胡漢青 馬濤 譚應(yīng)征

（北京和利時自動化驅(qū)動技術(shù)有限公司，100176）

摘  要         通過VPN使已經(jīng)接入Internet的計算機獲得公司局域網(wǎng)的固定IP。使用OPC接口獲得咸寧永安污水處理廠的遠程監(jiān)控和運行數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊具有高效性、安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞       遠程監(jiān)控系統(tǒng)；OPC；VPN

1      項目背景

咸寧永安污水處理廠是咸寧市的重點工程，于2009年投入運行，由武漢市天創(chuàng)環(huán)保有限公司負責管理。現(xiàn)在要實現(xiàn)武漢天創(chuàng)環(huán)保對咸寧污水處理廠的實時監(jiān)控。咸寧市永安污水處理廠位于咸寧市，而武漢天創(chuàng)環(huán)保有限公司位于武漢市，這兩地之間如果鋪設(shè)光纜，不僅投資巨大，而且施工也不可能，如果采用電信的專線，費用巨大而且施工需要電信配合?？紤]到武漢天創(chuàng)環(huán)保有限公司已有VPN路由器，而咸寧污水處理廠已采用三維力控組態(tài)軟件獲取了和利時LK系列PLC的實時運行數(shù)據(jù)，并且該上位機已經(jīng)接入了Internet（曾用于監(jiān)控畫面WEB發(fā)布）。那么咸寧污水處理廠即可通過VPN撥號接入武漢天創(chuàng)環(huán)保有限公司的路由器，使咸寧上位機接入武漢天創(chuàng)環(huán)保公司的局域網(wǎng)。武漢天創(chuàng)環(huán)保公司的上位機則利用OPC接口，監(jiān)控咸寧污水處理廠的下位實時運行數(shù)據(jù)。

2      污水處理廠遠程監(jiān)控系統(tǒng)功能概述

2.1         污水處理廠遠程監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

咸寧永安污水處理廠自動化控制系統(tǒng)分為三級管理，包括生產(chǎn)管理級（中央控制室）、現(xiàn)場控制級（PLC控制站）和就地控制級?，F(xiàn)場各種數(shù)據(jù)通過PLC系統(tǒng)進行采集，并通過主干通訊網(wǎng)絡(luò)（工業(yè)光纖環(huán)網(wǎng)）傳送到中央控制室監(jiān)控計算機集中監(jiān)控和管理，傳輸介質(zhì)為光纖，通訊速率為1000Mbps。同樣，中央控制室監(jiān)控計算機的控制命令也通過上述通道傳送到PLC的測控終端，實施各單元的分散控制?，F(xiàn)場與中央控制室之間通過高速工業(yè)以太網(wǎng)連接，高速工業(yè)光纖環(huán)網(wǎng)采用開放式的總線結(jié)構(gòu)，以便于實現(xiàn)近遠期系統(tǒng)的無縫對接。

（1）生產(chǎn)管理級（中央控制室）

中央控制室配置一套工程師站、一臺操作員站、一臺圖表打印機、一套UPS電源、一臺網(wǎng)絡(luò)機柜。中央控制室主要完成對生產(chǎn)過程的管理、調(diào)度、集中操作、監(jiān)視、系統(tǒng)功能組態(tài)、控制參數(shù)在線修改和設(shè)置、記錄、報表生成及打印、故障報警及打印，對實時采集的數(shù)據(jù)進行處理，控制操作以及分析統(tǒng)計等功能。通過高分辨率液晶顯示器及投影儀可直觀地動態(tài)顯示全廠各工藝流程段的實時工況、各工藝參數(shù)的趨勢畫面，使操作人員及時掌握全廠運行情況。

（2）現(xiàn)場控制級（PLC控制站）

現(xiàn)場控制站配置有和利時控制柜三套，和利時機柜配置三套UPS電源。和利時柜內(nèi)包括和利時公司LK系列可編程序控制器、24VDC電源裝置、光纖以太網(wǎng)交換機、過電壓保護裝置、小型斷路器、接線端子、小型繼電器、安裝連接線纜及附件等。現(xiàn)場控制級接受生產(chǎn)管理級的調(diào)度，但并不依賴于生產(chǎn)管理級而運行：若監(jiān)控計算機出現(xiàn)故障或者并沒有投入使用或者通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，現(xiàn)場控制站仍繼續(xù)正常工作，對整個工藝過程沒有影響。

（3）就地手動控制

現(xiàn)場控制站還具有“就地手動控制”功能。將現(xiàn)場控制箱上的“就地/遠程”旋鈕切換至“就地”位置，通過箱上的“啟動/停止”按鈕實現(xiàn)就地手動控制。

2.2         污水處理廠遠程監(jiān)控系統(tǒng)的控制方式

咸寧污水廠自動化控制系統(tǒng)控制方式設(shè)計為現(xiàn)場設(shè)備就地手動控制、控制系統(tǒng)遠程手動控制、控制系統(tǒng)遠程自動控制三種控制方式。三種方式的級別由高到低依次為就地手動、遠程手動、遠程自動。

（1）就地手動模式

設(shè)備的現(xiàn)場控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠程”開關(guān)選擇“就地”方式時，通過現(xiàn)場控制箱或MCC控制柜上的按鈕實現(xiàn)對設(shè)備的啟/停、開/關(guān)操作。設(shè)備的急停按鈕或其他保護和安全連鎖裝置（例如過載保護、溫度及液位保護等）必須是硬線連接至電氣控制回路，不受方式選擇開關(guān)的限制?，F(xiàn)場控制箱（柜）在開關(guān)在“手動”位置時，設(shè)備為離線方式，PLC不能對設(shè)備進行任何控制。

（2）遠程手動模式

即遠程手動控制方式?，F(xiàn)場控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠程”開關(guān)選擇“遠程”方式時，操作人員通過操作終端（HMI）或中控系統(tǒng)操作站的監(jiān)控畫面用鼠標器或鍵盤選擇“手動”方式并對設(shè)備進行啟/停、開/關(guān)操作。

（3）遠程自動模式

現(xiàn)場控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠程”開關(guān)選擇“遠程”方式，且現(xiàn)場控制站的“自動/手動”設(shè)定為“自動”方式時，設(shè)備的運行完全由各PLC根據(jù)現(xiàn)場的工況及控制要求來完成對設(shè)備的運行或開/關(guān)控制，而不需要人工干預(yù)。

3      污水處理廠遠程監(jiān)控系統(tǒng)VPN的實現(xiàn)

VPN（Virtual Private Network）是利用IP網(wǎng)絡(luò)來傳輸私有信息而形成的邏輯網(wǎng)絡(luò)，從而為用戶提供高安全性，且比專線價格低廉的資源共享和互連服務(wù)。它具有同客戶原有的私有網(wǎng)絡(luò)相同的安全性、優(yōu)先級特性、易管理性和穩(wěn)定性。它可以滿足客戶對原企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)與遠程辦公室、移動用戶間無縫連接的要求，將網(wǎng)絡(luò)連接擴展到客戶、供貨商、合作者和關(guān)鍵用戶以形成外部網(wǎng)（Extranet），來降低商業(yè)運作開支和提升服務(wù)質(zhì)量（包括速度、簡便性和保密性上的提升）。實施VPN時，較多使用的隧道協(xié)議包括二層隧道協(xié)議MPLS、L2TP和三層隧道協(xié)議IPsec等，常見VPN有：MPLS VPN、VPDN、IPsecVPN等。由于VPN是在Internet上臨時建立的安全專用虛擬網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省了租用專線的費用，在運行的資金支出上，除了購買VPN設(shè)備，所付出的僅僅是向當?shù)氐?/span>ISP支付一定的上網(wǎng)費用，這就是VPN價格低廉的原因。本系統(tǒng)的VPN結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，咸寧通過VPN撥號接入武漢局域網(wǎng)。

圖1  VPN結(jié)構(gòu)示意圖

4      污水處理廠遠程監(jiān)控系統(tǒng)OPC的配置

OPC（OLE for Process Control）的出現(xiàn)為基于Windows的應(yīng)用程序和現(xiàn)場過程控制應(yīng)用建立了橋梁。在過去，為了存取現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，每一個應(yīng)用軟件開發(fā)商都需要編寫專用的接口函數(shù)。由于現(xiàn)場設(shè)備的種類繁多，且產(chǎn)品的不斷升級，往往給用戶和軟件開發(fā)商帶來了巨大的工作負擔。通常這樣也不能滿足工作的實際需要，系統(tǒng)集成商和開發(fā)商急切需要一種具有高效性、可靠性、開放性、可互操作性的即插即用的設(shè)備驅(qū)動程序。在這種情況下，OPC標準應(yīng)運而生。OPC標準以微軟公司的OLE技術(shù)為基礎(chǔ)，它的制定是通過提供一套標準的OLE/COM接口完成的，總而言之，OPC是作為工業(yè)標準定義的特殊的COM接口。COM是Component Object Model的縮寫，是所有OLE機制的基礎(chǔ)。COM是一種為了實現(xiàn)與編程語言無關(guān)的對象而制定的標準，這種標準可以使兩個應(yīng)用程序通過對象化接口通訊，而不需要知道對方是如何創(chuàng)建的。在Windows NT4.0操作系統(tǒng)下，COM規(guī)范擴展到可訪問本機以外的其它對象，一個應(yīng)用程序所使用的對象可分布在網(wǎng)絡(luò)上，COM的這個擴展被稱為DCOM（Distributed COM）。通過DCOM技術(shù)和OPC標準，完全可以創(chuàng)建一個開放的、可互操作的控制系統(tǒng)軟件。OPC規(guī)范了接口函數(shù)，不管現(xiàn)場設(shè)備以何種形式存在，客戶都以統(tǒng)一的方式去訪問，從而保證軟件對客戶的透明性，使得用戶完全從低層的開發(fā)中脫離出來，提高了系統(tǒng)的開放性和可互操作性，通常在系統(tǒng)設(shè)計中采用OLE自動化標準接口。

咸寧污水處理廠中控室上位機使用的組態(tài)軟件是力控Forcecontrol 6.1，自帶OPC服務(wù)，但是需要在Forcecontrol 6.1系統(tǒng)配置里設(shè)置初始啟動程序，配置如圖2所示。武漢天創(chuàng)環(huán)保監(jiān)控中心使用的是和利時公司Hollyview6.53上位組態(tài)，在開發(fā)好所有監(jiān)控畫面以后，在工程瀏覽器里面雙擊打開OPC服務(wù)器，配置如圖3所示。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點名處輸入咸寧VPN撥號連接獲取的武漢局域網(wǎng)的IP地址，即可連接到咸寧的OPC，之后在各個實時數(shù)據(jù)畫面上添加咸寧OPC的IO點。咸寧污水處理廠遠程監(jiān)控系統(tǒng)主畫面如圖4所示。

圖2  咸寧污水處理廠中控室OPC服務(wù)器的配置

圖3  武漢天創(chuàng)環(huán)保監(jiān)控中心OPC客戶端的配置

圖4  咸寧污水處理廠遠程監(jiān)控系統(tǒng)主畫面

5      總結(jié)

隨著工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，遠程監(jiān)控的需求越來越多，而選擇最優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸方式，可以提高數(shù)據(jù)傳輸安全性和穩(wěn)定性，并最大化的節(jié)省費用。一般遠程監(jiān)控通常采用無線方式。而無線通訊比較容易受到干擾，數(shù)據(jù)的安全也不能保障。GPRS等方式不能提供大數(shù)據(jù)量的穩(wěn)定傳輸，并且無法突破城市之間的超遠距離遠程監(jiān)控。在這種情況下，采用VPN和OPC的方式是一個較為理想的選擇。VPN具有價格低廉、安全、穩(wěn)定且容易管理等優(yōu)點。OPC則可以提供高速的數(shù)據(jù)傳輸性能，具有分布式COM的安全管理機制，并且開發(fā)簡單。結(jié)合VPN和OPC開發(fā)的應(yīng)用程序，不僅代碼數(shù)量少，而且可以遠程維護，非常適合類似本系統(tǒng)情況的用戶使用。