基于OPC技术的城市污水处理集散控制系统

王树东，王红波，谭华，陈仕彬，孟静静

（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；3.河池学院 计算机与信息科学系，广西 宜州 546300）

1 引言

当今，污水处理控制系统越来越智能化、大型化。控制系统中的各种智能仪器、仪表、PLC等一般是不同的生产厂商提供，设备具有不同的通信机制，不同软件中的通讯模块访问接口也不尽相同，因而造成工控软件之间不能相互通信，资源不能共享，数据没有实现整体管理。本项目就是典型的这类控制系统，其下位机采用了瑞士ABB公司的AC500系列PM582－ETH PLC和美国Allen－Bradley公司的ControlLogix系列1756－L61PLC，上位组态软件为组态王Kingview6.5。为此，如何能使来自不同厂商的软硬件组成一个有机整体，使各PLC站正常运行并能够互操作，数据传输可靠，且速度快，成为解决问题的关键所在。OPC（用于过程控制的OLE）技术就是为了解决这些问题而产生的。

2 OPC 技术介绍［1］

OPC技术，由OPC基金会于1996年秋推出。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，具有语言无关性、代码重用性、易于集成性等优点。OPC服务器收集现场设备数据信息，OPC客户端通过OPC标准接口获取OPC服务器的各种信息。凡是符合OPC标准的客户端都可以访问来自任何生产厂商的OPC服务器。

OPC服务器支持两种类型的访问接口：自动化接口 （automation interface）；自 定义接口（custom interface）。自动化接口是为基于脚本编程语言而定义的标准接口，可以使用VisualBasic，Delphi，PowerBuilder等编程语言开发OPC服务器的客户应用。自定义接口是专门为C＋＋等高级编程语言而制定的标准接口。

OPC对象主要包括服务器（server）、组（group）和项（item）。Server对象包含了OPC Server相关信息，可以对Group对象进行添加和删除，是Group对象的容器。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（value）、品质（quality）、时间戳（time stamp）3个基本属性。

由于采用OPC后，现场设备与系统的连接更加简单、灵活、方便，针对硬件的驱动程序不再由软件厂家开发，而是由硬件厂家提供统一的OPC接口，从而避免了软件厂家的重复开发，大大降低了开发费用。这样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。因此OPC技术在国内工业控制领域得到了广泛的应用。

3 污水处理工艺流程及主要控制

根据某城区和其污水的具体特点，设计了一座日处理能力为1.7m3／d的污水处理厂。采用循环式活性污泥法CASS（cyclic activated 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。其污水处理工艺流程如图1所示。

图1 污水处理工艺流程Fig.1 Sewage treatment process

城市污水管网收集到的污水经过水厂的进水控制井后进入粗格栅，在此，比较大的悬浮物被拦截，以防止水流的阻塞和降低后续生物处理负荷。然后经提升泵提升，以提高水的重力势能，从而使水可以依靠重力的作用流过后续各个构筑物。接着污水进入细格栅，在细格栅较小的悬浮物进一步被拦截。之后流入回旋沉砂池，进行砂水分离。经过沉淀后的污水流入CASS生物反应池，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。而多余的污泥被排泥泵送到脱水机房，通过脱水处理，污泥被压干制成饼，用作肥料。以下就主要的过程控制加以说明。

3.1 鼓风机的控制

PLC根据反应池中测得的DO值调节曝气池进气阀的开度，鼓风机的频率则根据出风压力进行调节。PLC将实时采集的压力传感器信号与用户设定信号进行比较，通过PID调节控制变频器的输出频率，从而控制鼓风机转速和出气量。当压力低于预设定值，增大鼓风机频率，转速加快，气压上升。反之，则减少频率，转速下降，气压减少。从而降低鼓风机多余用电负荷消耗，也使压力保持稳定，同时也减少了管道压力过高时对阀门等设备的损害［2］。

3.2 加氯间控制

管道泵按设定的时间程序由PLC启动，亦可手动控制。在加氯间中设有一台漏氯检测仪，其有高低浓度开关输出。当检测到空气中氯气含量超标但仍为低浓度时开轴流风机，高浓度时启动氯气吸收装置并关闭轴流风机，同时发出报警信号，现场报警仪启动。

4 控制系统设计

本系统根据污水厂工艺要求和设计要求，考虑到系统的可靠性、开放性、易维护性和可扩展性，按“集中管理，分散控制”的原则，采用集散控制系统（distribute control system，DCS）。其综合了计算机技术、网络通信技术、软件技术、输入输出接口技术等前沿技术，在大型控制系统中得到广泛应用，并成为主流。以下给出应用OPC技术的集散控制系统软件结构图，如图2所示。

在污水处理集散控制系统中，由3个PLC现场控制站和一个中心控制室组成，3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。控制系统网络结构图如图3所示。

图2 集散控制系统结构Fig.2 The structure of distributed control system

图3 控制系统网络结构Fig.3 Control systems network architecture

由图3可见，系统由污水处理厂运营管理局域网和过程监控工业以太网二级网络构成，在两级网络构架下，实现控制系统的3个功能层：现场控制层、过程监控层和管理层。现场控制层由PLC、现场智能仪器仪表、控制设备等组成。该功能层主要是实现污水处理厂各部分设备控制、运行状态、仪器仪表参数的数据采集，并通过工业以太网向监控层传送数据和接受监控层控制指令。过程监控层是系统信息交换、信息显示及控制的中心，由接在工业以太网上的工程师站和操作员站的2台工业控制计算机构成。该层通过组态工具和监控应用软件实现整个污水处理全过程的测量数据的集中显示与管理，具有动态画面显示、报警、报表输出功能、趋势预测功能、实时历史数据存储功能。管理层是建立在由管理计算机和数据库服务器组成的局域网上。实现污水处理厂的生产过程，决策调度及各项生产运营管理等功能，并留有具有网络安全防护的远程数据库用户访问接口，实现授权的用户远程数据库访问［3］。全厂主要机械设备的控制采用就地手动控制、自动控制、中央控制站遥控的3层控制模式，控制级别由高到低为：现场手动控制、遥控控制、自动控制。

本监控系统的配置，不仅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，能够实时采集和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。

4.1 系统硬件选型

考虑到污水处理控制对系统安全性、可靠性和甲方要求提供不同品牌控制器以满足日后系统的兼容和扩展的要求，本系统硬件组成为：格栅控制室采用的是ABB公司的AC500系列PM582－ETH PLC，变配电室和脱水机控制室均是Allen－Bradley公司的 ControlLogix系列1756－L61 PLC。ABB公司的AC500系列PLC系统具有网络功能强、可靠性高、价格适中的特点。监控计算机为研华6台，CPU：Core2Duo E7400（2.8GHz，800 MHz FSB，2MB L2Cache，EM64－T），液晶显示器：22×2.54cm，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。UPS电源（不间断电源）选用S ANTAK公司的产品6台。HP公司彩色喷墨打印机2台，激光打印机（黑白）2台。

4.2 上位监控软件设计

污水处理控制系统是一个多参量、多设备、多任务且具有随机性、时变性和耦合性的复杂系统，其必须确保整个污水处理工艺和设备能够长期安全可靠的运行和科学的管理，因此，上位监控系统采用Kingview6.5进行开发。Kingview6.5为系统开发人员提供了集成、灵活、易用的开发环境和强大的功能，能够快速建立、测试和部署自动化应用、传递和记录实时信息，使用户能够实时查看和管理生产过程。中心控制室监控主画面如图4所示。

图4 中心控制室监控主画面Fig.4 The main monitor screen of central control

该上位监控系统实现了3大类的功能：显示功能，设备控制和管理功能，通讯功能。显示功能，监控系统以图形方式显示了整个污水处理工艺流程，动态地显示了当前所处的工作状况及各设备的运行情况，并将相应的参数如温度、pH值、DO值、COD值、BOD值等显示在对应的位置上，使管理人员能及时、准确地监测水质变化和了解各设备工况，实现了水质的实时连续监测和远程监控。设备控制和管理功能，管理人员可通过监控系统远程对污水处理系统中的各过程设备发出启动或停止命令，也可以对控制参数进行重新设定，此时需要有一定的授权。管理人员亦能够通过监控画面上显示的设备故障信息，可以调出设备所在位置，派人前去维修。如未能及时处理，也可根据已经建立的设备故障档案来查找信息，从而进行维护。这样很大程度上减轻了工作人员的工作量，也提高了工作效率，是监控软件优势的集中体现。数据库上根据现场获得的实时监测数据，可以进行统计、处理、打印输出日，周、月、季、年平均数据表和各种监测、统计报告，这些用于过程存档、历史数据查询、事故分析和经验学习等［4］。通讯功能：中心控制室监控系统实现与其它系统进行通讯，如与各现场PLC站之间的通讯，与公司调度系统间的通讯。

5 通讯设置

对于大多数本机与远程设备之间的通信，组态王采用OPC或DDE连接，本项目采用OPC作为与远程设备的通信方式，使组态王可以作为一个客户端或服务器，允许其他OPC服务器之间进行点对点通信。组态王把每一台与之通讯的设备看作是外部设备，为实现与外部设备的通讯，组态王内置了大量设备的驱动作为组态王与外部设备的通讯接口。

OPC服务器的设置：打开组态王，在组态王的工程器中选择“设备”，点击“OPC服务器”，在显示的窗口中双击“新建”，此时则会弹出一个对话窗口，在OPC服务器列表中选择“RSLinx OPC Server”，点击“确定”即可。同样的操作，再次点击“新建”，在OPC服务器列表中选择“CoDeSys.OPC.02”，点击“确认”。这样OPC服务器的设置就成功。

OPC客服端设置：在安装AB PLC、通讯卡和相关的软件，编写了程序，并作物理连接后，使用RSLinx连接AB PLC的通讯网络。首先点击“开始”→“所有程序”→“Rockwell Software”→“RSLink”→“RSLink Classic”，这时打开了一个窗口RSLink Classic Gateway。其次在弹出的窗口 中 点 击 “communications”，选 择 “Configure Drivers”，在弹出的窗口中，选择对应的通讯卡，并进行端口配置，配置成功后将显示所配置的设备的运行状态。完成此项操作后，接着使用“RSWho”命令查找连接的 PLC设备。待RSWho命令成功的执行后，将在设备列表中列出与本机连接的所有硬件设备。之后便是使用Topic Configoration来进行OPC服务的配置。其操作是点击“DDE／OPC”→“Topic Configoration”，弹出窗口，选择“Date Source”，在“Date Source”配置框中配置Topic，选择一个物理设备（PLC），按“New”按钮即建立了一个“Topic”，单击“Done”即可。如此有关AB PLC的OPC服务器设置就建立好了。再依照一定的操作在ABB PLC编程软件CoDeSys V2.3中进行设置，整个OPC的通信设置完成。

6 DO的模糊PID控制

由于污水处理中进水的流量和水质在时间上具有不固定性，整个系统也具有高度的非线性和大时滞，使其难以在短时间内达到平衡，而且输入量为随机变量，导致建立污水处理控制系统的精确数学模型是非常困难的。因此，污水处理系统要达到预期处理目标，保证出水水质，还应逐步引入模糊PID控制。模糊PID控制兼具模糊控制强鲁棒性和良好的动态性能与PID控制可靠性强、精度高、控制简单的两者优点，能避开繁琐的建模过程和解决系统滞后等麻烦问题，从而实现污水处理的实时优化控制。

本项目将模糊PID控制应用于溶解氧DO的控制中。溶解氧的浓度是污水处理进程的主要影响因素，是考核污水处理是否达标的关键指标。溶解氧的含量是由鼓风机曝气控制的，如果曝气时间过长，易发生污泥膨胀而且浪费能源；曝气时间过短，则出水难以达标。DO的模糊PID控制结构图如图5所示。

图5 模糊PID控制结构图Fig.5 The structure of fuzzy－PID control

设计了一个双输入单输出的模糊控制器而且引入了PID，输入变量分别为DO的偏差E和DO偏差变化EC，输出变量为鼓风机鼓风量。其控制原理是：控制系统的设定值与输出值之间存在误差e（t），e（t）是时间的系数。因此求得误差变化率de（t）／dt，把e（t）和de（t）／dt模糊化，按照由人的经验总结出来的语言控制规则进行模糊推理，给出模糊化，再将其转化为精确量，经过PID控制器，对被控对象实施控制，从而实现溶解氧的控制。

6.1 模糊化

在模糊控制器设计中，可以取7种模糊量，即“NB＝Negative Big（负大）”，“NM ＝Negative Medium （负 中）”，“NS＝Negative Small（负小）”，“ZO＝Zero（零）”，“PS＝Positive Small（正小）”，“PM＝Positive Medium （正中）”，“PB＝Positive Big（正大）”，可以得到偏差E、偏差变化EC、输出变量U的模糊子集：E和U的模糊集均为［NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB］，并且论域为［－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5］，EC＝［NB，NS，ZO，PS，PB］，其论域是［－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4］。

6.2 模糊推理规则

以DO为被控量的模糊控制系统是典型的双输入单输出系统，其模糊控制规则形式为：

IF E＝……AND EC＝……THENU：……，共35条模糊控制规则。控制规则表见表1。

表1 控制规则表Tab.1 Rule of control

选取上述控制量变化的原则是：当DO偏差及偏差变化量为大或较大时，选择曝气量以尽快消除误差为主；当DO偏差及偏差变化量较小，选择曝气量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出发点。例如如果“偏差”为“负大”，且“偏差变化”为“负大”，则当E＝NB时“曝气量U”为“正大”，意味着当DO的误差及误差变化均为负大时，反应器内的DO浓度很低，有进一步减低的趋势，要尽快提高DO浓度，必须增大曝气量，所以U取正大，IF E＝NB AND EC＝NBTHEN U＝PB。

6.3 模糊决策表

通过求解模糊关系矩阵来建立控制表是一个很复杂的过程，计算量庞大，在此利用Matlab中的模糊工具箱来完成这一过程，将所得结果四舍五入，就可以得到控制决策表，如表2所示。

表2 控制决策表Tab.2 Decision of control

考虑到给水系统的实时控制，模糊控制器就能很方便地从该控制表中查询所需要采取的控制策略，从而实现模糊控制；也可以根据实际情况对表中的单元数据进行适当的改动，从而提高控制性能。同时结合PID，这种模糊PID控制器不仅可消除极限环振荡，而且可完全消除系统余差，使系统成为无差模糊控制系统（e→0），从而提高系统的控制精度。

7 结论

本文介绍了OPC技术开发的城市污水处理集散控制系统和将模糊PID控制应用于溶解氧的控制中，实现了污水处理的实时优化，并降低能耗。实现了组态王和两种不同品牌PLC之间的通信以及污水处理设备和参数的远程监控，及时掌握了污水水质变化趋势。因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，模糊PID控制的引入改善了系统的动态性能和稳态性，提高了污水处理控制系统的开放性和运行速度，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［Z］.2005.

［2］胡志军，夏建华，严小毛.西门子工业自动化产品在污水处理厂中的应用［J］.The World of Inverters，2008（6）：9－10.

［3］黄健.基于DCS的污水处理厂自动监控系统研制［D］.合肥：合肥工业大学，2007.

［4］张玥.基于LONWORKS技术的污水处理控制系统的研究［D］.成都：西南交通大学，2007.

［5］邓李.ControlLogix系统实用手册［M］.北京：机械工业出版社，2008.