OPC技术在城市污水处理控制系统中的应用研究

王树东 王红波 谭华 毕作文 曹新凤

(1.兰州理工大学 电气与信息工程学院，甘肃 兰州 730050;2.甘肃省工业过程先进控制重点实验室，甘肃 兰州 730050)

0 引言

目前，一些大型控制系统中，往往包含了多种多样的控制网络，如DCS、FCS、PLC和智能仪表。一方面，由于时代的不同，控制系统往往存在着先进性的差异，如DCS，FCS并存的局面;另一方面，由于生产厂商的不一致，存在着控制设备品牌与协议的差异。这两方面的差异最终导致自成系统，难以实现统一管理。永昌城区污水处理项目就是典型这类控制系统，其下位机采用了三种不同品牌的PLC，为瑞士ABB公司的AC500系列PM582－ETH PLC，美国Allen－Bradley 公司的 Control Logix系列1756－L61 PLC和德国Siemens公司的S7－300系列PLC，上位监控组态软件是RSView32。由于RSView32只内置了AB公司的PLC驱动程序，直接导致与ABB和Siemens PLC之间的无法通信，其次，不同品牌的PLC的通信协议不一样，使整个控制系统无法互锁。于是，如何进行可靠的数据通讯，确保三个控制站正常运行并满足互操作就成了解决问题的关键所在。OPC(Object Linking and Embedding(OLE)for Process Control，用于过程控制的OLE)技术就是为了解决这些问题而产生的。

1 OPC技术介绍

OPC技术，由OPC基金会于1996年秋推出的。它是以微软的OLE/COM技术为基础建立的一项技术规范与标准，采用Client/Server模型，定义了一组COM对象及其双接口。OPC服务器可以成为OPC数据源，OPC应用程序为数据的使用者。数据源可以是PLC，DCS，条形码读取器等控制设备，也有可能是其他的应用程序或数据库。随控制系统构成的不同，作为数据源的OPC服务器即可以是和OPC应用程序在同一台计算机上运行的本地OPC服务器，也可以是在另外的计算机上运行的远程OPC服务器。一个客户程序可以同时和一个或多个厂商提供的OPC服务器连接［1］。

OPC对象主要包括服务器(Server)、组(Group)和项(Item)。服务器对象包含服务器的所有信息，也是组对象的容器，一个服务器对应于一个OPC Server，即一种设备的驱动程序。而组对象相对于项而言也是一个包容器，它提供一套管理项的机制;OPC项则表示了与OPC服务器中数据的连接，包括值(Valve)、品质(Quality)、时间戳(Time Stamp)3个基本属性。

由于OPC技术的使用，实现了不用考虑驱动程序和接口问题，就可在自动化控制软、硬件之间实行无缝链接，它使设备层、自动化层以及信息层之间的协同工作成为可能。用户可在选择它们的软、硬模块时具有充分的灵活性，通过标准化通信接口，多种供应商的产品能被组合、匹配在一起，并在无需修改程序的情况下能够相互作用。

这样使得工业控制系统有着更加简单的系统结构，更长的使用寿命，并且相对较低的造价。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 污水处理工艺流程及主要控制

根据永昌城区和污水的具体特点，设计一座日处理能力为1.7m3/d的污水处理厂。采用循环式活性污泥法 CASS(CyclicActivated Sludge System)工艺，该工艺具有能耗低、运行费用少、出水水质好、管理简便、自动化程度高等优点。具体工艺流程见图1。

图1 污水处理工艺流程

由于城市污水主要是工业企业和居民生活所排放的，所以污水中含有大量的有机物，这种污水称为生化污水。生化污水处理工艺是利用微生物的吸附，氧化和分解作用来降解污水中的有机物含量，形成可以沉淀的污泥，从而使净化水质达到规定排放的标准。本项目污水处理系统分三个子系统:机械处理部分，生化处理部分，污泥处理部分。在机械处理部分中主要涵盖的有:粗格栅，提升泵房，细格栅，砂水分离池。这部分主要是除去污水中的漂浮物，悬浮物，细小纤维，防止水流中的阻塞和降低后续生物处理负荷。生化处理部分为:配水井，CASS池，鼓风机房，接触池，加氯加药间，计量井。其主要任务是大幅度地去除污水中胶体和溶解状态的有机物。采用的方法以CASS法为污水处理的主体工艺。CASS反应池分预反应区和主反应区，该工艺过程使活性污泥在预反应区中经历一个高负荷的吸附阶段，随后在主反应区经历一个较低负荷的基质降解阶段，以完成整个基质去除过程。经过CASS池后的水进入接触池投加氯消毒，最后通过计量井，此时的水已达到国家排放标准，排至黄河。污泥处理部分是:回流污泥池，贮泥池，污泥缓冲池，污泥脱水间。是防止受纳水体发生富营养和受到难降解的有毒化合物的污染。以下就主要的过程控制加以说明。

(1)格栅机控制系统

在粗细格栅机控制中，主要采用两种控制方式，一种是液位控制，另一种是时间控制。前者主要是根据格栅处安放的超声波液位差计，PLC通过液位差的值来启动格栅机的运行，为防止格栅机在液位差值的波动上反复的启动，对此在控制上设置了一定的运行时间。后者是在时间控制方式下，不管液位差的值是多少，到了设定的间隔时间，格栅机就自动启动运行，运行时间也是可以设定的，这样更为灵活、方便。格栅间，输送机，压榨机为联动控制。

(2)提升泵房控制系统

提升泵房设置有3台提升泵，PLC根据超声波液位计的值自动控制水泵的启停及运行的台数，三台提升泵为自动轮换运行。

(3)CASS池控制系统

目前CASS池的控制方案大体有三种:一是生物浓度控制，是指根据在线测得的水质参数与设定参数形成闭环控制;二是反应时间控制，即根据对CASS池工艺的各个阶段所需要的时间进行自动控制;三是流量程序控制，就是根据CASS池前的计量井的流量来决定CASS闸门的开关时间，流量大时，进水时间相对缩短，反之，则时间加长。总的情况是保证CASS池的处理量。本项目采用的是第三种控制方案。

3 系统结构设计

根据污水厂的分布情况，共设有三个PLC现场控制站和一个中心控制室，三个站分布在粗格栅及污水提升泵房控制室(PLC1)、变配电控制室(PLC2)、污泥脱水房控制室(PLC3)，中央控制室设在厂区综合办公楼内。自动控制系统由三层组成:现场控制层，过程监控层，管理层，遵循“集中管理，分散控制，数据共享”的原则。系统各部分相对独立性，并可利用网络技术完成系统的纵向与横向扩展，检修系统的任一部分，不会影响其它部分的正常运行。整体控制系统结构图如图2所示。

图2 控制系统网络结构

自控系统采用集散型控制系统，即由中央监控系统、通讯网络、现场控制站(PLC)以及就地控制盘组成。中央控制室操作员站和现场PLC控制站之间通过工业以太网联接，数据和参数可以在PLC与中央控制室管理站之间相互传送，PLC控制站和现场仪表之间通过现场总线Profibus和4～20mA进行数据传输，MCC控制站通过PLC控制站的输入输出模块和PLC进行数据传输。PLC1负责粗格栅、细格栅、污水提升泵房的设备控制及数据采集。PLC2主要针对鼓风机房、变配电室、沉沙池、CASS反应池、接触池、加氯间、滗水器、进厂水水质及出厂水水质的设备控制及数据采集。PLC3负责贮泥池、污泥脱水机房、冲洗水池的设备控制及数据采集。中央监控机用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。当监控工作站故障或不使用时，下位PLC控制站仍可继续工作而不影响整个工艺过程控制和检测。就地控制系统是可以独立运行的控制系统。在正常情况下，就地控制系统可以接受监控系统的指令运行;在事故情况下，就地控制系统与污水厂自控系统通讯发生故障，就地控制系统可以独立地控制本系统自动运行。

本监控系统的配置，不但能够实时采集和显示出各设备的运行工况及各项工艺运行参数，而且能够合理解决和协调运行中各工艺单元之间的优化配合，以提高整个污水处理系统的运行管理水平，使整个系统能够正常、稳定、安全、高效、低耗运行，并取得最佳效益。

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、灵活性和可维护性的要求，本系统硬件组成为

(1)PLC造型

格栅控制室采用的是瑞士ABB公司的AC500系列可编程序控制器，变配电室采用的是美国Allen－Bradley公司的Control-Logix系列PLC，脱水机控制室为德国Siemens公司的S7－300系列。ABB公司的AC500系列PLC系统是世界知名品牌之一，代表者世界PLC的发展方向，有较高的市场占有率。AC500系列PLC系统具有网络功能强、可靠性高、价格适中的特点。

(2)监控计算计造型

监控计算机为台湾研华4台，CPU:Core2 Duo E7400(2.8GHz，800MHz FSB，2MB L2 Cache，，EM64－T)，液晶显示器:22寸 1920×1080，内存:2048MB，硬盘:250GB，光驱:可读写 DVD，16倍速，集成一个千/百兆自适应以太网控制器。

(3)UPS电源选型

UPS电源(不间断电源)选用SANTAK公司的产品4台。

(4)打印设备选型

美国HP公司彩色喷墨打印机2台，激光打印机(黑白)1台。

3.2 上位监控软件设计

根据污水处理厂的自身工艺和控制系统对上位机软件的要求，上位监控系统采用了RSView32开发。由于Windows为RSView32和基于Windows的应用软件提供接口，RSView32利用DDE和OPC技术，与Windows应用程序间进行数据交换，从而实现本地控制单元与上位机之间数据和信息共享，为用户提供更为集中的数据操作环境，实现信息集中管理，并向上层系统提供开放式数据库接口ODBC。

数据采集系统可以实时显示液位、温度、PH值、COD值、BOD值，水的流量、变频器工作状态、手动自动遥控的状态等。它主要由登录管理模块、监控界面、报警、报表、数据库、预测模块、趋势、系统帮助等模块组成。

登录管理:根据建立权限制度，不同的用户设置不同的等级，防止不同用户越权使用，出现非法操作。监控界面:主要指系统的工艺流程，设备图，按系统的工艺流程编制的中文图形化人机界面，便于操作员监视整个污水处理厂的情况，并且可方便地根据系统运行情况正确操作。报警:如现场信号异常或自身控制系统出错，模拟量超限，系统在LCD上也能发出声光报警，根据组态可快速切换到当前发生故障的画面。报表:按照工艺要求对水厂的进出水水质和水量等参数进行报表统计，可根据需要形成特点参数组合的小时报表、天报表、月报表、年报表。数据库:系统所有设备的信息生成数据库，便于操作维护人员对系统设备的管理。水质预测:对污水处理厂进出水水质进行预测，为生产管理人员进行优化运行提供决策参考。趋势:监控系统对设备参数实时记录，通过趋势曲线显示在趋势画面上，并具有参数预测功能，操作员可通过该画面查询设备参数的变化情况，方便系统操作。系统帮助:系统提供在线帮助功能，包括操作手册和设备常见故障维护。

4 OPC通讯设置

RSView32具有强大的通信功能，其向上可通过 TCP/IP，Ethernet与高层管理网互联;向下可通过Wintelligent LINK，OPC，DDE等与数据采集硬件通信。对于大多数本机与远程设备之间的通信，RSView32采用OPC或DDE连接，本项目采用OPC作为与远程设备的通信方式，使RSView32可以作为一个客户端或服务器，允许在不同的RSView32以及其他OPC服务器之间进行点对点通信［5］，项目控制系统将RSLinx作为OPC服务器。

按以下方法将RSView32设置为OPC服务器:

(1)启动OPC或DDE服务器;

(2)启动RSView32，并创建或者打开一个项目;

(3)创建节点，将数据源选为OPC Server，之后发出RT Data-Server On命令(使用RT Data Server Off命令可以取消此功能)，这将允许其它应用程序读取数值但不能改变它;发出RT Data Write Enable命令(使用RTData Write Disable命令可以取消此项功能)，这允许从外部OPC应用程序写入，以改变RSView32的标记值。

客户端应用程序要从 RS View32取得数据，那么必须使用下列信息:OPC Server为RS.RSView320PCTag Server;RSLink安装在本台电脑上，服务器的类型就选择为本机;如果客户和服务器在同一计算机上，那么服务器计算机名或地址这项可以是空白;访问路径:项目名;更新速率指定OPC服务器发送数据到OPC客服机的最大速度，默认值为1s。OPC服务器实际使用的速率可能比用户指定的速度要慢;条目:标记名。可以通过查看RSView32的标签数据库获得。

5 OPC接口开发

监控软件只有通过OPC才能访问OPC Server，当监控软件采用VB6.0或者其他高级语言开发时，需要开发访问OPC Server的OPC接口。在此用VB6.0开发OPC的自动化接口。我们开发OPC客服端的目的就是为了通过OPC 服务器去访问现场设备，读取来自现场设备的实时数据，监控设备的工作状态，由于OPC客服端和服务器的接口标准都是符合OPC数据访问规范要求，所以开发的客服端如果能够实现与某一个设备厂商提供的OPC服务器的数据通信，那么其也能够与其他所有设备厂商提供的OPC服务器进行通信。

OPC客服端开发过程:

(1)安装由OPC基金会提供的动态链接库OPCDAAuto.dll文件;

(2)在 VB6.0 里引用 OPC Automation 2.0;

(3)创建一个OPC服务器对象，Set ObjServer=New OPC Server;

(4)连接一个OPC服务器，ObjServer.Connect strProgID，str-Node;

(5)添加一个OPC组集合，SetObjGroups=ObjServer.OPCGroups;

(6)添加一个 OPC组，Set ObjTestGrp=ObjGroups.Add(“TestGrp”);

(7)客服端有三种方式访问服务器的数据，分别是同步数据读写、异步数据读写、订阅方式的数据采集。这里我们采用同步数据读写，待OPC服务器对应的操作全部完成之后，OPC客服程序才能返回，在这期间OPC客服程序一直处于等待状态。

同步读:ObjItem.Read OPCDevice，myValue，myQuality，myTimeS-tamp

Edit_ReadVal=myValue

Edit_ReadQu=GetQualityText(myQuality)

Edit_ReadTs=myTimeStamp

同步写:On Error GoTo ErrorHandler

Serverhandles(1)=ObjItem.ServerHandle

MyValues(1)=Edit_WriteVal

ObjGroup.SyncWrite 1，Serverhandles，MyValue，MyErrors

Edit_WriteRes=ObjServer.GetErrorString(MyErrors(1))

(8)断开OPC服务器的连接，ObjServer.Disconnect Set ObjServer=Nothing

6 结束语

本文介绍了OPC技术开发的污水处理控制系统的结构和用VB6.0开发访问OPC服务器的自动化接口的通用过程。实现了RSView32和三种不同品牌PLC之间的通信以及污水处理参数的远程监控，及时掌握了污水水质变化趋势。如此保证了通讯网络良好的兼容性和稳定性，实现了通讯的高速，并为生产工艺的进一步改进提供方便，同时通过OPC接口的开发，使得监控软件可对OPC服务器的数据进行读写操作，提高了污水处理控制系统的开放性和管理水平，从而降低了控制系统的造价，减少了劳动强度，具有很好的经济效益和社会效益。

［1］ 日本 OPC协会，OPC(中国)促进委员会.OPC应用程序入门［M］.2005.

［2］ 王华强，王超，蒋浩然.OPC接口技术在汽车驱动桥装配系统中的应用［J］.世界仪表与自动化，2008(7).

［3］ 李金城.PLC 在城市污水处理中的应用［J］.PLC＆FA，2005.1.

［4］ 刘克天.城市生活污水处理电气自控系统的设计与实现［D］.成都:西南交通大学电力系统及其自动化，2006.

［5］ 王东云，牛正光.基于Compact Logix PLC控制的污水处理系统［J］.电气自动化，2008，30(1):43－45.

［6］ 吴姮.浅试软硬件中间件—OPC技术［J］.计算机工程应用技术，2009，4.

［7］ 邓李.Control Logix系统实用手册［M］.北京:机械工业出版社，2008.1.