE for Process Control)是一套在基于windows操作平臺的工業(yè)應用程序之間提供高效信息集成和交互功能的組件對象模型接口標準，它以微軟的分布式組件對象模型COM/DCOM/COM+技術為基礎，采用客戶端/服務器模式。OPC服務器是數據的供應方，負責為OPC客戶端提供所需的數據;OPC客戶端是數據的使用方，處理OPC服務器提供的數據。OPC定義了一個開放的接口，通過這個接口，不同廠商的工業(yè)控制設備和應用程序之間可以進行靈活的數據交換，而不用單獨為某一種或幾種工控設備開發(fā)專門的驅動程序。OPC客戶端/服務器結構如圖1所示。

OPC技術是實現控制系統(tǒng)現場設備與過程管理設備之間進行信息交互、實現控制系統(tǒng)的開放性的關鍵技術，同時也為不同現場總線系統(tǒng)的集成提供了有效的軟件實現手段。

圖1 OPC客戶端/服務器結構示意圖

現場總線是用于現場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數字化、智能、雙向、互聯、多變量、多點、多站的通信網絡［1］?，F場總線技術將專用微處理器植入傳統(tǒng)的測量控制設備及儀器儀表中，使其除了具備測量控制的功能以外，還有一定的數字通信能力，成為能獨立承擔某些測控、通信任務的網絡節(jié)點。在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，儀器設備和控制器之間、控制器與各信號點之間是點對點的連接，采用現場總線技術后，現場設備可以采用同一組通信線，不僅節(jié)約了連線，而且實現了通信鏈路的多點信息傳輸，提高通信的可靠性。

工業(yè)以太網是指技術上與以太網(IEEE802.3標準)兼容，但在產品設計，材質選擇、實用性等方面能夠滿足工業(yè)現場各種惡劣環(huán)境。工業(yè)以太網在物理層和數據鏈路層均采用了IEEE802.3標準，在網絡層和傳輸層則采用標準TCP/IP協(xié)議族，網絡協(xié)議用來確定信息傳輸路線，而傳輸控制協(xié)議(TCP)則是用來保證傳輸的可靠性，它們構成了工業(yè)以太網的第四層。在高層協(xié)議上，工業(yè)以太網協(xié)議通常都省略了會話層、表示層，而定義了用戶層，部分工業(yè)以太網協(xié)議還定義了用戶層。［2］

Profibus是用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現場設備層數據通信與控制的現場總線標準，主要由三個兼容的協(xié)議類型組成:Profibus-FMS(現場總線報文規(guī)范)、Profibus-DP(分散化外圍設備)和Profibus-PA(過程自動化)。Profibus-DP協(xié)議是專門為現場級控制系統(tǒng)與分散I/O的高速通信而設計的，數據傳輸速率范圍在9.6kbps～12Mbps之間，每次可傳輸的數據量為244個字節(jié)，采用周期通信方式，響應時間較高，適合于大多數工業(yè)控制場合。［2］

Modbus協(xié)議是應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、控制器經由網絡和其它設備之間可以通信。該協(xié)議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，描述了控制器請求訪問其他設備的過程，如何回應來自其他設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。Modbus有RTU(遠程終端單元)和ASCII兩種報文傳輸方式。

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

一級處理的方法是采用格柵機、沉砂池等將污水中較大的顆粒狀雜物濾除，以免其對后續(xù)處理單元的設備和管線造成損害。二級處理主要采用活性污泥法，即在人工充氧條件下，對污水和各種微生物群體進行連續(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)。目前國際和國內的生活污水處理行業(yè)主要的二級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，而是加以護坡處理的土溝渠，是間歇進水間歇曝氣的，從這一點上來說，氧化溝最早是以序批方式處理污水的技術。(2)CASS池工藝，其基本結構是:在SBR法的基礎上，反應池沿池長方向設計為兩部分，前部為生物選擇區(qū)也稱預反應區(qū)，后部為主反應區(qū)，其主反應區(qū)后部安裝了可升降的自動潷水裝置。整個工藝的曝氣、沉淀、排水等過程在同一池子內周期循環(huán)運行，省去了常規(guī)活性污泥法的二沉池和污泥回流系統(tǒng);同時可連續(xù)進水，間斷排水。三級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)，根據出水水質的要求，部分污水處理廠還添加化學沉淀除磷環(huán)節(jié)。

2 項目介紹

本文是以甘肅省某縣城區(qū)污水處理廠自控及儀表設計開發(fā)項目為背景的，該污水處理廠工程處理規(guī)模:遠期(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灌或綠化，污泥處理采用機械濃縮脫水和污泥處置工藝，脫水后污泥進一步好氧穩(wěn)定堆肥，可用作農林肥料。主要處理構筑物的粗格柵及提升泵房、高地水池、細格柵及漩流沉砂池、配水井、CASS生物反應池、接觸池、鼓風機房、貯泥曝氣池、污泥濃縮脫水機房、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)自動控制環(huán)節(jié)要求安全、實用、經濟、高效，遵循“集中管理、分散控制、數據共享”的原則。系統(tǒng)各部分具有相對的獨立性，并可利用網絡技術完成系統(tǒng)的縱向與橫向擴展;當系統(tǒng)任何一部分發(fā)生故障時都不會影響其他部分的正常運行，以最大限度地降低了系統(tǒng)危險性。本系統(tǒng)要求采用典型三層網絡結構:管理層、控制層和現場層。管理層負責全廠運行系統(tǒng)的調度、參數分配和信息管理;控制層負責全廠設備的監(jiān)視與控制、儀器儀表的數據采集與監(jiān)視，控制層配置觸摸屏;現場層主要提供設備、儀表等的就地控制與參數調節(jié)。

3 網絡構建

自動控制系統(tǒng)根據污水處理廠工藝特點、構筑物的分布以及控制工藝流程的不同，該污水處理廠自動控制系統(tǒng)設計為三個現場PLC監(jiān)控站和一個主控中心，以實現分散監(jiān)視和控制，集中顯示和管理的目的。PLC1控制柜設在粗格柵及污水提升泵房就地控制室內，負責粗格柵及污水提升泵房的設備控制及數據采集;PLC2控制柜設在變配電室就地控制室內，負責鼓風機房、變配電室、細格柵間、漩流沉沙池、CASS反應池、接觸池、加氯間、潷水器、進廠水水質及出廠水水質的設備控制及數據采集;PLC3控制柜設在污泥濃縮脫水機房就地控制室內，負責貯泥池、污泥脫水機房、沖洗水池的設備控制及數據采集。全廠各現場控制站分別采用威綸通觸摸屏構建現場操作平臺，廠區(qū)水質分析儀表和部分成套控制設備采用現場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場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內存，分辨率高，觸摸屏還集成了一個以太網口，1個USB2.0接口，1個 USB1.1接口，三個 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)由三層網絡組成。即管理層、控制層和現場層。管理層與控制層之間的通信網絡采用工業(yè)以太網100M TCP/IP光纖環(huán)型網進行高速大容量數據交換;現場PLC控制站與儀表、專用控制設備等現場層之間通過標準工業(yè)現場總線(Profibus-DP)進行數據通信;控制站PLC與操作屏采用Modbus總線進行通信。系統(tǒng)自控系統(tǒng)結構示意圖如圖3所示。

3.1 管理層——控制層

控制層是實現系統(tǒng)功能的關鍵，也是管理層與現場層之間的樞紐層。其主要功能是接受管理層設置的參數或命令，對污水處理過程進行手自動控制，同時將現場狀態(tài)輸送到管理層。因控制層要求具有高可靠性，故在系統(tǒng)的網絡部分要采用冗余技術?？刂茖庸I(yè)以太網是一個全集成的、完全符合IEEE802.3國際標準、為工業(yè)應用設計的、高可靠、高速率的工業(yè)通訊網絡。采用了標準化數據通訊協(xié)議:TCP/IP協(xié)議。工業(yè)以太網的通訊速率為100Mbit/s?？刂茖庸I(yè)以太網采用光纖冗余環(huán)網拓撲結構，在系統(tǒng)正常運行中，當某一個通道的部件或電纜發(fā)生故障時，可自動快速地切換到另一個通道，因此充分保證系統(tǒng)中央操作級通訊網絡的可靠性?？刂茖庸I(yè)以太網具有很好的開放性和可擴展性。

圖3 污水處理廠自控系統(tǒng)結構示意圖

3.2 控制層——現場層

現場層是實現系統(tǒng)功能的基礎，主要由分析、檢測儀表、控制設備、現場就地操作盤等組成，其功能是對系統(tǒng)的設備狀態(tài)、儀器儀表的參數進行檢測，同時完成控制設備的手自動及遠程控制。由于現場部分設備分布比較分散，采用導線進行硬鏈接會產生工作量大、成本高、可擴展性差等問題。采用開放的、標準化的現場總線來完成設備的集成，可以有效地解決上述問題［3］。本系統(tǒng)中，控制層與現場層之間的數據交換方式采用Profibus-DP網絡，以可靠、快速地完成控制層與現場層的集成，該網絡符合EN50170歐洲標準和IEC1158國際標準的現場總線系統(tǒng)，其最高通訊速率可達12Mbit/s?？刂普綪LC控制系統(tǒng)CPU未集成Profibus-DP通信協(xié)議，因此需要擴展 Profibus-DP通信模塊CM572-DP。在系統(tǒng)網絡配置時需將第三方設備、儀表等的Profibus-DP通信配置文件(GSD文件)導入PS501軟件的GSD文件庫中，以便完成對現場儀器儀表的集成。

3.3 觸摸屏——PLC

為了方便現場操作人員對現場設備的控制與監(jiān)視，系統(tǒng)在每個控制站設置一個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據地址對應的方式等因素，采用Modbus方式進行通信。采用Modbus通信方式時，控制器和觸摸屏之間采用主從技術(觸摸屏為主站，PLC為從站)，通信模式采用RTU方式。標準的Modbus口采用RS232兼容串行接口，定義了連接器針腳、接線電纜、信號電平、波特率、奇偶校驗等信息。

4 系統(tǒng)組態(tài)

工業(yè)以太網完成了管理層與控制層通信的硬件連接，然而這還不能夠實現管理層工控組態(tài)軟件與現場控制器(PLC)的數據交換。工業(yè)現場控制器與上位組態(tài)軟件的通信接口一般采用兩種方式進行開發(fā):基于DDE(Dynamic Data Exchange)技術和 OPC技術。本項目采用OPC技術完成上、下位之間的通信。ABB AC500系列PLC自帶的OPC服務器CodeSys OPC Configurator作為OPC服務器，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上的數據。在OPC Configurator上進行配置前，需在PS501(ABB系列PLC自帶的程序開發(fā)軟件)上進行符號配置，如圖4所示。

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

圖4 PS501符號配置圖

5 結束語

本文分析了污水處理廠控制系統(tǒng)結構，利用當前工業(yè)控制行業(yè)先進的控制系統(tǒng)、先進的總線技術、先進的網絡集成方式，開發(fā)了一套完整、先進、可靠、擴展性強的控制網絡平臺，并且在某縣城生活污水處理自動控制項目中進行實際的系統(tǒng)平臺測試。通過長時間的實際運行測試，該系統(tǒng)網絡平臺都表現出良好的運行性能，穩(wěn)定性、可靠性都有了很好的保障。因此，該網絡平臺在污水處理行業(yè)乃至其他大型的自動控制系統(tǒng)中都有很好的推廣價值。

［1］李正軍.現場總線及其應用技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［2］張鳳登.現場總線技術與應用［M］.北京:科學出版社，2008.

［3］劉如有.Profibus總線在伊春市污水處理廠的應用［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現［J］.機電一體化，2007(2):68-69，73.

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