成書睿

(上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司，上海 200023)

污水處理廠除臭中央監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

成書睿

(上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司，上海 200023)

隨著公眾環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，污水處理廠的除臭顯得日益重要。針對(duì)污水處理廠除臭系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于以太網(wǎng)的除臭中央監(jiān)控系統(tǒng)。操作人員通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面和歷史數(shù)據(jù)查詢畫面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各區(qū)域系統(tǒng)一鍵啟停，儀表參數(shù)、各設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)穩(wěn)定、操作實(shí)用、響應(yīng)迅速，實(shí)現(xiàn)了對(duì)污水處理廠除臭系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制功能。

以太環(huán)網(wǎng)；污水處理除臭；中央監(jiān)控；工業(yè)庫(kù)；分布式結(jié)構(gòu)

Abstract: Along with the deepening of public awareness of environmental protection, deodorization in the sewage plant becomes more and more important. With respect to such deodorization system, this paper puts forwards the design of a controling and monitoring system based on Ethernet. Operators can start and stop the system in all the areas through one key and monitor instrument parameters and equipment state through realtime monitoring of the graphs and enquiry of historical data. Tests have verified that the system is stable and practical and can respond quickly, and can perform the function of real-time monitoring and controlling for the deodorization system in the sewage plant.

Keywords: Ethernet; deodorization of sewage; centralized controlling and monitoring; industrial bank; distributed structure

0 引 言

當(dāng)今社會(huì)科技日新月異，人們的生活水平顯著提高，隨著公眾的環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，人們對(duì)生活環(huán)境的要求越來(lái)越高，為進(jìn)一步改善污水廠周邊環(huán)境，降低可能影響大氣環(huán)境的污染物排放[1]。污水處理廠除臭系統(tǒng)顯得尤為重要。

本文研究的是基于以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)的污水處理廠除臭中央監(jiān)控系統(tǒng)，以亞控組態(tài)軟件為基礎(chǔ)結(jié)合腳本語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，采用具有C/S(客戶機(jī)/服務(wù)器)結(jié)構(gòu)形式的計(jì)算機(jī)網(wǎng)設(shè)計(jì)。

1 除臭自控系統(tǒng)總體架構(gòu)

除臭系統(tǒng)對(duì)于污水廠工藝處理來(lái)說(shuō)相對(duì)獨(dú)立，與污水工藝處理沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)，且除臭系統(tǒng)常規(guī)為連續(xù)運(yùn)行，以監(jiān)視為主，控制為輔，因此采用集中管理，分散控制的方式，設(shè)計(jì)獨(dú)立的除臭自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

本除臭自控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要分為三個(gè)層次：第一層是中央監(jiān)控系統(tǒng)，第二層是現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站，第三層是現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表、設(shè)備部分。

中央監(jiān)控系統(tǒng)由多臺(tái)服務(wù)器和工作站組成，采用客戶機(jī)/服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，集成顯示現(xiàn)場(chǎng)儀表及設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)和參數(shù)，提供操作員遠(yuǎn)程一鍵啟停系統(tǒng)、報(bào)警、趨勢(shì)曲線、歷史報(bào)表等功能。

現(xiàn)場(chǎng)控制層由159個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制PLC站組成。各PLC站通過(guò)以太網(wǎng)、DeviceNet、Modbus等通訊協(xié)議與現(xiàn)場(chǎng)儀表及設(shè)備進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)采集模擬量及開(kāi)關(guān)量信號(hào)，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各分系統(tǒng)的控制及檢測(cè)。

第三層由各類儀表、設(shè)備(如電子鼻、物位儀、液位計(jì)、在線儀表、泵、閘門、閥門等)組成。

2 中央監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本中央監(jiān)控系統(tǒng)(如圖1所示)是建立在開(kāi)放型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境上，現(xiàn)場(chǎng)控制PLC站與中央控制室之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)儀表設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、一鍵啟停、實(shí)時(shí)報(bào)警、趨勢(shì)曲線、歷史報(bào)表等功能。

系統(tǒng)主要有2臺(tái)服務(wù)器、5臺(tái)工作站組成。服務(wù)器1作為登陸服務(wù)器同時(shí)承擔(dān)通訊服務(wù)器、校時(shí)服務(wù)器、報(bào)警服務(wù)器、歷史服務(wù)器功能。服務(wù)器2承擔(dān)通訊服務(wù)器功能。整個(gè)系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，這樣可以大大減少服務(wù)器的運(yùn)行負(fù)荷，降低了整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的通訊消耗。中央監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

登錄服務(wù)器：作為分布式系統(tǒng)，需要網(wǎng)絡(luò)中有唯一的用戶信息表，服務(wù)器1作為登陸服務(wù)器承擔(dān)了儲(chǔ)存用戶信息表的責(zé)任。網(wǎng)絡(luò)中的站點(diǎn)設(shè)置了有權(quán)限的信息，必須經(jīng)過(guò)服務(wù)器1來(lái)進(jìn)行用戶身份驗(yàn)證，驗(yàn)證通過(guò)才能訪問(wèn)。

通訊I/O服務(wù)器：服務(wù)器1提供上位機(jī)系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)PLC站的通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并向網(wǎng)絡(luò)上的其他站提供數(shù)據(jù)。

校時(shí)服務(wù)器：服務(wù)器1作為整個(gè)系統(tǒng)的校時(shí)服務(wù)器，在指定的時(shí)間間隔內(nèi)，定時(shí)的以廣播的方式向系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的其他機(jī)器發(fā)送時(shí)間校對(duì)楨，用來(lái)保證整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)器時(shí)間始終保持一致。

報(bào)警服務(wù)器：本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為分布式報(bào)警系統(tǒng)，在系統(tǒng)中指定了服務(wù)器1為報(bào)警服務(wù)器，則在服務(wù)器1上產(chǎn)生所有的報(bào)警，操作員可直接在工作站上的報(bào)警服務(wù)器中瀏覽報(bào)警信息。

歷史記錄服務(wù)器：本分布式系統(tǒng)指定服務(wù)器1作為歷史記錄服務(wù)器，在該歷史服務(wù)器上存儲(chǔ)所有的歷史數(shù)據(jù)，操作員工作站可直接瀏覽歷史記錄服務(wù)器中的歷史數(shù)據(jù)。

圖1 中央監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)通訊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)，共有159個(gè)現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站。其中西門子 PLC站35個(gè)，AB Contrologix PLC控制站 62個(gè)，Micorologix PLC控制站3個(gè)，MODBUS儀表59個(gè)。因?yàn)橄到y(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站數(shù)量比較多，部署在一臺(tái)通訊服務(wù)器上對(duì)于IO服務(wù)器來(lái)說(shuō)負(fù)荷比較大，所以將159個(gè)PLC站的通訊分別部署在2臺(tái)IO服務(wù)器上，即服務(wù)器1和服務(wù)器2。服務(wù)器1部署 86個(gè)通訊站,其中ModbusTCP通訊站53個(gè)，AB ContrologixTCP通訊站31個(gè)，Rockwell MicrologixEthernet 通訊站2個(gè)。服務(wù)器2部署了73個(gè)通訊站。 其中MODBUS TCP通訊站6個(gè)，Rockwell MicrologixEthernet通訊站1個(gè)，AB ContrologixTCP通訊站31個(gè),西門子S7-200 PLC通訊站18個(gè)，西門子S7-300 PLC通訊站1個(gè)，西門子S7-1200 PLC通訊站1個(gè)，西門子S7-400 PLC通訊站15個(gè)。大大減少了頻繁的上下位機(jī)通訊對(duì)于通訊服務(wù)器的負(fù)荷，使系統(tǒng)的通訊更為流暢。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能對(duì)于任何一個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)都是至關(guān)重要的，隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的普及和提高，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)重要數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問(wèn)的要求也越來(lái)越高[2]。本系統(tǒng)采用亞控工業(yè)庫(kù)作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，工業(yè)庫(kù)允許對(duì)各記庫(kù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置包括定時(shí)記庫(kù)周期、數(shù)據(jù)變化靈敏度以及備份記錄。在工業(yè)庫(kù)中可以配置數(shù)據(jù)保存的天數(shù)，支持最大8000天的數(shù)據(jù)保存天數(shù)。超過(guò)設(shè)置的保存天數(shù)，歷史庫(kù)將會(huì)自動(dòng)清空數(shù)據(jù)庫(kù)。歷史庫(kù)提供了遠(yuǎn)程讀取網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)的功能，并可以將讀取到的數(shù)據(jù)合并到歷史數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器，更好的解決了數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題[3]。

3 中央監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于分散控制、集中管理的原則[4]。支持TCP/IP協(xié)議、與千兆以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)聯(lián)接。為了使整個(gè)系統(tǒng)更安全可靠、運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)中的服務(wù)器、工作站計(jì)算機(jī)都采用熱備份，一旦有計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，可減少數(shù)據(jù)流失。監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面、系統(tǒng)操作安全分級(jí)、趨勢(shì)曲線、歷史報(bào)表、實(shí)時(shí)報(bào)警等設(shè)計(jì)均應(yīng)采用模塊化。

3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)計(jì)

系統(tǒng)按不同的區(qū)域分類各監(jiān)控畫面，提供各個(gè)區(qū)域工藝流程圖，并顯示該工藝區(qū)域所有設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)信號(hào)，并以不同顯色加以區(qū)分。以綠色表示設(shè)備的開(kāi)足或啟動(dòng)狀態(tài)，紅色表示設(shè)備的關(guān)足或停止?fàn)顟B(tài)，黃色表示設(shè)備報(bào)警或故障狀態(tài)。實(shí)時(shí)顯示各儀表參數(shù)的模擬值。如：液位、電量、各出水水質(zhì)儀表的實(shí)時(shí)值。各個(gè)工藝區(qū)域自成一個(gè)系統(tǒng)，并允許有權(quán)限的操作員對(duì)各工藝分系統(tǒng)進(jìn)行一鍵啟停操作。當(dāng)一鍵啟動(dòng)按鈕被實(shí)施后，該工藝系統(tǒng)會(huì)根據(jù)事先設(shè)定的程序來(lái)啟動(dòng)區(qū)域內(nèi)的各個(gè)設(shè)備。系統(tǒng)分畫面實(shí)時(shí)監(jiān)控圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)分畫面實(shí)時(shí)監(jiān)控圖

3.2 系統(tǒng)操作安全機(jī)制

本系統(tǒng)的安全機(jī)制設(shè)計(jì)成可以防止越權(quán)誤操作和存取系統(tǒng)數(shù)據(jù)的功能。系統(tǒng)有多個(gè)用戶名，并對(duì)各用戶進(jìn)行安全分級(jí)，不同的用戶對(duì)應(yīng)不同的安全等級(jí)。用戶的安全等級(jí)決定了用戶對(duì)系統(tǒng)的操作權(quán)限。如果用戶等級(jí)與系統(tǒng)操作不匹配，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示“無(wú)權(quán)限操作”并且不執(zhí)行該用戶的操作。

用戶在進(jìn)入系統(tǒng)前需要先輸入自己的用戶名和密碼，計(jì)算機(jī)在驗(yàn)證其身份后，才允許其進(jìn)行其安全等級(jí)內(nèi)的操作。計(jì)算機(jī)會(huì)將所有用戶的登陸操作活動(dòng)都記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，當(dāng)操作員操作完畢后，需要及時(shí)將自己的用戶撤銷登陸。一旦發(fā)生問(wèn)題和事故，可以根據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的操作記錄來(lái)追溯，做到有據(jù)可查、有利于對(duì)事故的處理和提高生產(chǎn)管理效率。系統(tǒng)安全級(jí)別如下：

一級(jí)：(1)登入系統(tǒng)，(2)畫面顯示，(3)退出系統(tǒng)。

二級(jí)：(1)一級(jí)的全部操作，(2)執(zhí)行控制命令，(3)數(shù)據(jù)鍵盤輸入，(4)打印命令，(5)確認(rèn)/消除報(bào)警。

三級(jí)：(1)二級(jí)的全部操作，(2)程序編輯參數(shù)調(diào)整，(3)數(shù)據(jù)庫(kù)配置，(4)報(bào)表格式定義，(5)安全口令賦值，(6)系統(tǒng)管理功能。

3.3 趨勢(shì)曲線設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于工業(yè)庫(kù)趨勢(shì)曲線控件設(shè)計(jì)了歷史趨勢(shì)查詢界面。可以自定義查詢的起始時(shí)間和終止時(shí)間，查詢周期可以精確到秒。趨勢(shì)顯示可以用棒狀圖或線狀圖顯示歷史趨勢(shì)或當(dāng)前趨勢(shì)，提供4種曲線類型顯示：百分比繪制曲線、自定義曲線、單一軸實(shí)際值曲線、自適應(yīng)實(shí)際值曲線。每張曲線畫面支持最多16條曲線的同時(shí)顯示，每條曲線均可以選擇不同的顏色、曲線類型及趨勢(shì)類型。用戶可以在已形成的模板中查詢曲線也可以自由選擇曲線查詢。

圖3 歷史曲線查詢實(shí)現(xiàn)流程圖

按照傳統(tǒng)的作法，每個(gè)查詢頁(yè)面最多16條曲線，歷史趨勢(shì)曲線總頁(yè)面數(shù)將達(dá)到上百頁(yè)，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)會(huì)很龐大，不利于系統(tǒng)后期的維護(hù)。本系統(tǒng)采用編輯多個(gè)自定義函數(shù)來(lái)替代曲線頁(yè)面的數(shù)量，即只使用一個(gè)預(yù)設(shè)了16條曲線的查詢頁(yè)面。每個(gè)自定義函數(shù)都按查詢區(qū)域編寫了代碼。用戶選擇曲線參數(shù)后，會(huì)下發(fā)指令選擇相對(duì)應(yīng)的自定義函數(shù)，在自定義函數(shù)中再使用ChangeCurveVarNameForKHRDB函數(shù)來(lái)填充具體的曲線到畫面中完成查詢。曲線查詢實(shí)現(xiàn)流程圖如圖3所示。

3.4 報(bào)警處理設(shè)計(jì)

系統(tǒng)提供主要設(shè)備的報(bào)警信息以及儀表超限報(bào)警信息的查詢和顯示。并對(duì)不同設(shè)備進(jìn)行分級(jí)報(bào)警。當(dāng)系統(tǒng)中設(shè)備及儀表的非正常狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)報(bào)警彈出提示框。彈出框中的報(bào)警信息可以根據(jù)操作人員的意愿，按照故障發(fā)生時(shí)間或安全等級(jí)升、降序排列，不同等級(jí)的報(bào)警用不同的顏色表示。用戶在確認(rèn)報(bào)警后，報(bào)警顏色可以消除。對(duì)于未經(jīng)操作員確認(rèn)的報(bào)警，會(huì)一直顯示在報(bào)警彈出框的頂端，直至確認(rèn)。

3.5 報(bào)表及打印功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)提供一個(gè)報(bào)表生成器，為用戶提供了各儀表參數(shù)和主要設(shè)備的日?qǐng)?bào)、月報(bào)、自助查詢報(bào)表。其中日?qǐng)?bào)和月報(bào)按照用戶的要求，設(shè)計(jì)成固定格式報(bào)表，用戶可以通過(guò)年、月、日的時(shí)間選擇來(lái)查詢固定格式報(bào)表。在自動(dòng)查詢報(bào)表中，用戶可以按照需求選擇設(shè)備，時(shí)間、查詢間隔時(shí)間等參數(shù)來(lái)自由查詢?cè)O(shè)備的開(kāi)停時(shí)間、報(bào)警時(shí)間、儀表的歷史記錄值，在選中的時(shí)間段內(nèi)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)平均值、最大值、最小值、實(shí)時(shí)值的統(tǒng)計(jì)顯示。所有報(bào)表均可以通過(guò)界面上的打印按鈕進(jìn)行實(shí)時(shí)打印。也可以通過(guò)保存按鈕將查詢到的報(bào)表另存為.XLS文件以便存檔。

報(bào)表基于微軟EXCEL開(kāi)發(fā)，使用宏命令編寫代碼完成工業(yè)庫(kù)歷史數(shù)據(jù)的查詢，通過(guò)控件內(nèi)嵌到系統(tǒng)顯示頁(yè)面中。采用EXCEL作為模板可以增加報(bào)表格式的自由度，并且可以最大程度的利用微軟EXCEL自帶的強(qiáng)大公式統(tǒng)計(jì)及繪圖功能。對(duì)開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，相比傳統(tǒng)的報(bào)表控件，使用宏命令自行編寫代碼的復(fù)雜程度更高，但自由度也更高，使數(shù)據(jù)查詢功能不受傳統(tǒng)報(bào)表控件模板的功能限制，如在查詢時(shí)間段內(nèi)所有變量的分時(shí)間最大值、最小值、平均值等，更有利于用戶的使用。查詢時(shí)間段內(nèi)儀表參數(shù)最大值功能代碼如下所示。儀表自由查詢最大值界面如圖4所示。

For i = lStartIndexOfPage TolEndIndexOfPage 從報(bào)表起始行到終止行開(kāi)始循環(huán)

KDBStartTime.LocalStringTime = TimeArray(i) 查詢起始時(shí)間=數(shù)組TimeArray(i)

KDBEndTime.LocalStringTime = TimeArray(i + 1) 查詢終止始時(shí)間=數(shù)組TimeArray(i+1)

Set KDBDRS = KDBServer.DataAdmin.OpenOneTagRecordset(strVarName, KDBStartTime, KDBEndTime, samCalculated, , lInterval * 1000, ccmMaximum, , 1000000) 返回查詢數(shù)據(jù)集KDBDRS

If KDBDRS.Count = 1 Then 從數(shù)據(jù)集第一個(gè)值開(kāi)始循環(huán)

Sheet1.Cells(Sheet2.Cells(16, 2 + iIndex) + i - 1 - lStartIndexOfPage + 1, Sheet2.Cells(17, 2 + iIndex)) = CStr(KDBDRS.Item(1).Value) 填充數(shù)據(jù)到顯示界面sheet1中

End If

If KDBDRS.Count <> 1 Then 如果返回?cái)?shù)據(jù)集個(gè)數(shù)異常，則填充數(shù)據(jù)”N/A”到顯示界面sheet1

Sheet1.Cells(Sheet2.Cells(16, 2 + iIndex) + i - 1 - lStartIndexOfPage + 1, Sheet2.Cells(17, 2 + iIndex)) = "N/A"

End If

Next

圖4 儀表自由查詢最大值報(bào)表界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本中央監(jiān)控系統(tǒng)采用WINDOWS 2008 server操作系統(tǒng)，以亞控組態(tài)軟件為基礎(chǔ)結(jié)合腳本開(kāi)發(fā)，利用以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)，設(shè)計(jì)了基于以太網(wǎng)的污水處理廠除臭中央監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)形式的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)的單機(jī)操作系統(tǒng)相比，分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)大大減少服務(wù)器的運(yùn)行負(fù)荷，提高了整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的通訊速度，使客戶機(jī)操作更為流暢、實(shí)時(shí)性更高[5]?，F(xiàn)場(chǎng)控制站與中央控制室之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)畫面、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警、曲線、報(bào)表等功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了各功能模塊化，人機(jī)界面畫面美觀、易于操作，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，性能良好，具有較高的應(yīng)用價(jià)值[6]。

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Design of a Centralized Controlling and Monitoring System for the Deodorization System in the Sewage Treatment Plant

Cheng Shurui

(Shanghai Electrical Automation D&R Institute Co., Ltd., Shanghai 200023,China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.033

TP29

A

1000-3886(2017)03-0110-03

定稿日期: 2017-03-22

本項(xiàng)研究工作得到了上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)的資助，(資助課題17DZ2283400)

成書睿(1985- )，女，碩士，上海人 ，工程師，從事自動(dòng)化系統(tǒng)集成工作。