分布式大型污水處理上位監控系統設計

張晉瑜 ，鄭 萍 ，文 俊 ，劉會勇

（1.西華大學 電氣信息學院，成都 610039；2.四川致源控制設備有限公司，成都 610041）

水是社會發展的不可或缺的因素。隨著城市規模的不斷擴大和人口的增加，城市污水的處理成為制約許多城市可持續發展的主要原因之一。這也使得污水處理廠不斷地進行改建與擴建，使其污水處理能力能與城市的發展相匹配[1]。大型的污水處理廠（日處理量要求達到10×105m3）控制系統規模大，其下行數據達6000多個點、上行數據達10000個點以上。針對這樣大型的控制系統，要求上位監控具備更完整的開發模式，更全面的構架，更強大的數據處理功能，更精準的報警方式，更可靠的安全機制。

本文就上述大型污水處理系統討論了如何采用FactoryTalk View SE（以下簡稱FTSE）集成軟件包進行上位監控系統的開發，完成基于多用戶運行、分布式服務器人機界面應用程序設計，實現多層監控界面的科學展現、大量數據存儲等相關功能。

1 監控系統集成設計

1.1 系統總結構概述

污水處理系統采用Rockwell公司的PLC控制系統，總共由4層網絡構成，分別為設備層、控制層、監控層和管理層，整體結構如圖1所示[1]。

圖1 整體網絡結構圖Fig.1 Structure of the systematic network

設備層是整個系統的信息源頭，同時也是命令的最終作用對象。其中氨氮檢測儀、液位計、流量計和壓力變送器等儀器儀表將現場的各種信息采集并上傳到控制層，同時諸如泵、風機、閥門等執行機構接收控制命令，完成相應的動作。

控制層接收設備層上傳的數字模擬數據信息并進行相應分析、對比、計算等一系列的處理后發出相應的控制命令，作用于設備層中相應各個設備。本系統控制層設置了16個PLC控制主站、57個PLC子站及第三方設備，分別采用ControlLogix和CompactLogix的處理器控制提升泵站、進水儀表間，細格柵，初沉池、生化池、二沉池、纖維濾池等。

監控層通過以太網讀取控制層中各個控制器采集的現場信息，通過畫面實時反映現場設備的運行狀態及相關信息，實現數據的存儲、處理、查詢等功能。監控層可對設備進行啟動、停止和報警復位等操作以及相關的參數設置，進行歷史數據查詢，并統計整個系統的數據，生成日報表、月報表和年報表等傳送至管理層，實現管控一體化[2]。

1.2 基于分布式的監控層集成設計

針對大型控制系統對監控層的需求，本項目采用新型的分布式結構，將程序開發、運行監控客戶端、數據存儲等各個功能環節分布在基于以太網的多臺計算機上，采用多服務器構架，每個特定的服務器完成特定的任務，其中各個服務器通過網絡進行信息交互。如圖1所示，監控層由中央服務器、工程師站、Web發布服務器、數據庫服務器以及各個客戶端組成。為了進一步保證系統的可靠性，對于監控系統中用于數據處理的最重要的中央服務器采用了雙機熱備冗余技術，還對數據儲存服務器采用了容錯技術。

監控層軟件主要由開發軟件FTSE，客戶機軟件FTSE Client，Web 發布工具 FactoryTalk ViewPoint，曲線記錄數據庫FactoryTalk Historian SE以及第三方數據庫SQL Server 2008組成。

（1）中央服務器承擔著獲取PLC中的數據信息，并將數據進行處理、顯示、存儲以及將畫面發布到各個客戶端等核心任務，一旦中央服務器出現故障，整個污水處理廠的上位監控系統將處于癱瘓狀態。因此，本系統設置了2臺工業計算機作為中央服務器，采用熱備冗余的方式。開發軟件FTSE集成了冗余管理機制以及故障仲裁機制，當主服務器出現故障時，冗余服務器會取代主中央服務器，執行動態畫片、歷史數據記錄，并執行其它后臺的監視和控制功能[3]。

（2）數據庫服務器承擔歷史數據記錄保存功能。本系統中儀表每天記錄的儀表數據量就達到了40多萬條，一個月可達1000多萬條，是監控系統的日報表、月報表和年報表的數據來源。同時，該數據服務器還作為系統的目錄服務器，其他所有服務器必須通過該目錄服務器才能訪問中央服務器，因此數據服務器選用容錯型服務器，以確保數據存儲、查詢和訪問的可靠性。中央服務器亦通過目錄服務器將眾多的監控畫面發布到各個客戶終端，方便實現畫面的監視、操作、遠程控制、趨勢分析、報表打印等功能。

（3）總工程師站被授予了程序開發的權限，通過網絡直接訪問中央服務器中的FTSE應用程序，對上位進行組態編輯。同時，工程師站安裝有控制器編程軟件，可通過網絡直接在線對現場控制器進行程序修改等操作。

（4）Web服務器實現整個系統上百個畫面的發布，確保發布工作的穩定性。

（5）為了使監控更人性化，以免在一臺客戶端上切換幾十張畫面，設置了多臺操作站以便分別實時監控各部分畫面。

1.3 系統的數據流分析

監控系統中的各個服務器通過網絡進行信息交互，各個協同工作的服務器和工作站猶如一臺超大型的計算機，其系統數據流如圖2所示。

圖2 系統數據流圖Fig.2 Data flow diagram of the system

首先底層控制系統將采集的數據信息上傳至中央服務器中的實時數據庫中，中央服務器負責實時數據處理并以多種顯示方式將數據發送至各個操作站，操作站根據需要發出諸如閥門開關等控制命令，該控制命令再通過中央服務器傳送至PLC控制系統，最后作用于設備，實現信息采集和控制命令的上下行過程。同時中央服務器將處理后的數據存儲在專門的數據庫服務器中，通過歷史查詢界面查詢歷史數據信息。

2 通信系統設計

2.1 監控層與PLC控制層間的通信設計

PLC控制系統由Rockwell公司的ControlLogix、CompactLogix處理器和第三方的控制設備組成。Rockwell公司處理器占系統的絕大部分，它通過Allen-Bradley公司專門為其處理器所設計的RSlinx Enterprise數據服務器制定上位機與下位機的驅動程序，完成應用程序與驅動程序的接口，最終實現上位機與下位機之間的可靠數據通信[3]。第三方控制器采用 OPC（OLE for process control）服務器讀取控制器中的數據信息。該系統通訊示意圖如圖3所示。

2.1.1 RSlinx Enterprise數據服務器與控制器通信實現

圖3 系統通信框圖Fig.3 Diagram of system communication

FTSE通過RSLinx Enterprise提供了內置的程序以支持ControlLogix和CompactLogix處理器與監控層的通訊。首先在FTSE中創建RSlinx Enterprise數據服務器，在其屬性窗口分別設置服務器名稱、指定運行該數據服務器的計算機名稱以及設置冗余屬性。在其目錄下雙擊Communication Setup編輯器來添加驅動程序和添加設備，再設置驅動程序和設備的屬性，最后建立設備快捷方式。通過快捷方式建立上位監控程序與控制層中的各個PLC控制站的對應關系，實現PLC和上位監控數據點的連接。

2.1.2 OPC數據服務器與控制器通信實現

FactoryTalk View 遵循 OPC Data Access（DA）2.0信息交換的規范[3]。FTSE充當第三方設備OPC服務器的客戶端，第三方設備使用KEPServer Enterprise作為OPC服務器，實現上位監控與第三方控制設備的通訊。

建立第三方設備OPC服務器的步驟如下：首先在KEPServer Enterprise中新建一個通道，命名為DLXT，在其目錄下新建設備，選擇設備模型為Modbus，設置設備 ID（比如 128.128.3.236），設備的驅動程序選擇Modbus TCP/IP Ethernet。然后在設備中建立標簽，將每個標簽映射到第三方設備中的物理地址[3]。最后在FTSE中新建OPC數據服務器作為客戶端，指向運行著KEPServer的計算機。上位組態通過tagbrowse（標簽瀏覽器）查詢KEPServer中的設備。

2.2 監控層間的通訊實現

監控層軟件采用FactoryTalk產品，FactoryTalk Directory是一種公用地址簿，實現網絡中的計算機相互訪問的功能。在網絡中的某一臺計算機中安裝FactoryTalk Directory目錄軟件，并在網絡中的各個計算機中運行FactoryTalk Directory Server Location Utility（FactoryTalk目錄服務器位置指定工具），并指向運行著FactoryTalk Directory軟件的計算機名稱，這樣網絡中的FactoryTalk產品就能相互訪問對方[3]。即通過 FactoryTalk Directory實現開發軟件FTSE、客戶機軟件FTSE Client、Web發布工具FactoryTalk ViewPoint、曲線記錄數據庫FactoryTalk Historian SE互相訪問。對于第三方數據庫，FTSE支持通用ODBC標準，直接將數據記錄到第三方數據庫中。

3 上位監控系統畫面設計及功能實現

上位監控系統最終需實現對現場設備的實時監測與控制，對重要的儀表設備進行報警提示以便操作人員及時處理。同時能記錄查詢報警數據和儀表的數據，并將儀表數據以曲線方式顯示。最后將各個工藝畫面發布到局域網中，通過網頁方式訪問控制界面。

（1）畫面結構設計

系統畫面主要包括登陸畫面、總效果畫面、功能畫面、工藝區段畫面、輔助子畫面等幾部分。其中功能畫面包括在線水質、趨勢曲線、報警信息、網絡拓撲、參數設置和用戶管理[4]。該項目由3個污水處理系統構成，每條處理線路包含進水配水間、細格柵、初沉池、生化池、二沉池、纖維濾池、反沖洗泵房、紫外線消毒渠、污泥濃縮脫水間、鼓風機房，除臭系統等工藝區段。整個監控系統的工藝區段畫面24個，功能畫面15個，其他輔助子畫面70多個，總效果畫面如圖4所示。

圖4 總體效果圖Fig.4 Overview of the whole system

從登陸窗口進入總效果圖，再通過菜單的方式直接進入工藝區段中的各個工藝流程圖和各個功能窗口。工藝區段窗口也可通過點擊總效果圖中的圖形直接進入特定的畫面窗口，而工藝區段窗口之間的切換既可在菜單欄中切換也可在當前窗口中直接切換。對于每一個工藝區段畫面中的設備，通過彈出框的方式顯示各個設備的操作面板。特定用戶可通過操作面板查看設備的具體信息，也可對設備進行啟動、停止、報警復位和參數設置等操作。

（2）報警功能及趨勢圖的實現

本監控系統主要采用報警條、實時報警匯總信息以及歷史報警信息3種方式進行報警。報警條顯示在窗口的右下角，顯示當前最新的報警信息；實時報警匯總信息則單獨用一個畫面記錄近段時間內所有的報警信息，以顏色區分報警信息處于進入、確認、退出等狀態，以便操作員隨時查看報警狀態并做出相應處理[5]。歷史報警信息通過對歷史數據庫查詢查看歷史報警信息并顯示到歷史畫面中。

通過FTSE中的報警和事件服務器編輯報警標簽，一旦報警標簽達到報警條件，則觸發報警，操作站端畫面以聲音和顏色的變化提示操作人員做出相應操作[4]，操作指令通過FactoryTalk報警事件服務，再到設備服務器，最后通過控制器作用到正在報警的對象上。同時將報警數據通過網絡記錄至數據庫中。報警數據流如圖5所示。

圖5 報警信息流Fig.5 Alarm information flow

FTSE軟件集成實時曲線顯示和歷史曲線查詢等功能，在曲線畫面中以添加筆的方式添加曲線，并設置每只筆的顏色和坐標等屬性，然后選擇筆的數據源為實時數據或歷史數據，最后將每一只筆通過標簽瀏覽器與指定的儀表相關聯，通過曲線畫面查看相應儀表的曲線趨勢圖。

（3）數據管理功能實現

數據管理主要是對數據的處理、顯示、記錄和報表的生成進行管理。中央服務器中FTSE將采集的實時數據存放在FTSE自帶的SE實時數據庫中，并將數據同時存儲在數據庫服務器中。數據庫服務器中的PI數據庫專門用來存儲所有儀表的歷史數據，而SQL數據庫則記錄報警信息和設備的啟動操作記錄。其中設備的啟動操作信息利用FTSE內嵌VBA（visual basic for application）二次開發實現[6]。它們之間的關系如圖6所示。

圖6 數據庫結構框圖Fig.6 Block diagram of database

（4）Web 發布實現

使用FactoryTalk ViewPoint網絡發布工具將所有的監控界面、設備儀表等數據的實時信息和歷史信息上傳到網絡中，網絡中與之相關者可以在任何地方直接通過Web瀏覽器輕松訪問和監視工業現場情況，對現場做出及時的管理操作，當然，必須要通過特定端口以及獲得相應的權限方可實施。

（5）用戶管理

根據操作需要，系統設置多個級別的登陸名和登陸密碼，每個登錄名對應相應的操作權限。在FTSE中為各個用戶名設置登陸權限，并為每個畫面添加不同的安全等級，參觀者只能進行畫面的切換；操作員能對設備進行操作；而管理員還能對設備和儀表參數進行設定。這種資源的合理分配能最大限度的保證整個污水處理廠的正常運行和安全操作[4]。

4 結語

針對大型污水處理系統，通過采用分布式上位監控模式，解決了系統畫面多、設備多、數據信息多的監控難題，實現了一種運行可靠、操作方便、監控功能齊全的上位模式。實際運行證明，上位監控系統工作良好，數據記錄可靠，操作方便，界面人性化，對大型控制系統的上位監控進行了有益的探索。

[1] 穆春梅.散糧輸送上位監控系統的設計與實現[J].糧油食品科技，2011，19（5）：62-65.

[2] 王歡，嚴良文，徐鳳平，等.基于組態王的中央空調監控系統設計[J].機械設計與制造，2010（12）：35-37.

[3] Rockwell Automation Technologies Inc.FactoryTalk View Site Edition User’s Guide[M].2011.

[4] 楊書儀，文澤軍，姜升.基于力控軟件的供水水壓流量遠程監控系統[J].自動化儀表，2007，28（6）：38-41.

[5] 潘志友，周穎，王雪.Wincc在連續退火線監控系統中的設計與應用[J].自動化與儀表，2014，29（3）：39-42.

[6] 孫云輝，謝輝輝，王挺.FactoryTalk View SE組態環境下報表系統開發[J].制造業自動化，2011，33（4）：33-45.

[7] 楊柳春.汽車尾氣余熱發電臺架上位監控系統設計[D].湖北：武漢理工大學，2012：1-43.

[8] 王明武，陳曼龍，楊明亮.MCGS在柴油機涂裝監控系統中的應用[J].自動化儀表，2011，32（7）：28-33. ■