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前沿：OPC技术在城市污水处理中的应用
    摘要：为了解决WinCC与RSLinx之间的通信以及站与站之间的互操作问题，提出在城市污水处理过程中采用OPC技术的应用方案。首先简要介绍了OPC技术的特点，然后分析了城市污水处理的工艺流程，最后详细给出了将OPC技术应用到城市污水处理控制系统的具体设计及实现方法。该技术的应用使得系统在实现无缝集成的同时，大大简化系统复杂性，并减轻了生产及维护工人的劳动强度，具有很好的经济效益和社会效益。
    关键词：城市污水处理OPC技术无缝集成开放式系统监控系统
    引言
    目前，城市污水处理系统的监控设备基本上采用分散独立的传统继保装置，对于现场设备数据的采集，大都是由厂家自己编写的专用驱动程序。虽然这些驱动程序可以针对其专门的硬件进行最优化读取，但如果需要集成不同厂家的硬件时，就会产生不同软硬件之间的数据冲突；而且在污水处理过程中会用到大量结构复杂的设备，维护量大，也不利于整个系统的监控、调度和集中管理。在靖远城区污水处理项目中，为了能低成本地解决这些问题，采用OPC(OLEforprocesscontr01)技术，在中心控制室设置调度监控中心，通过主站对污水处理厂各PLC站进行集中控制和监视，较好地解决了ControlLogix1756一L61PLC和西门子公司的s7-300系列PLC的通信和互操作。
    1OPC技术简介
    随着过程控制和工业自动化的发展，自动化系统厂商希望能够集成不同厂家的不同软硬件设备，实现各家设备之间的互操作；而现实中不同供应商的软硬件存在着不同的标准和协议，供应商对这种标准和协议专权享有，难以实现系统的无缝集成。在这种情况下，OPC作为一种工业标准应运而生，它为工业环境中的信息交互提供了统一的标准软件接口，改变了客户相对被动的局面。
    由于OPC接口的基础是MicrosoftWindows的COM和DCOM技术，因此，只有当设备带有的操作系统是基于WindowsCOM和DCOM技术时，才能使用OPC接口方法。OPC按照面向对象的原则，将一个应用程序OPC服务器)作为一个对象封装起来，只将接口方法暴露在外面，客户以统一的方式去调用这个方法，从而保证了软件对客户的透明性，使得用户完全从底层的开发中脱离出来。OPC规范了接口函数，不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一的方式去访问，实现了系统的开放性。
    OPC技术的关键在于它提供了一种高效的通信机制，其所关心的是现场数据的存取方式而不是实际的数据类型，它给工控软件提供了一种一致的存取现场设备数据的方法。OPC的软件系统结构为客户端(client)／服务器(8erver)模式。由于OPC技术的采用，使得以更简单的系统结构、更长的寿命、更低廉的价格解决工业控制系统成为可能；同时，现场设备与系统的连接也更加简单、灵活、方便。因此，OPC技术在国内工业控制领域得到了广泛的应用。
    2水处理工艺流程
    污水处理就是利用各种不同的方法，将污水中所含污染物质分离出来或将其转化为无害物质，从而使污水得到净化的过程。靖远城区污水处理流程如图1所示。

图1
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    本污水处理工艺分为一级处理和二级处理。
    一级处理主要是采用物理法取出悬浮物以及部分有机物，其具体工艺过程是管网来的污水首先流入迸水控制井，使污水量和水质得到调节，从而使污水处理达到稳定平衡运转；再将污水分别通过粗、细格栅，以截阻粗大的悬浮物；然后在沉砂池中利用重力分离原理，将污水中的砂粒、矿渣等较大的无机颗粒分离出去，而吸砂机则将沉砂吸出，送到砂水分离器。沉砂池的作用是将污水中的沙砾分离出来，防止其对后续工序设备的损害，最后进入二级处理。
    二级处理是在一级处理的基础上，进一步采用物化法去除污水中的胶体及溶解性物质，其主要工艺采用CASS池(包括厌氧池、好氧池和沉淀池)T艺生化处理，包括：一级处理过的污水首先进入厌氧区进行厌氧处理，厌氧池中的污泥吸收污水中的一些有害物质后，污水进入好氧池，由鼓风机提供微生物所需的氧气，与池内活性污泥混合成混合液；然后在曝气池中经过连续、充分的曝气，曝气一方面使活性污泥处于悬浮状态，与废水充分接触；另一方面，通过曝气，向活性污泥供氧，保持好氧条件，使微生物正常生长和繁殖，通过微生物的新陈代谢，使有机物无机化、有毒物质无害化；污水进入沉淀池后，沉淀后的污泥流人污泥浓缩池进行处理，其中沉淀杂质较少的上清液再由污泥回流泵送往厌氧池进行循环处理。经过CASS池、接触池，再经加氯消毒后，此时的水已达到国家排放标准，可排至黄河。
    由于污水处理厂产生的大量污泥含有有害、有毒物质，会对周围环境产生不利影响，所以，必须对污泥进行及时处理和处置，使之减量、稳定、无害化以及能被综合利用。污泥的处理包括消化、浓缩等过程。初沉池沉淀的生污泥通过泵提升到重力浓缩池进行浓缩。二沉池沉淀的活性污泥一部分由回流泵提升到CASS池的厌氧区，以增加活性污泥浓度；另一部分通过泵提升到气浮浓缩池。经过2个浓缩池浓缩后的污泥，通过投配泵提升到消化池进行消化处理。最后进入脱水间脱水成较干的污泥即可外运处理。
    3系统结构
    根据污水处理丁艺特点、构筑物的分布及整体控制要求，整个自动控制系统设置了3个现场PLC监控站和1个中心控制室，从而实现了分散检测和控制、集中显示和管理的原则。其中，3个现场监控站分别负责污水处理过程中的粗格栅及污水提升泵房控制室、变配电室控制室、污泥脱水机房控制室；而中心控制室设在厂区综合办公楼内，中央控制室中的中央监控机可以监视全厂工艺设备的运行状态、工艺过程中的各种参数主要设备的控制和事故报警、主要参数的越限报警等。下位机系统采用PLC，上位机系统采用IPC(工业PC机)。整个控制系统结构如图2所示。

图2
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    自控系统采用集散型控制系统，即由上位机、通信网络、现场控制站(PLC可编程序控制器)以及就地控制盘组成。各现场控制站设置在就地控制室内，控制站将采集到的各种参数及信号传送到中央监控管理计算机，并接收上位机指令。当上位机发生故障时，系统仍能按照预编程序对辖区内的设备进行控制。CASS反应池就地控制盘(箱)设置在滗水器附近，其将采集到的各种参数及信号通过现场控制站传送至中央监控管理计算机，并接收上位机指令，对滗水器的滗水过程进行控制和监视。就地控制盘(专用控制装置)位于被控设备附近，作为工艺设备成套的控制装置，其控制功能有3种：①就地手动控制，一般在自动控制系统出现故障或检修时用到；②远程遥控控制，操作员在中心控制室进行控制，一般用于异常情况下的控制；③自动控制，正常情况下系统运行在自动控制模式下。控制级别由高到低依次为：现场手动控制、遥控控制、自动控制。
    另外，为了使经营管理人员能及时了解掌握现场情况，提前发现隐患并及时处理，保证污水厂正常运行，设立了摄像系统，以监视厂内生产及安全保卫状况；在污水厂围墙边上，还设置了红外入侵探测系统，以防止外人非法入侵。
    3．1系统硬件选型
    考虑到污水处理控制对系统安全性、可靠性、可维护性和灵活性的要求，本系统硬件组成包括现场控制站(粗格栅提升泵房现场控制站和变配电室控制站)和污泥脱水机房现场控制站。粗格栅及污水提升泵房控制室和变配电室控制室采用AB系列的PLC，而污泥脱水机房控制室采用西门子的$7-300系列PLC；上位机选择研祥工控计算机(IPC810A4套)；CPU：PIV／3．0GHz；内存：lGB的DDR；硬盘驱动器：160GB；光盘驱动器：DVD±RWIEEE1394卡；多串口卡标准键盘、鼠标、USB接口、通信接口、显示卡等；低压电气选用德力西低压电气产品；美国HP公司彩色喷墨打印机2台，激光打印机(黑白)l台；UPS电源(不间断电源)选用Santak公司的产品，4台。
    3．2上位监控软件设计
    上位监控系统采用SimatieWinCC开发”o，其主要包括计算机、变量管理器、结构变量和编辑器4大部分。变量管理器是对组态软件中所用的变量进行初始化定义，主要作用是将变量标签与下位机PLC程序中的数据相连：编辑器则是实现组态各个画面和报警、报表等功能的主要部分。
    在上位机中，数据采集系统可以实时显示水位、温度、电机电流、流量、流量累计、流量电流比、变频器工作状态、手动自动状态及空气开关的状态。这样，在中央控制室内就可以检测到来自现场的各种相关数据，免去了在各站之间烦琐地来回工作，只需定期到各站检查一遍即可，从而大大减轻了工作人员的工作量。远程监控系统实现了对各个站的集中控制，系统可以在控制室里控制各电动设备的开启、关闭和停止动作以及变频器的启动停止，并可调节转速。这是实现自动控制的关键所在。自动化操作的实现，使得管理人员在控制室内就能够实现对远距离各设备的启停操作，大大提高了工作效率。报警系统能显示短时期内的报警情况，电机过流或变频器发生故障等都会引起系统的报警。报警形式有总报警灯闪烁及报警声音，事故站按钮闪烁及报警声音、报警栏、报警信息显示(包括报警单位、报警款项及是否自动消除等)，报警窗口各时期报警情况等。实时数据记录系统可以将一段时间内的水位、温度、含氧量、流量及流量累计等数据实时地记录下来，并打印。曲线分析系统可以实现各种数据的趋势显示，使操作者能直观地看到数据的变化情况。另外，在按钮栏上设有一个总停按钮(停止所有设备的运行)，用来应付紧急情况。
    4OPC技术的通信实现
    在本项目中，采用西门子公司和罗克韦尔公司生产的PLC作为OPCServer，并在上位机中开发OPCClient，以实现这2种PLC之间的互操作。西门子公司为s7-300／400提供的OPCServer接口集成在SimaticNet软件包内，所以可直接利用S7系统提供的OPCServer。同时。在PC机上创建OPC服务器，并采用SimaticNet软件建立Profibus．DP网络，实现了OPC服务器与S7—300／400系列PLC输入、输出接口点对点的连接。
    RSLinx是AB可编程控制器在Windows环境下建立工厂所用通信方案的工具，它不仅提供了多种网络驱动程序。而且提供了快速的OPC、DDE和CustomC／C++接口。在项目的具体实施过程中，采用VB软件编写OPC客户端应用程序，实现了上位机与Lo画x5550控制器之间的通信。
    首先在WinCC中组态监控画面，再在LogixS000中进行I／O组态及控制程序编写H1，然后在RSLinx中配置通信驱动，最后采用OPC技术实现RSLinx与WinCC之间的通信以及ABPLC与s7-300PLC之间的互操作。待RSLinx配置完后，再到WinCC里新建用于监控的变量，最后利用RSLinx中Edit菜单下的CopyDDE／OPCLink功能，找到所需的通信地址、OPC链接格式。逐个建立完这种链接后，即可在WinCC里像使用本地直接链接的变量一样使用通过OPC链接的变量。
    5结束语
    在靖远城区污水处理项目中利用OPC技术开发的智能控制系统，降低了系统造价，保证了通信网络良好的兼容性和稳定性，实现了不同厂商设备的无缝集成；同时保证了通信的快速性，并为生产工艺的进一步改进提供了方便，降低了生产和维护成本，更减轻了生产及维护工人的劳动强度，具有很好的经济效益和社会效益。