穆佩紅， 賈廷綱， 牛玉剛

(1.華東理工大學(xué) 化工過程先進(jìn)控制和優(yōu)化技術(shù)教育部重點實驗室，上?！?00237；2.上海電氣集團(tuán)股份有限公司自動化事業(yè)部，上?！?00070)

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DDE技術(shù)在污水處理控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

穆佩紅1， 賈廷綱2， 牛玉剛1

(1.華東理工大學(xué) 化工過程先進(jìn)控制和優(yōu)化技術(shù)教育部重點實驗室，上海200237；2.上海電氣集團(tuán)股份有限公司自動化事業(yè)部，上海200070)

為了進(jìn)一步實現(xiàn)污水處理控制系統(tǒng)的信息化、智能化，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的有效傳輸和設(shè)備之間的無縫連接，構(gòu)建了基于PLC和組態(tài)軟件的污水處理控制系統(tǒng)架構(gòu)，利用動態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)技術(shù)實現(xiàn)現(xiàn)場PLC與VB的數(shù)據(jù)通信，保證現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時傳輸。結(jié)合倒置A2/O(Anaerobic-Anoxic-Oxic，即厭氧-缺氧-好氧)污水處理工藝流程，設(shè)計污水處理自控系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制和生產(chǎn)過程的實時監(jiān)視。實際結(jié)果表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，具有良好的控制效果。

污水處理控制系統(tǒng)；PLC；DDE；VB；監(jiān)控系統(tǒng)

0　引　言

隨著城市化進(jìn)程的加快和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，造成我國大部分地區(qū)的生活污水和工業(yè)廢水的排放大量增加，使得環(huán)境問題日益堪憂。因此，建立污水處理控制系統(tǒng)是解決水污染問題的有效途徑。目前，隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用，國外大多數(shù)污水處理廠實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)控制，同時PLC控制器功能逐漸完善，代替了傳統(tǒng)繼電器，如西門子的S7系列、羅克韋爾自動化公司的Logix控制器[1]。此外，通過開發(fā)智能型、高效型的現(xiàn)場檢測儀表，使得污水處理率高達(dá)85%。我國污水處理自動化控制雖然起步較晚，但隨著計算機控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的相融合，也逐步實現(xiàn)了污水處理的全自動化控制，現(xiàn)場信號通過儀表變送器傳送到PLC，實時控制現(xiàn)場設(shè)備的運行狀況[2]。上位機采用具有TCP/IP協(xié)議的工業(yè)控制計算機，實現(xiàn)集中管理信息和遠(yuǎn)程控制設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)PLC與計算機之間的通訊，提高了污水處理的效率及其穩(wěn)定性。

由于污水處理系統(tǒng)規(guī)模較大，經(jīng)常分期設(shè)計，不同設(shè)計人員可能會引入不同廠商的設(shè)備，由于設(shè)備通信協(xié)議之間的差別，難以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。因此，引入DDE(Dynamic Data Exchange，即動態(tài)數(shù)據(jù)交換)技術(shù)，可有效地解決應(yīng)用程序之間的通信問題，使得數(shù)據(jù)交互和通信更加高效、開放。本文首先結(jié)合倒置A2/O(Anaerobic-Anoxic-Oxic，即厭氧-缺氧-好氧)污水處理工藝，搭建污水處理自控系統(tǒng)架構(gòu)和通訊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；然后以RSLinx通信軟件和VB作為應(yīng)用程序，通過DDE技術(shù)實現(xiàn)PLC與VB的數(shù)據(jù)通信；最后通過監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)對全廠生產(chǎn)過程的監(jiān)視、設(shè)備遠(yuǎn)程控制等功能。

1　污水處理工藝

本項目污水處理設(shè)計規(guī)模為10 萬m3/d，要求出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)，因此，需要謹(jǐn)慎、嚴(yán)格制定相應(yīng)的污水處理工藝，污水處理工藝流程圖如圖1所示。

主要的工作流程為：污水首先通過粗格柵，去除較大的垃圾、漂浮物，通過進(jìn)水泵房將污水提升，進(jìn)入細(xì)格柵攔截和去除較小的漂浮物；再經(jīng)過曝氣沉砂池分離、去除污水中的砂粒與浮渣。接著同回流污泥一起進(jìn)入倒置A2/O生化池，其中，在缺氧池進(jìn)行反硝化反應(yīng)，實現(xiàn)脫氮處理，在厭氧池進(jìn)行釋磷和吸收易降解的有機物，最后在好氧池實現(xiàn)除磷的作用。隨后的混合液輸送至二沉池進(jìn)行固液分離，上層的澄清液經(jīng)中間提升泵站提升至混凝反應(yīng)斜板沉淀池，投加鋁鹽進(jìn)行化學(xué)除磷。然后進(jìn)入反硝化深床濾池，并在反硝化濾池中投加甲醇，進(jìn)一步去除TN、SS。濾池出水進(jìn)入消毒反應(yīng)，消毒后的污水達(dá)標(biāo)排放，沉淀下的污泥一部分通過污泥回流泵房回流至生化池再生利用，一部分作為剩余污泥送入污泥泵房，在輸送至污泥濃縮脫水間，進(jìn)行濃縮脫水處理，再把污泥態(tài)的污泥脫水、壓濾，形成泥餅，最后進(jìn)行外運填埋處理。

圖1　污水處理工藝流程圖

2　自控系統(tǒng)設(shè)計

自控系統(tǒng)由上而下包括中央監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)、現(xiàn)場儀器儀表系統(tǒng)。中央監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)污水的水量和水質(zhì)狀況，向現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)發(fā)出指令，控制設(shè)備啟停、工藝參數(shù)查詢和調(diào)節(jié)等操作；此外，通過光纖環(huán)網(wǎng)接收現(xiàn)場設(shè)備以及儀器儀表的信號，傳送至中控室，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示以及報表輸出等。

本次三期工程主要是對一、二期的PLC站進(jìn)行擴容改造和增加三期工程主控制站LCS-304及8套與設(shè)備成套的PLC控制站?，F(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)的主要功能包括實時采集生產(chǎn)過程參數(shù)、設(shè)備運行狀態(tài)，并通過傳輸網(wǎng)絡(luò)供中央監(jiān)控系統(tǒng)儲存、顯示；實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制；接收中控室的調(diào)度指令，對設(shè)備進(jìn)行控制。

現(xiàn)場儀器儀表系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集器，超聲波流量計，液位計，溶解氧分析儀，污泥濃度分析儀等，主要采集現(xiàn)場水質(zhì)分析指標(biāo)、過程控制參數(shù)。

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示，工作方式為:

(1) 主站LCS-304的電源模塊、CPU模塊、通訊模塊互為冗余；

(2) 主站LCS-304通過ControlNet網(wǎng)絡(luò)與本地I/O站點互連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；

(3) I/O站點與具有普通開關(guān)量、模擬量輸入輸出接口的現(xiàn)場設(shè)備和儀表采用常規(guī)I/O硬線連接方式；

(4) 主站LCS-304與成套PLC通過以太網(wǎng)共同掛接在光纖以太環(huán)網(wǎng)上，通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送；

圖2　系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

(5) 操作員站通過以太網(wǎng)接入系統(tǒng)，與PLC通訊，讀取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)污水處理廠監(jiān)控管理。

3　通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

一個完整的PLC系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可分為3個層次：信息層、控制層、設(shè)備層。系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，本項目三期工程控制系統(tǒng)將連成光纖環(huán)網(wǎng)，所有現(xiàn)場PLC控制站及中控室操作員站、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器等全部掛接在光纖環(huán)網(wǎng)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴?/p>

信息層位于自動化網(wǎng)絡(luò)的最頂層，主要處理現(xiàn)場檢測儀表采集到的數(shù)據(jù)和信息。本系統(tǒng)采用羅克韋爾支持的Ethernet/IP，同時配備工業(yè)以太網(wǎng)交換機，從而構(gòu)成以光纖以太環(huán)網(wǎng)為核心的自控系統(tǒng)通訊架構(gòu)，通過TCP/IP協(xié)議，將現(xiàn)場各個控制子站以及成套PLC控制系統(tǒng)接入污水處理系統(tǒng)[3]。

控制層是根據(jù)傳送的參數(shù)通過控制器指令對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，主要作用是進(jìn)行處理器與處理器之間的信息傳送、處理器與設(shè)備的輸入或者輸出接口之間的信息交流。本次三期工程現(xiàn)場PLC控制站LCS-304通過ControlNet冗余網(wǎng)絡(luò)與本地I/O控制站及遠(yuǎn)程I/O控制站通訊，確保數(shù)據(jù)可靠傳輸。

設(shè)備層是是整個自動化控制系統(tǒng)的最底層，也是ControlNet網(wǎng)絡(luò)用于連接現(xiàn)場設(shè)備的一層，實現(xiàn)PLC控制器與檢測儀器、現(xiàn)場污水處理設(shè)備、遠(yuǎn)程I/O站點之間的通訊，通常采用硬接線的方式，具備DeviceNet網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)備，也可通過電纜連接相應(yīng)的設(shè)備，減少硬接線的輸入輸出點[4]。

圖3　系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4　DDE應(yīng)用程序開發(fā)

4.1DDE工作原理

動態(tài)數(shù)據(jù)交換簡稱DDE，是一種動態(tài)數(shù)據(jù)交換機制。通常有三種連接方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，即溫連接、冷連接和熱連接。其中，溫連接主要是當(dāng)客戶端決定進(jìn)行數(shù)據(jù)更新時，服務(wù)器向客戶端發(fā)送相應(yīng)的更新請求；冷連接主要是在服務(wù)器和客戶之間建立連接后，當(dāng)客戶端決定接收數(shù)據(jù)時，就發(fā)送數(shù)據(jù)請求至服務(wù)器；熱連接不需要客戶端判斷數(shù)據(jù)是否更新，由服務(wù)器主動進(jìn)行數(shù)據(jù)更新[5]。

DDE是在客戶和服務(wù)器模式的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，允許用戶程序之間共享數(shù)據(jù)，一方是處理信息或者發(fā)出信息的服務(wù)器，另一方則是相應(yīng)信息或者接收信息的客戶端?？蛻粼诳刂葡到y(tǒng)中為應(yīng)用程序，主要作用是提出要求，服務(wù)器程序則對提出的要求產(chǎn)生應(yīng)答，只要客戶和服務(wù)器之間建立聯(lián)系，當(dāng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，會即刻告知客戶，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

4.2PLC與VB間的DDE實現(xiàn)

RSLinx是羅克韋爾自動化公司開發(fā)的具有Advance DDE接口的通信軟件，不但能與人機交互界面和組態(tài)軟件進(jìn)行通信，還可與DDE兼容軟件通信，如Microsoft Excel、Access等。RSLinx提供多種網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動類型，可以對MicroControl Logix PLC進(jìn)行在線訪問[6]。

VB是一種支持DDE通信的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言，支持的DDE對象有窗體(Form)、標(biāo)簽(Label)、文本框(TextBox)和圖片框(PictureBox)，窗體對象用于提供數(shù)據(jù)，標(biāo)簽、文本框和圖片框?qū)ο笥糜诮邮諗?shù)據(jù)。VB給接收端提供了四種DDE屬性、DDE事件和DDE方法，具體內(nèi)容如表1所示。LinkMode有四種連接方式，取值為：0 (None，通信關(guān)閉)，1(Automatic，自動)，2(Manual，手動)，3(Notify，通知)。VB給發(fā)送端僅提供了兩種DDE屬性LinkMode、LinkTopic和四種DDE事件。

表1　接收端對象屬性、事件和方法

DDE編程的過程如下：

(1) DDE物理連接的建立：在DDE服務(wù)器中進(jìn)行PLC類型選定、COM端口設(shè)置、波特率參數(shù)設(shè)置。

(2) 添加Topics：在RSLinx通信軟件中，選擇需要添加的主題，設(shè)置相應(yīng)的通信連接，配置Topic。

(3) 建立VB程序：在窗體中添加DDE標(biāo)簽對象，分別用于讀寫PLC數(shù)據(jù)。每個標(biāo)簽對象都可以在RSLinx中找到相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，而RSLinx中的數(shù)據(jù)對應(yīng)于PLC所連接的數(shù)據(jù)，當(dāng)PLC采集的數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，標(biāo)簽對象所顯示的數(shù)據(jù)會隨之發(fā)生動態(tài)變化。

(4) 建立DDE會話：主要進(jìn)行LinkTopic、LinkMode、LinkItem的設(shè)置。以格柵的啟動時間作為標(biāo)簽對象，建立DDE對話。VB讀取PLC數(shù)據(jù)的DDE設(shè)置如下所示，當(dāng)需要向PLC寫數(shù)據(jù)時，需添加LinkPoke屬性才能將標(biāo)簽對象的屬性值寫入PLC，這樣就可以實現(xiàn)控制PLC所對應(yīng)的標(biāo)簽值。

Label LinkTopic=”RSLinx|hefei!’T1”; //設(shè)置DDE通道：主題”hefei!T1”，指hefei項目程序中定時器T1

Label LinkMode=1; //自動讀取數(shù)值

Label LinkItem=”P461.ACC”; //讀取P461定時器的值

Label LinkTimecount=50; //設(shè)置響應(yīng)時間

Label Caption=m; //m指通過VB向PLC寫入的值

Label LinkMode=2; //手動寫入數(shù)值

Label LinkPoke; //將Caption屬性的值傳送至源端

5　監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)是保證系統(tǒng)良好運行的關(guān)鍵，可以觀察設(shè)備的運行狀況并做相應(yīng)的參數(shù)調(diào)節(jié)和設(shè)備控制。組態(tài)軟件RSView通過通訊網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)和現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)指令的傳輸。監(jiān)控畫面的設(shè)計也是利用VB的DDE技術(shù)來實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時同步[7]。由于在污水處理監(jiān)控系統(tǒng)中，既存在現(xiàn)場檢測儀表數(shù)據(jù)的傳輸，又存在通過上位機對現(xiàn)場設(shè)備的控制或者參數(shù)的調(diào)節(jié)，即組態(tài)軟件和VB都可以是客戶端和服務(wù)器，因此DDE應(yīng)用程序類型是客戶/服務(wù)器應(yīng)用程序。

為了建立VB應(yīng)用程序中的變量與RSView中的標(biāo)簽之間的DDE連接，首先在VB中設(shè)置窗體的屬性，包括LinkItem、LinkMode和LinkTopic；其次在RSView中配置DDE設(shè)備，包括服務(wù)器名、主題名和數(shù)據(jù)交換時的連接方式；最后建立輸入輸出標(biāo)簽，定義項目名、變量所連接的現(xiàn)場設(shè)備和對應(yīng)的PLC地址。DDE連接完成后，先啟動服務(wù)器應(yīng)用程序，再啟動客戶應(yīng)用程序，就實現(xiàn)了RSView與VB之間的數(shù)據(jù)交換。

如圖4所示污水處理系統(tǒng)粗格柵監(jiān)控畫面，使用了標(biāo)簽、圖片和文本對象，不僅可以監(jiān)控到提升泵、粗格柵和污泥提升泵等設(shè)備的運行狀況，還可以直觀地觀測到粗格柵前后液位差的參數(shù)值，有效地去除污水中的垃圾和漂浮物，減少后續(xù)工藝的負(fù)擔(dān)，從而保證出水水質(zhì)。

圖4　粗格柵監(jiān)控界面

6　結(jié)束語

基于PLC和RSView的污水處理控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的自動控制，提高污水處理效率，監(jiān)控系統(tǒng)可遠(yuǎn)程對整個污水處理系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測并實現(xiàn)設(shè)備控制，在一定程度上實現(xiàn)了“數(shù)據(jù)共享、集中管理、分散控制”。DDE技術(shù)在項目中起到了關(guān)鍵作用，通過DDE動態(tài)鏈接PLC與RSView，可監(jiān)測實時變化的數(shù)據(jù)，并且易于維護(hù)，操作簡單。該系統(tǒng)目前運行狀況良好，污水處理的自動化水平得到了較大的提升。

[1] 王樹東,王紅波,譚華,等. OPC技術(shù)在城市污水處理控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 電氣自動化,2011,33(3):35-37,52.

[2] 吳秀芳. 城市污水處理自動化技術(shù)探討[J]. 黑龍江科技信息,2013,17(34):87.

[3] 宋青,王文成. 基于工業(yè)以太網(wǎng)多PLC的污水處理控制系統(tǒng)[J]. 自動化與儀表,2011,31(6):28-32.

[4] 范剛,南新元. 基于CompactLogix系列PLC的污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 化工自動化及儀表,2012,48(12):1617-1622.

[5] 姚偉華,劉海紅. 基于DDE技術(shù)的工業(yè)自動控制組態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計分析[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2014,37(21):113.

[6] 陳堅編著. 羅克韋爾小型PLC控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用實例[M].北京:中國電力出版社,2010.

[7] 吳戈成,嚴(yán)碩林. DDE技術(shù)在PLC自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 自動化與儀器儀表,2011,31(1):76-79+83.

Application of DDE Technology in the Sewage Treatment Control System

MU Pei-hong1, JIA Ting-gang2, NIU Yu-gang1

(1. Key Laboratory of the Ministry of Education for Advanced Control and Optimization Technique for Chemical Processes, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China; 2. Automation Division, Shanghai Electric Group Co., Ltd., Shanghai 200070, China)

In order to promote informatization and intellectualization of the sewage treatment control system and realize effective transmission of on-site data and seamless connection between equipment, we have constructed an architecture on the basis of PLC and configuration software, and realized data communication between on-site PLC and VB by means of DDE (Dynamic Data Exchange) technology to ensure real-time transmission of on-site data. A sewage treatment automatic control and monitoring system is designed by means of inverted A2/O (Anaerobic-Anoxic-Oxic) sewage treatment process to realize control of field devices and real-time monitoring of the production process. Actual results show that the system can run steadily and produce a good control effect.

sewage treatment control system;PLC;DDE; VB; monitoring system

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.028

TP273

A

1000-3886(2016)02-0091-04

穆佩紅(1991-)，女，陜西人，碩士，主要研究方向為自動化控制理論及應(yīng)用。賈廷綱(1973-)，男，山東人，教授級高工，博士，主要研究方向為工業(yè)自動化、魯棒控制及網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)等。牛玉剛(1964-)，男，遼寧人,教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為隨機系統(tǒng)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、智能電網(wǎng)等。

定稿日期: 2015-09-06