楊榮軍

（陜西群力電工有限責任公司，陜西寶雞 721300）

0 引言

污水處理工藝較為復雜，為了保證水質(zhì)、降低能耗、提升系統(tǒng)的可靠性，在管理過程中應強化信息感知能力、故障分析能力以及自主決策能力。管控一體化智能生產(chǎn)平臺以運行數(shù)據(jù)為支撐，以實時監(jiān)控為手段，以預設(shè)程序為執(zhí)行邏輯，能夠?qū)崿F(xiàn)工藝流程的智能化管理。此類平臺具有較高的實用價值，研究其設(shè)計方法有助于推動相關(guān)技術(shù)發(fā)展，促進污水治理。

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)負責現(xiàn)場工藝設(shè)備控制、網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)監(jiān)控、遠程操控、數(shù)據(jù)存儲等，智能生產(chǎn)平臺是管控一體化系統(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)平臺的設(shè)計定位。結(jié)合污水處理站的通用設(shè)計方案，管控一體化系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計如圖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)平臺應具備較強的自動化、智能化水平，PLC 控制器具有編程功能，可自動執(zhí)行特定的處理邏輯，因而成為智能平臺的設(shè)計要點。

1.2.1 主、從站設(shè)計

PLC 控制站將多個PLC 控制器集成安裝在機柜中，用于污水處理站內(nèi)特定工藝環(huán)節(jié)的自動控制，PLC 控制器可上傳數(shù)據(jù)，并執(zhí)行系統(tǒng)平臺下發(fā)的指令。主、從站的主要組件包括電源、機柜、導軌、I/O 信號模塊、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

PLC 控制器的主要作用為控制現(xiàn)場的污水處理設(shè)備，從而實現(xiàn)水泵自動啟閉、曝氣機控制、加藥控制等。在設(shè)計過程中需將控制站內(nèi)的PLC 控制器連接至對應的電氣設(shè)備上?？刂乒駜?nèi)的每一個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。在西門子的機柜中，通常設(shè)置一個主機架，其余為輸入或輸出機架，一個機柜內(nèi)的機架數(shù)量最多可達到4 個，單個機架上的模塊數(shù)量為8 個，每一個模塊位占用一個地址[2]。

2 污水處理站管控一體化智能生產(chǎn)平臺設(shè)計方案

2.1 平臺功能需求分析

2.1.1 數(shù)據(jù)可視化

污水處理站內(nèi)設(shè)計有污水提升泵站、過濾站、沉淀池、排渣池等，在運行過程中需對流量、壓力、過濾時間、沉淀時間、加氯、加藥、曝氣進行精確管控，其處理工藝中會產(chǎn)生大量的工程數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可視化旨在利用計算機軟件平臺，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)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動更新和集成管理。

2.1.2 構(gòu)建便捷的人機交互環(huán)境

管控一體化智能生產(chǎn)平臺重在突出一體化和智能化，一方面通過平臺管理運行數(shù)據(jù)，另一方面經(jīng)由平臺遠程操控設(shè)備設(shè)施。人機交互環(huán)境成為管理人員完成工作的主要途徑，其設(shè)計重點為軟件界面和污水處理業(yè)務流程，設(shè)計方案需體現(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)平臺對整個生產(chǎn)過程進行綜合調(diào)度與管理，要求該平臺具備生產(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，在其支撐下對整個工藝過程進行優(yōu)化和提升。

2.2 平臺ERP 管理系統(tǒng)

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

2.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）工程數(shù)據(jù)服務器。在選擇服務器時重點關(guān)注其內(nèi)存、CPU 主頻、網(wǎng)卡以及持久化存儲空間。要求內(nèi)存至少達到8 GB 以上，主頻需達到中端水平[3]。綜合對比各類CPU 的性價比，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Cache。數(shù)據(jù)服務器應具備較大的持久化存儲空間，以1 TB 為宜。系統(tǒng)內(nèi)存設(shè)計為16 GB，網(wǎng)卡為100 M。

（2）實時工業(yè)數(shù)據(jù)庫。實時工業(yè)數(shù)據(jù)庫用于存儲污水處理站的海量實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，選用國內(nèi)企業(yè)研發(fā)的KingHistorian 工業(yè)實時歷史數(shù)據(jù)庫。其存儲速度達到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，能夠建立報表、操作界面，并且與常用的PLC 控制器進行交互。

2.2.2 訪問模式

智能生產(chǎn)平臺應支持兩種訪問模式。C/S 訪問模式下利用專用的軟件客戶端與數(shù)據(jù)庫進行交互。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)議實現(xiàn)。在KingView 組態(tài)軟件中，需設(shè)置OPC 服務的網(wǎng)絡節(jié)點名稱（IP 地址）、OPC 路徑、OPC 服務器信息。同時，MATLAB 中設(shè)計有專門的OPC 接口程序。此時，以O(shè)PC 通信接口為橋梁，KingView 和MATLAB 中的Simulink 實現(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)絡環(huán)境

對比KingView 的聯(lián)網(wǎng)運行模式和本地運行模式，出于數(shù)據(jù)安全性的考量，應采用聯(lián)網(wǎng)運行模式下的數(shù)據(jù)雙機熱備份方案。設(shè)置兩臺服務器，一臺作為主機，另一臺作為備份機器。PLC 數(shù)據(jù)采集任務交由主機處理，報警信息以及其他各種信息也由主機生成。從機定期對主機數(shù)據(jù)進行備份，一旦主機出現(xiàn)故障，導致數(shù)據(jù)丟失，從機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)服務器和客戶端配置

KingView 數(shù)據(jù)服務器為系統(tǒng)中的關(guān)聯(lián)節(jié)點，一個服務器應同時服務多個客戶端。換言之，數(shù)據(jù)服務器和客戶端之間為一對多的關(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)服務器之間建立訪問權(quán)限，只有完成該配置，客戶端才能對平臺的可視化工藝畫面進行操作。主要配置內(nèi)容包括服務器類型、遠程工程的LINC 路徑、主機節(jié)點名稱、主機備份網(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)軟件是平臺的管理控制端，PLC 控制器為污水處理站的現(xiàn)場執(zhí)行組件。在實際運行過程中，KingView 軟件通過關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫與PLC 進行交互。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)庫配置

2.4.1 關(guān)系數(shù)據(jù)庫和KingHistorian 數(shù)據(jù)庫配置

關(guān)系數(shù)據(jù)庫主要用于存儲歷史數(shù)據(jù)，常見的關(guān)系數(shù)據(jù)庫包括SQL-Server、Mysql。其特點為以表區(qū)分數(shù)據(jù)應用范圍，以字段區(qū)分數(shù)據(jù)指標。KingHistorian 工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫均在KingView 組態(tài)軟件的歷史庫配置界面進行操作。勾選“歷史庫”和“工業(yè)庫服務器”兩個選項，然后點擊右側(cè)的“配置”按鈕，設(shè)置數(shù)據(jù)保存天數(shù)和存儲路徑。另外，KingHistorian 數(shù)據(jù)庫配置中需驗證用戶角色，以限制操作權(quán)限。KingView 中提供相應的配置界面，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，即可訪問相應的關(guān)系數(shù)據(jù)庫和工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫。

2.4.2 關(guān)系數(shù)據(jù)庫訪問設(shè)置

用戶可通過Microsoft Access 數(shù)據(jù)庫管理軟件訪問關(guān)系數(shù)據(jù)庫，以軟件界面呈現(xiàn)數(shù)據(jù)列表。在訪問之前需進行通信配置。其訪問配置流程為：指定數(shù)據(jù)庫存儲路徑→指定數(shù)據(jù)庫的數(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)類型及長度[5]。待數(shù)據(jù)錄入之后，利用SQL 語句查詢數(shù)據(jù)，實現(xiàn)訪問。以CS 反應池為例，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)庫連接、建表、插入以及查詢SQL 語句

表3 關(guān)系數(shù)據(jù)庫污水處理站CS 反應池數(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)平臺中設(shè)計有針對歷史數(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)庫中調(diào)用數(shù)據(jù)，在前端界面完成統(tǒng)計、分析，形成報表。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 移動端發(fā)布及訪問

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

工程數(shù)據(jù)移動端發(fā)布依賴于組態(tài)軟件的移動客戶端開發(fā)工具，數(shù)據(jù)發(fā)布前需添加移動用戶，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端訪問智能生產(chǎn)平臺。

3 結(jié)束語

污水處理站管控一體化智能生產(chǎn)平臺的設(shè)計需求為數(shù)據(jù)可視化、決策智能化、人機交互便捷化等。該平臺以PLC 控制站、ERP 系統(tǒng)、服務器、數(shù)據(jù)庫等為軟硬件基礎(chǔ)，通過KingView 實現(xiàn)軟硬件組態(tài)。系統(tǒng)組態(tài)開發(fā)和軟硬件環(huán)境配置是整個設(shè)計方案的關(guān)鍵和難點，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)存儲于關(guān)系數(shù)據(jù)庫和工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫，為遠程監(jiān)控和操作提供依據(jù)。