基于PLC和VB的三段式排泥監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

王志榮

(上海市自來水市北有限公司，上海 200086)

1 概述

由可編程序控制器(PLC)和計算機組成的自控系統(tǒng)在自來水生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，不但能提高水廠水處理的自動化程度，還能通過優(yōu)化控制模式來大大降低生產(chǎn)成本［1-2］。

上海閘北水廠擁有兩條獨立的水處理生產(chǎn)線，總共28萬t/d供水能力。B線沉淀池行車式虹吸排泥機在2011年的平流式沉淀池更新改造項目中進(jìn)行了安裝。因為與被替換的排泥機系統(tǒng)不同，其沒有自動化控制系統(tǒng)。完全由工人在現(xiàn)場進(jìn)行手動操作和控制。在長達(dá)兩個多小時的運行周期中需要工人經(jīng)常巡視，根據(jù)不同情況進(jìn)行調(diào)整。這樣不但操作監(jiān)控不便，而且精密性很差。完全靠工人的經(jīng)驗操作，造成不必要的浪費，生產(chǎn)自用水率相比其他沉淀池要高出很多。

本設(shè)計采用Allen-Bradley公司的PLC產(chǎn)品作為軟硬件基礎(chǔ)，設(shè)計建立一套功能完善的自動化控制系統(tǒng)，從而提高自動化生產(chǎn)程度，減少對人為操作的依賴，使排泥機運行更精密更合理，減少人力和物力，最終達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目標(biāo)。

2 工藝流程的介紹和分析

2．1 工藝流程介紹

2．1．1 平流式沉淀池的工藝和特點

平流式沉淀池由進(jìn)、出水口，水流部分和污泥斗三個部分組成。池體平面為矩形，進(jìn)出口分別設(shè)在池子的兩端，進(jìn)口一般采用淹沒進(jìn)水孔，水由進(jìn)水渠通過均勻分布的進(jìn)水孔流入池體，進(jìn)水孔后設(shè)有擋板，使水流均勻地分布在整個池寬的橫斷面;出口多采用溢流堰，以保證沉淀后的澄清水可沿池寬均勻地流入出水渠。水流部分是池的主體，池寬和池深要保證水流沿池的過水?dāng)嗝娌妓鶆?，依設(shè)計流速緩慢而穩(wěn)定地流過。污泥斗用來積聚沉淀下來的污泥，多設(shè)在池前部的池底以下，斗底有排泥管，定期排泥。

目前平流式沉淀池基本上均采用機械排泥裝置，所以在設(shè)計中一般不考慮泥區(qū)，池底基本水平，略有坡度以便放空。

2．1．2 行車式虹吸排泥機的結(jié)構(gòu)特點和原理

原水中的大部分雜質(zhì)與凈水藥劑結(jié)合形成的截留在沉淀池底部的污泥需及時排出，否則如積泥過多將影響出水水質(zhì)，而虹吸排泥機正是這樣的設(shè)備。虹吸排泥行車是由吸泥部件、驅(qū)動橋、主梁、虹吸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成(圖1)，運行平穩(wěn)可靠，排泥效率高，吸泥不擾動沉泥層。

排泥過程為:運行潛水泵，將破真空電動閥關(guān)閉、真空形成電動閥打開，此時開始抽真空，當(dāng)真空檢測器檢測到真空形成后，將真空形成電動閥關(guān)閉，停止?jié)撍玫倪\行。此時行車開始運行，通過接近開關(guān)和限位設(shè)置自動連續(xù)在沉淀池兩頭勻速往返行走，并自動排泥。當(dāng)行車停止運行后打開破真空電動閥，則排泥結(jié)束。

圖1 虹吸排泥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Struction Diagiam of Siphon Sludge Discharge System

2．2 設(shè)備的參數(shù)和規(guī)格介紹

2．2．1 B線平流沉淀池的規(guī)格和參數(shù)

水廠8萬t/d的水處理系統(tǒng)，配套1個平流式沉淀池，沉淀池設(shè)計參數(shù)如下:

尺寸:長(包含反應(yīng)區(qū))×寬×高=114×19×3．5 m

反應(yīng)時間:T=15 min;反應(yīng)速度:v=0．1～0．3 m/s

沉淀時間:T=90 min;沉淀水平流速:v=16 mm/s

行車軌距:b=19．6 m

有效水深:1．7 m 正常流速:0．4 m/s

停留時間:30 s 最小流速0．17 m/s

2．2．2 行車式虹吸排泥機規(guī)格和參數(shù)

排泥機采用雙驅(qū)動方式，連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)梁，虹吸排泥方式。抽吸真空方式為潛水電泵與水射器組合，破壞虹吸方式為電磁閥與手動閥并用。吸泥機傳遞給的信號及接受控制室的運行信號均要求為無源觸點(開關(guān)量)，接點容量為AC250V，2A。

排泥機的排泥管為DN40、DN50各6根。

DN40流量為0．003 14 m3/s;

DN50 流量為0．003 38 m3/s。

總流量為(0．00314+0．00338)×6=0．03912 m3/s。

運行長度:89 m

運行速度:v=1．005 m/min

驅(qū)動電動機功率:N=2×0．75 kW

2．3 特性分析

2．3．1 平流式沉淀池積泥區(qū)的分析

根據(jù)長時間的運行實踐，沉淀池底部的積泥量呈現(xiàn)從始端到末端明顯減少的特點。所以一般把平流式沉淀池底部的泥沙沉淀區(qū)劃分成三個區(qū)域。即高度積泥區(qū)(加藥反應(yīng)端)、中度積泥區(qū)(中部區(qū))、低度積泥區(qū)(出水端)。拿一個100 m長的平流式沉淀池來說，積泥大多集中在前60 m，甚至可以說主要是在前30 m的區(qū)域，如圖2所示。

圖2 平流式沉淀池積泥區(qū)分布圖Fig．2 Distribution Diagram of Sludge Area in Rectangular Sedimentation Tank

2．3．2 排泥機傳統(tǒng)運行方式所遇見的問題分析

排泥機的傳統(tǒng)運行方式是以手動控制，這會造成一些弊端:

(1)自動化程度低，完成一個排泥行程需要兩個多小時。運行期間需要工人現(xiàn)場監(jiān)控。從而占用大量人力成本。

(2)上一動作到位后，經(jīng)常無法及時完成下一動作，造成大量的沉淀水浪費，從而造成生產(chǎn)成本的提高。

(3)起始位置在靠近反應(yīng)池端，含泥量較高，排泥時間不夠，則可能導(dǎo)致始端積泥不能及時排除，逐步堆積影響水質(zhì)。

(4)靠近出水端的低度積泥區(qū)內(nèi)運行時間反而過長，過多地排出沉淀水，造成巨大浪費，提高生產(chǎn)成本。

綜上所述，在實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的基礎(chǔ)上，以“對高度積泥區(qū)多排泥，對低度積泥區(qū)少排泥”為原則，讓排泥機自動運行。通過自動化改建，大大提高自動化程度。不僅能降低人力成本，而且使得排泥機運行得更合理、更符合實際情況，從而大幅降低生產(chǎn)成本。

3 自動化信息監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計

3．1 自動化控制方式的設(shè)計思想

3．1．1 “大腦”與“小腦”協(xié)作控制的設(shè)計模型

傳統(tǒng)自動化控制系統(tǒng)，主要依靠本地PLC程序負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的運行。而遠(yuǎn)端上位機程序(本設(shè)計的上位機程序主要指VB程序和SQL數(shù)據(jù)庫)主要負(fù)責(zé)接收處理數(shù)據(jù)，做簡單的遠(yuǎn)程人為監(jiān)控和調(diào)節(jié)。

本設(shè)計提出，在本地PLC程序做“低級”自動化控制時，上位機程序也參與進(jìn)自動化運行的控制。能根據(jù)各種參數(shù)的變化做更“高級”的智能決策。

就如同人的大腦和小腦。小腦負(fù)責(zé)身體的運動和協(xié)調(diào)，控制人的基本動作的運行和協(xié)調(diào)。比如奔跑、站立、蹲下、起跳和身體的平衡協(xié)調(diào)。而大腦則做更復(fù)雜的決策，根據(jù)各種輸入的信息(視覺、聽覺、觸覺)，經(jīng)思考后作出復(fù)雜的決策，再通過小腦控制身體的動作。

PLC程序和上位機程序在本設(shè)計的系統(tǒng)中各自扮演者“小腦”和“大腦”的角色。通過上下協(xié)作來實現(xiàn)自動化的控制，如圖3所示。

3．1．2 PLC程序和VB程序各自的主要控制任務(wù)

本地PLC程序主要任務(wù)是能直接控制排泥系統(tǒng)的運行。即使在沒有上位機程序參與的情況下，也能獨立完成簡單基本周期性的運行。確保排泥系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，能按順序或單個完成“運行潛水泵，破真空，打開電動閥，抽真空，關(guān)閉電動閥，停止?jié)撍?，行車前行和返回”等操作動作?/p>

圖3 PLC程序與上位機程序協(xié)作控制Fig．3 Collaborative Control between PLC and Upper Computer Program

遠(yuǎn)端上位機程序(VB)主要負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作。并對PLC傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過數(shù)據(jù)庫與其他自動化系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)。并通過對各種數(shù)據(jù)和參數(shù)的計算，實現(xiàn)自主地智能地對排泥機系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)調(diào)控。

3．1．3 系統(tǒng)總體構(gòu)架的設(shè)計

排泥機自控系統(tǒng)的整體框架由“網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)”，現(xiàn)場“PLC控制系統(tǒng)”，遠(yuǎn)端“計算機監(jiān)控系統(tǒng)”，“實時信息管理系統(tǒng)”四個部分組成，如圖4所示。其中網(wǎng)絡(luò)通信覆蓋整個自動化系統(tǒng)，保證其他三個系統(tǒng)之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸。其中排泥機本地PLC和遠(yuǎn)端監(jiān)控計算機之間通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。

圖4 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)Fig．4 Structure of System

現(xiàn)場PLC部分用于對排泥工藝流程部分，作各運行數(shù)據(jù)的監(jiān)測，并對生產(chǎn)的狀況進(jìn)行控制。遠(yuǎn)端計算機監(jiān)控系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接現(xiàn)場PLC，接受實時數(shù)據(jù)和發(fā)送控制信號，達(dá)到自動控制的目的。生產(chǎn)實時信息管理系統(tǒng)，主要由生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)庫和報表組成。用于長時間地保存各類生產(chǎn)運行的實時數(shù)據(jù)，并以報表的形式展現(xiàn)。

4 PLC控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

4．1 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

4．1．1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。整個系統(tǒng)由上位機、可編程控制器及控制對象組成。上位機通過RS-232接口與可編程控制器連接，控制對象與可編程控制器的連接則通過I/O端子來實現(xiàn)。上位機在系統(tǒng)開發(fā)階段和運行階段分別承擔(dān)不同的角色。

圖5 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和相關(guān)技術(shù)Fig．5 Structure and Technique of System

在開發(fā)系統(tǒng)時，上位機通過RSLogix500對可編程控制器(PLC)進(jìn)行編程。PLC程序開發(fā)完成后，則獨立運行在可編程控制器上?；赩isual Basic軟件開發(fā)的人機交互界面最終在上位機運行。

4．1．2 控制器及I/O模塊的選型

控制器的選型對一個項目的重要性不言而喻。一般控制器的選型主要考慮因素是:系統(tǒng)I/O點的數(shù)量、編程工具、擴展性等。

羅克韋爾自動化公司是世界一流的自動化控制產(chǎn)品的供應(yīng)商。其中MicroLogix 1500型可編程控制器擁有12點24V dc輸入，12點繼電器輸出。并且最多能連接8個功能模塊。MicroLogix 1500利用DF1協(xié)議能連接到個人計算機，如圖6所示。它也能利用一個高級接口轉(zhuǎn)換器(1761-NET-AIC)連接到DH485網(wǎng)絡(luò)。

另外擴展有“1769-IQ16”16通道輸入模塊和“1769-OF2”2通道模擬輸出模塊各一塊。

其中 1769-IQ16模塊為 16個數(shù)量輸入，為MicroLogix 1500可編程控制器提供數(shù)字信號的輸入。一般輸入類型為24 V脈沖電壓。

圖6 MicroLogix 1500硬件結(jié)構(gòu)和特性Fig．6 Structure and Characteristics of MicroLogix 1500 Hardware

其中 1769-OF2模塊 2個模擬輸出量，為MicroLogix 1500可編程控制器提供兩路模擬單端輸出信號，并可以組態(tài)成電壓型或電流型?？商峁┑妮敵鲱愋陀?

(1)直流電壓:0～10 V DC;

(2)直流電流:0～20 mA;

(3)標(biāo)準(zhǔn)直流電流:4～20 mA。

MicroLogix 1500可編程控制器、模塊1769-IQ16和模塊1769-OF2構(gòu)成了本地PLC模塊主體，如圖7所示。

圖7 本地PLC模塊主體Fig．7 Body of Local PLC Module

4．1．3 PLC控制系統(tǒng)的I/O設(shè)計

本地PLC模塊主體由MicroLogix 1500可編程控制器、模塊1769-IQ16和模塊1769-OF2構(gòu)成。一共有28個數(shù)字量輸入端口，12個數(shù)字量輸出端口，2個模擬量輸出端口。根據(jù)排泥行車運行原理的分析和PLC模塊性能參數(shù)，設(shè)計規(guī)劃出系統(tǒng)的I/O點，如表1所示。

數(shù)字輸入量，高電平為+24 V DC，低電平為0 V DC。輸入通道得到的是一個電平從“0”到“1”再到“0”的過程，相當(dāng)于一個脈沖信號。

表8 系統(tǒng)I/O信息Tab．8 Information of System I/O

數(shù)字輸出量，可變成控制器PLC以繼電器觸點的形式，表現(xiàn)為“閉合”和“斷開”。沒有實際的電信號輸出。電磁閥工作電流為150 mA，電壓為24 V DC。很多設(shè)備不能直接接到可編程控制器的繼電器觸點上，需要通過中間繼電器接入。

模擬量輸入/輸出，在控制系統(tǒng)中采用的模擬量信號為4～20 mA電流。

4．1．4 軟件流程設(shè)計

本地PLC程序主要做“低級”自動化控制。負(fù)責(zé)控制協(xié)調(diào)行車排泥機的各個部件，使其能正常和諧地運行。同時，在獨立于上位機監(jiān)控程序的時候，能做簡單的周期性自動運行，完成其作為“小腦”的控制和協(xié)調(diào)任務(wù)。

在自動運行模式下，當(dāng)排泥機啟動時必須滿足以下兩個條件之一:通過手動按鈕強制啟動或者行車運行間歇時間(計時)到達(dá)設(shè)置要求。當(dāng)條件滿足后，行車即開始一個新的運行周期。排泥行車的運行周期可以通過上位機操作設(shè)定。排泥行車一個自動運行周期的流程如下(見圖9)。

4．1．5 RSLogix500 編程的實現(xiàn)

RSLogix500軟件是適用于SLC500系列和MicroLogix系列控制器的32位Windows梯形圖邏輯編程軟件。

排泥行車本地PLC控制系統(tǒng)的梯形圖編程參照自動控制流程順序編制，如圖8所示。按功能分類規(guī)劃將用戶程序劃分為5個程序。分類的目的主要是依據(jù)功能分析，將梯形圖以子程序的方式進(jìn)行規(guī)劃，這樣編制程序比較方便，調(diào)試容易發(fā)現(xiàn)錯誤，如圖9所示。

程序功能介紹:

SYS0存放處理器等相關(guān)的信息。

SYS1保留為系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)用。

LAD2用戶的梯形圖主程序文件。當(dāng)控制器上電后，自動進(jìn)入LAD2主程序。當(dāng)按下啟動按鈕時，開始按照用戶預(yù)先定義的邏輯運行，實現(xiàn)預(yù)期功能，如圖10所示。

圖8 排泥行車自動控制流程圖Fig．8 Automatic Control Flow Chart of Sludge Discharge Crane

圖9 系統(tǒng)運行程序列表Fig．9 Operation Program of System

圖10 主程序LAD2流程圖Fig．10 Flow Chart of Main Progiam LAD2

LAD3-LAD5流程控制子程序，由主程序調(diào)用。

主程序LAD2對排泥行車控制過程為:運行潛水泵，將破真空電動閥關(guān)閉、真空形成電動閥打開，此時開始抽真空，當(dāng)真空檢測器檢測到真空形成后，將真空形成電動閥關(guān)閉，停止?jié)撍玫倪\行。此時行車開始運行，并自動排泥。當(dāng)行車停止運行后打開破真空電動閥，則排泥結(jié)束。若真空檢測器檢測到真空已經(jīng)形成，但空管檢測器卻檢測到仍有空管，則說明該管已堵塞，不能排泥，此時發(fā)出報警信號，如圖11所示。

4．2 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

4．2．1 工控網(wǎng)結(jié)構(gòu)和無線網(wǎng)橋的搭建

工業(yè)控制以太網(wǎng)和EtherNet/IP以太網(wǎng)工業(yè)(應(yīng)用)協(xié)議，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)是控制與信息協(xié)議(Control and Information Protocol，CIP)。CIP 協(xié)議的控制部分用以進(jìn)行實時I/O數(shù)據(jù)傳送和互鎖。

排泥機本地PLC位于室外行車上，并且位置不斷移動。考慮網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性和成本，采用無線點對點網(wǎng)橋的方式是最經(jīng)濟(jì)可靠的。本地PLC距離遠(yuǎn)端監(jiān)控計算機距離最短40 m，最遠(yuǎn)110 m。理論上采用IEEE 802．11 g協(xié)議即可滿足要求。但實際使用中，發(fā)現(xiàn)外部干擾信號干擾、氣候變化影響等因素，會極大地影響無線傳送的信號強度，為保證通信質(zhì)量采用IEEE 802．11n版協(xié)議來進(jìn)行無線通信。

圖11 排泥行車控制程序梯形圖(部分)Fig．11 Control Program Ladder Chart of Sludge Discharge Crane(Part)

IEEE 802．11n 相比之前的 IEEE 802．11 g，能夠提供高達(dá)五倍的傳輸速率、吞吐量更是之前標(biāo)準(zhǔn)的兩倍，同時采用了MIMO技術(shù)，在抗干擾性上也有了極大的改進(jìn)。IEEE 802．11n主要技術(shù)參數(shù)如下:

標(biāo)準(zhǔn)頻寬:2．4 GHz or 5 GHz

實際速度 (標(biāo)準(zhǔn)):300 Mbit/s(20MHz*4 MIMO)

范圍(室內(nèi)):70 m

范圍(室外):250 m

因為排泥機行車運行時沿軌道前行后退，所以本地?zé)o線AP(Access Point)采用雙定向天線，兩塊天線面板成120°夾角。遠(yuǎn)端無線AP(Access Point)采用全向接受天線如圖12所示。

網(wǎng)路基本配置如下:

本地PLC模塊的IP地址(MicroLogix 1500):200．1．11．55

遠(yuǎn)端監(jiān)控計算機的IP地址:200．1．11．85

數(shù)據(jù)庫的 IP 地址:200．1．11．153

本地?zé)o線 AP 的 IP 地址:200．1．11．58

遠(yuǎn)端無線 AP 的 IP 地址:200．1．11．59

無線網(wǎng)橋加密方式:WAP2

圖12 無線AP的定向天線和全向天線Fig．12 Directional Antenna and Omnidirectional Antenna of Wireless AP

4．2．2 應(yīng)用軟件與PLC的通信配置

RSLinx軟件是羅克韋爾公司 PLC通用的通信配置軟件，提供控制器和應(yīng)用軟件之間的通信解決方案。它的AdvanceDDE接口支持處理器與MMI(Man Machine Interface)和組態(tài)軟件之間進(jìn)行通信，也可與DDE兼容軟件，如Microsoft Excel、Access及其他用戶定制的DDE應(yīng)用軟件通信。

多數(shù)上位機軟件已內(nèi)嵌了OPC服務(wù)功能，支持OPC客戶端和OPC服務(wù)器的工作方式。這樣就可以很方便地與羅克韋爾公司的PLC進(jìn)行通信。

RSLinx支持三種網(wǎng)絡(luò)模式(EtherNet/IP，DeviceNet，ControlNet)從 PLC讀取數(shù)據(jù)，然后作為DDE或OPC服務(wù)器把數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，如圖13所示。

圖13 RSLinx的作用Fig．13 Effect of RSLinx

5 計算機監(jiān)控系統(tǒng)和實時信息管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

5．1 計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

5．1．1 監(jiān)控軟件的主要模塊和功能

自動化系統(tǒng)人機交互界面基于Visual Basic 6．0軟件編程實現(xiàn)［3-10］。它能提供監(jiān)視、控制和數(shù)據(jù)采集等生產(chǎn)所需的全部功能，并且能提供更復(fù)雜更智能控制算法，根據(jù)環(huán)境參數(shù)改變而動態(tài)地進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。且使用方便、統(tǒng)一，能為生產(chǎn)過程提供交互窗口、面向?qū)ο蟮膭赢媹D形、開放的數(shù)據(jù)庫格式、歷史數(shù)據(jù)存儲、增強的趨勢分析、報警等功能。

自動化系統(tǒng)主要模塊和功能可分為:用戶登入認(rèn)證、主監(jiān)控界面、指令控制、報警、開機日志、自動報表系統(tǒng)等如圖14所示。

圖14 上位機監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)Fig．14 Monitor Software Structure of Upper Computer

5．1．2 DDE 連接的建立

DDE是一種動態(tài)數(shù)據(jù)交換機制(Dynamic Data Exchange，DDE)，基于客戶/服務(wù)器模式進(jìn)行?？蛻魴C應(yīng)用程序向當(dāng)前所激活的服務(wù)器應(yīng)用程序發(fā)送一條消息請求信息，服務(wù)器應(yīng)用程序根據(jù)該信息作出應(yīng)答。

DDE通訊機制為硬件制造商與軟件開發(fā)商提供了一條便捷的通道。利用這種通訊機制可以非常方便地獲得可編程控制器信息，而不用關(guān)心其他具體實施細(xì)節(jié)。

DDE數(shù)據(jù)的讀取，首先需要知道提供DDE服務(wù)的Application、Topic、Item才可以在VB開發(fā)環(huán)境下利用的相關(guān)控件與其通訊。下面是DDE連接的四個主要參數(shù):

(1)LinkItem設(shè)置傳遞到目標(biāo)控件的數(shù)據(jù)，該目標(biāo)控件在與另一應(yīng)用程序進(jìn)行DDE會話。

(2)LinkMode設(shè)置用于DDE會話的鏈接類型并激活鏈接。其中有0-None-不連接，1-Automatic-自動連接，2-Manual-手動連接，3-Notify-連接通知。

(3)LinkTimeout設(shè)置控件等待響應(yīng)DDE消息的時間。以毫秒為基本單位。

(4)LinkTopic設(shè)置目標(biāo)控件的源應(yīng)用程序和主題。

舉例說明，要獲取1號變頻器頻率的信號，其對應(yīng)的接線是模塊1769-OF2的0OUT1+/COM輸出端口。在VB中建立一個名稱為TEXT1的Text控件，并在VB程序中給它的參數(shù)賦值:

Rem 1#變頻頻率

Text1．LinkTopic="RSLINX|UNTITLED"

//DDE服務(wù)器的鏈接主題名

Text1．LinkItem="N7:20，L1，C1"

//在DDE服務(wù)器的內(nèi)存中對應(yīng)的地址;

Text1．LinkTimeout=50

//等待時間為50毫秒;

Text1．LinkMode=1

//連接模式為1，自動連接模式;

用以上方法同PLC建立DDE連接，從而采集所需的信號數(shù)據(jù)，并可以通過DDE來對PLC發(fā)送指令。

5．1．3 主控界面的設(shè)計和功能

在實時監(jiān)控主窗口中采用了大量的圖形按鈕的形式，這樣操作者可以直觀方便地點擊想要了解的各部件的具體信息。

在運行中主控界面直觀地顯示了大部分的實時數(shù)據(jù)。有行車狀態(tài)參數(shù)、吸泥管狀態(tài)、設(shè)備故障信息、運行日志等資料，并以簡單的動畫形式表現(xiàn)出行車的運行位置。并可進(jìn)入操作界面，對行車進(jìn)行人為操控等如圖15所示。

圖15 系統(tǒng)主控界面Fig．15 Main Control Interface of System

5．1．4 實時數(shù)據(jù)的采集和操控指令的發(fā)送

系統(tǒng)通過DDE從PLC收集實時運行數(shù)據(jù)，匯總所有信息后通過VB中的Timer控件，定時向數(shù)據(jù)中心傳輸數(shù)據(jù)。其中控件Timer1設(shè)定周期為5 s/次，作為實時信息，之前的數(shù)據(jù)不保留。控件Timer2設(shè)定周期為60 s/次，作為歷史信息，保留所有數(shù)據(jù)，是自動報表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源。

同采集數(shù)據(jù)一樣控制指令也通過DDE發(fā)送的。在VB中DDE會話的有關(guān)方法介紹如下:

LinkSend (方法)

在一次DDE對話中將PictureBox控件的內(nèi)容傳輸?shù)浇邮斩藨?yīng)用程序。

LinkExecute String (方法)

DDE對話過程中將命令字符串發(fā)送給發(fā)送端應(yīng)用程序。

LinkPoke (方法)

DDE對話過程中將 Label、PictureBox或TextBox控件的內(nèi)容傳送給發(fā)送端應(yīng)用程序。

LinkRequest (方法)

DDE對話中請求發(fā)送端應(yīng)用程序更新 Label、PictureBox或TextBox控件中的內(nèi)容。

舉例說明，VB中按鈕Command6，通過點擊觸發(fā)以下程序，把值“22490”賦給地址為"T4:2．ACC，L1，C1"的計時器T1，從而達(dá)到調(diào)控的目的。

Private Sub Command6_Click()

Text31．LinkTopic="RSLINX|UNTITLED"

Text31．LinkItem="T4:2．ACC，L1，C1"

//在DDE服務(wù)器的內(nèi)存中對應(yīng)的地址;

Text31．LinkTimeout=50

Text31．LinkMode=2

//改變?yōu)槭謩舆B接模式;

Text31．Text="22490"

//賦值;

Text31．LinkPoke

//方法LinkPoke，向PLC發(fā)送數(shù)據(jù);

Text31．LinkMode=1

End Sub

如同以上所舉范例，自動監(jiān)控程序通過DDE連接，在接受PLC傳來的數(shù)據(jù)的同時，也可以向其發(fā)送指令，達(dá)到控制調(diào)節(jié)的目的。

5．1．5 三段排泥模式的設(shè)計與實現(xiàn)

平流式沉淀池的積泥特點是其積泥區(qū)顯示出前高后低的特征?？梢园殉恋沓胤殖扇齻€排泥區(qū)，即高度積泥區(qū)、中度積泥區(qū)、低度積泥區(qū)。

對3號沉淀池進(jìn)行放空清洗維護(hù)，觀察沉淀池放空后的積泥狀況。在7萬m3/d系統(tǒng)進(jìn)水量為290 m3/h左右運行。沉淀池中大部分的積泥分布在距沉淀池前端33 m內(nèi)，即沉淀池全長的30%以內(nèi)，根據(jù)實際的污泥高度，繪制了該種進(jìn)水量下的污泥沉降曲線如圖16所示。由圖16可知70%左右的積泥分布在13%～15%行程內(nèi)，90%左右的積泥分布在30%行程內(nèi)。由此可見，排泥行車傳統(tǒng)的每日全程的運行方式造成了不必要的浪費。

圖16 3號沉淀池污泥沉降曲線Fig．16 Sludge Sediment Gruve of 3#Sediment Tank

現(xiàn)通過監(jiān)控系統(tǒng)的VB編程，實現(xiàn)“三段排泥模式”的算法。既根據(jù)污泥沉降特點，把積泥區(qū)分成三段。A段0～15%，B段15% ～30%，C斷30% ～100%。A段每天進(jìn)行排泥，B段3天排泥一次，C段9天排泥一次。CBA就如同一個“三進(jìn)制”數(shù)字的百位十位個位，逢三進(jìn)位如圖17所示。

圖17 三段排泥模式Fig．17 Three Sections Sludge Discharge Mode

算法具體實現(xiàn)方法如下:

Public Run_Sign As Interger

//定義全局變量Run_Sign作為標(biāo)記

Private Sub run_15()

//定義15%模式運行指令函數(shù)

Private Sub run_30()

//定義30%模式運行指令函數(shù)

Private Sub run_100()

//定義100%模式運行指令函數(shù)

當(dāng)標(biāo)記變量Run_Sign能被9整除時，調(diào)用控制指令函數(shù)Private Sub run_100();當(dāng)Run_Sign能被3整除時，調(diào)用控制指令函數(shù)Private Sub run_30();其他時候調(diào)用控制指令函數(shù)Private Sub run_15()。每運行一次，Run_Sign值加1，當(dāng)大約等于9時重置為1。算法邏輯流程如圖18所示。

5．2 實時信息管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

5．2．1 實時信息管理系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)

圖18 三段排泥模式算法流程圖Fig．18 Calculate Flow Chart of Three Section Sludge Discharge Mode

生產(chǎn)實時信息管理系統(tǒng)，由生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫和報表系統(tǒng)組成。在數(shù)據(jù)庫中保存各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行統(tǒng)計和分析。所有生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)和統(tǒng)計分析結(jié)果，以報表的形式展現(xiàn)。上位機VB程序通過DDE與PLC模塊連接，實時讀取數(shù)據(jù)信息。然后把這些數(shù)據(jù)通過ADO寫入SQL數(shù)據(jù)庫中。同時上位機程序根據(jù)SQL數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)作出決策，對PLC模塊發(fā)送指令以調(diào)控行車的運行方式如圖19所示。

圖19 數(shù)據(jù)流程Fig．19 Flow Chart of Dates

5．2．2 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的設(shè)計和搭建

數(shù)據(jù)中心以數(shù)據(jù)服務(wù)器為基礎(chǔ)，建有完整的歷史數(shù)據(jù)庫。從PLC站點傳來的制水工藝流程的實時運行數(shù)據(jù)，存放在數(shù)據(jù)中心的SQL Server數(shù)據(jù)庫里。上位機VB程序從PLC讀取數(shù)據(jù)后，轉(zhuǎn)寫到數(shù)據(jù)庫中保留。為數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

在SQL Server中創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫XNHC，其中主要的數(shù)據(jù)表及其功能如表2所示。

5．2．3 對數(shù)據(jù)庫的連接和操作(ADO技術(shù))

ADO(ActiveX Data Objects)是一種用于開發(fā)訪問OLE DB數(shù)據(jù)源應(yīng)用程序的API，是Visual Basic中新的數(shù)據(jù)訪問標(biāo)準(zhǔn)。ADO提供了更為高級的易于理解的訪問機制，具有更加簡單、更加靈活的操作性能。

Tab．2 Main Dates and Its Fuction

ADO對象模型定義了一個可編程的分層對象集合，主要由七個對象成員 Connection、Command、Recordset、Error、Parameter、Field 和 Property 以及四個集合對象 Errors、Parameters、Fields、Properties所組成。Connection、Command、Recordset和 Field 對象有Properties集合。通過使用ADO對象模型，定義對象和編寫代碼來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的訪問。

VB通過ADO創(chuàng)建Connection類型對象CNN。系統(tǒng)通過CNN連接數(shù)據(jù)庫。方法如下:

server_id="200．1．11．153"

//服務(wù)器IP地址

datebase="xnhc"

//數(shù)據(jù)庫ID

user_id="sa"

//用戶名

password=""

//密碼

Public CNN As AdodB．Connection

//申明Connection類型對象CNN

Set CNN=New AdodB．Connection

//創(chuàng)建Connection類型對象實例CNN

CNN．ConnectionString = "driver={SQL Server};server="＆server_id＆";uid="＆user_id＆";pwd="＆password

//設(shè)置CNN實例的ConnectionString屬性連接到數(shù)據(jù)庫

CNN．DefaultDatabase=datebase

//數(shù)據(jù)庫ID

CNN．ConnectionTimeout=15

//等待時間

CNN．Open

//打開連接對象CNN，連接數(shù)據(jù)庫

自此，信息系統(tǒng)和SQL Server數(shù)據(jù)庫的連接就創(chuàng)建好了。信息系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的訪問操作都通過連接對象CNN來實現(xiàn)。系統(tǒng)通過TIMER控件來定時采集數(shù)據(jù)，并把它傳送至數(shù)據(jù)庫保存。舉例歷史數(shù)據(jù)采集，方法如下:

Public HISTORYdata_add As AdodB．Command

//申明Command類型對象

HISTORYdata_add

Private Sub Timer2_Timer()

//TIMER控件定時向數(shù)據(jù)庫傳送數(shù)據(jù)

Set HISTORYdata_add=New AdodB．Command

//創(chuàng)建Command類型對象

HISTORYdata_add

HISTORYdata_add．ActiveConnection=CNN

//引用連接CNN

HISTORYdata_add．CommandText="insert into

HISTORY_data values(?……略 ?)"

//向數(shù)據(jù)庫傳送數(shù)據(jù)的SQL語句

HISTORYdata_add．CommandTimeout=5

HISTORYdata_add．Execute

//執(zhí)行HISTORYdata_add對象

End Sub

5．2．4 報表系統(tǒng)Grid++Report的介紹和搭建

Grid++Report是一款完全可編程的報表工具，特別適用于管理信息系統(tǒng)。Grid++Report適用編程平臺廣泛，所有支持COM的開發(fā)平臺都可以使用 Grid++Report，為 VB．NET、C#、VB、VC、Delphi、C++Builder、易語言編寫了大量程序接口如圖20所示。

圖20 VB通過調(diào)用Grid++Report控件的方式實現(xiàn)報表系統(tǒng)Fig．20 VB Call to Grid++Report Returns the Sheet System

Grid++Report提供了具有超強數(shù)據(jù)展現(xiàn)能力的數(shù)據(jù)網(wǎng)格(DataGrid)部件，制作各種表格報表非常簡便。運行時可通過事件響應(yīng)使報表與用戶交互。提供了可視化報表設(shè)計器，設(shè)計報表快速簡單。在提供報表打印功能的同時，還提供了報表的查詢顯示功能。并且支持多種報表格式的轉(zhuǎn)換，如XLS、PDF、TXT、IMG、HTML、CSV 等。

6 運行效果評測和總結(jié)

6．1 運行效果的對比和評測

系統(tǒng)正式試運行3個月時間。其中采取智能控制方式運行的時間約有1個月。運行時系統(tǒng)每分鐘采集保存一次數(shù)據(jù)。試運行時間較短采樣量有限，還不能做太細(xì)致的參數(shù)對比研究(比如水溫、含氮量等因素)。但確保樣本采集時，沉淀池進(jìn)水濁度與出水濁度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，且新老系統(tǒng)的樣本采集環(huán)境相近，如表3所示。

表3 新老系統(tǒng)的運行成本對比Tab．3 Cost Comparison between New and Old Systems

如上表所述，相對于老系統(tǒng)，新系統(tǒng)不但能自動運行、遠(yuǎn)程監(jiān)控、大大降低了人工成本，還能進(jìn)行更合理、更智能的運行方式。相比原有系統(tǒng)，新系統(tǒng)的自用水率和耗電量有近80%的下降。這使得運行和維護(hù)成本大大降低，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

6．2 總結(jié)

這套自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)技術(shù)與水廠其他大型自動化控制系統(tǒng)完全一樣。具備從下位機的操作控制到上位機的邏輯監(jiān)控;從信息的傳輸采集到信息數(shù)據(jù)的存儲和分析處理等所有功能。并以獨創(chuàng)的“大腦與小腦協(xié)作”的控制算法，實現(xiàn)了“三段式排泥”的運行模式，從而大大降低了生產(chǎn)過程中的自用水率(損耗)。

當(dāng)然還存在不足之處，例如智能化控制算法針對水情較穩(wěn)定的原水效果比較好，但對水情不穩(wěn)定的原水或多源混合水的效果比較差，甚至不如原先的運行效果。這也是今后改進(jìn)的重要內(nèi)容之一。

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