胡漢青 馬濤 譚應(yīng)征

（北京和利時(shí)自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司，100176）

摘  要         通過(guò)VPN使已經(jīng)接入Internet的計(jì)算機(jī)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(yuǎn)程監(jiān)控和運(yùn)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(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)；OPC；VPN

1      項(xiàng)目背景

咸寧永安污水處理廠是咸寧市的重點(diǎn)工程，于2009年投入運(yùn)行，由武漢市天創(chuàng)環(huán)保有限公司負(fù)責(zé)管理。現(xiàn)在要實(shí)現(xiàn)武漢天創(chuàng)環(huán)保對(duì)咸寧污水處理廠的實(shí)時(shí)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(fèi)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(shí)LK系列PLC的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并且該上位機(jī)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(guò)VPN撥號(hào)接入武漢天創(chuàng)環(huán)保有限公司的路由器，使咸寧上位機(jī)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(jī)則利用OPC接口，監(jiān)控咸寧污水處理廠的下位實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2      污水處理廠遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能概述

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

咸寧永安污水處理廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)分為三級(jí)管理，包括生產(chǎn)管理級(jí)（中央控制室）、現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)（PLC控制站）和就地控制級(jí)。現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)通過(guò)PLC系統(tǒng)進(jìn)行采集，并通過(guò)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的控制命令也通過(guò)上述通道傳送到PLC的測(cè)控終端，實(shí)施各單元的分散控制?，F(xiàn)場(chǎng)與中央控制室之間通過(guò)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(kāi)放式的總線結(jié)構(gòu)，以便于實(shí)現(xiàn)近遠(yuǎn)期系統(tǒng)的無(wú)縫對(duì)接。

（1）生產(chǎn)管理級(jí)（中央控制室）

中央控制室配置一套工程師站、一臺(tái)操作員站、一臺(tái)圖表打印機(jī)、一套UPS電源、一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜。中央控制室主要完成對(duì)生產(chǎn)過(guò)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(bào)表生成及打印、故障報(bào)警及打印，對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，控制操作以及分析統(tǒng)計(jì)等功能。通過(guò)高分辨率液晶顯示器及投影儀可直觀地動(dòng)態(tài)顯示全廠各工藝流程段的實(shí)時(shí)工況、各工藝參數(shù)的趨勢(shì)畫面，使操作人員及時(shí)掌握全廠運(yùn)行情況。

（2）現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)（PLC控制站）

現(xiàn)場(chǎng)控制站配置有和利時(shí)控制柜三套，和利時(shí)機(jī)柜配置三套UPS電源。和利時(shí)柜內(nèi)包括和利時(shí)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(jī)、過(guò)電壓保護(hù)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(chǎng)控制級(jí)接受生產(chǎn)管理級(jí)的調(diào)度，但并不依賴于生產(chǎn)管理級(jí)而運(yùn)行：若監(jiān)控計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障或者并沒(méi)有投入使用或者通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，現(xiàn)場(chǎng)控制站仍繼續(xù)正常工作，對(duì)整個(gè)工藝過(guò)程沒(méi)有影響。

（3）就地手動(dòng)控制

現(xiàn)場(chǎng)控制站還具有“就地手動(dòng)控制”功能。將現(xiàn)場(chǎng)控制箱上的“就地/遠(yuǎn)程”旋鈕切換至“就地”位置，通過(guò)箱上的“啟動(dòng)/停止”按鈕實(shí)現(xiàn)就地手動(dòng)控制。

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

咸寧污水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)控制方式設(shè)計(jì)為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備就地手動(dòng)控制、控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程手動(dòng)控制、控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制三種控制方式。三種方式的級(jí)別由高到低依次為就地手動(dòng)、遠(yuǎn)程手動(dòng)、遠(yuǎn)程自動(dòng)。

（1）就地手動(dòng)模式

設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠(yuǎn)程”開(kāi)關(guān)選擇“就地”方式時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制箱或MCC控制柜上的按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的啟/停、開(kāi)/關(guān)操作。設(shè)備的急停按鈕或其他保護(hù)和安全連鎖裝置（例如過(guò)載保護(hù)、溫度及液位保護(hù)等）必須是硬線連接至電氣控制回路，不受方式選擇開(kāi)關(guān)的限制?，F(xiàn)場(chǎng)控制箱（柜）在開(kāi)關(guān)在“手動(dòng)”位置時(shí)，設(shè)備為離線方式，PLC不能對(duì)設(shè)備進(jìn)行任何控制。

（2）遠(yuǎn)程手動(dòng)模式

即遠(yuǎn)程手動(dòng)控制方式?，F(xiàn)場(chǎng)控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠(yuǎn)程”開(kāi)關(guān)選擇“遠(yuǎn)程”方式時(shí)，操作人員通過(guò)操作終端（HMI）或中控系統(tǒng)操作站的監(jiān)控畫面用鼠標(biāo)器或鍵盤選擇“手動(dòng)”方式并對(duì)設(shè)備進(jìn)行啟/停、開(kāi)/關(guān)操作。

（3）遠(yuǎn)程自動(dòng)模式

現(xiàn)場(chǎng)控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠(yuǎn)程”開(kāi)關(guān)選擇“遠(yuǎn)程”方式，且現(xiàn)場(chǎng)控制站的“自動(dòng)/手動(dòng)”設(shè)定為“自動(dòng)”方式時(shí)，設(shè)備的運(yùn)行完全由各PLC根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工況及控制要求來(lái)完成對(duì)設(shè)備的運(yùn)行或開(kāi)/關(guān)控制，而不需要人工干預(yù)。

3      污水處理廠遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)VPN的實(shí)現(xiàn)

VPN（Virtual Private Network）是利用IP網(wǎng)絡(luò)來(lái)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(jià)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(jí)特性、易管理性和穩(wěn)定性。它可以滿足客戶對(duì)原企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)與遠(yuǎn)程辦公室、移動(dòng)用戶間無(wú)縫連接的要求，將網(wǎng)絡(luò)連接擴(kuò)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(lái)降低商業(yè)運(yùn)作開(kāi)支和提升服務(wù)質(zhì)量（包括速度、簡(jiǎn)便性和保密性上的提升）。實(shí)施VPN時(shí)，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(jiàn)VPN有：MPLS VPN、VPDN、IPsecVPN等。由于VPN是在Internet上臨時(shí)建立的安全專用虛擬網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省了租用專線的費(fèi)用，在運(yùn)行的資金支出上，除了購(gòu)買VPN設(shè)備，所付出的僅僅是向當(dāng)?shù)氐?/span>ISP支付一定的上網(wǎng)費(fèi)用，這就是VPN價(jià)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(guò)VPN撥號(hào)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(yuǎn)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(chǎng)過(guò)程控制應(yīng)用建立了橋梁。在過(guò)去，為了存取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，每一個(gè)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)商都需要編寫專用的接口函數(shù)。由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的種類繁多，且產(chǎn)品的不斷升級(jí)，往往給用戶和軟件開(kāi)發(fā)商帶來(lái)了巨大的工作負(fù)擔(dān)。通常這樣也不能滿足工作的實(shí)際需要，系統(tǒng)集成商和開(kāi)發(fā)商急切需要一種具有高效性、可靠性、開(kāi)放性、可互操作性的即插即用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。在這種情況下，OPC標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。OPC標(biāo)準(zhǔn)以微軟公司的OLE技術(shù)為基礎(chǔ)，它的制定是通過(guò)提供一套標(biāo)準(zhǔn)的OLE/COM接口完成的，總而言之，OPC是作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義的特殊的COM接口。COM是Component Object Model的縮寫，是所有OLE機(jī)制的基礎(chǔ)。COM是一種為了實(shí)現(xiàn)與編程語(yǔ)言無(wú)關(guān)的對(duì)象而制定的標(biāo)準(zhǔn)，這種標(biāo)準(zhǔn)可以使兩個(gè)應(yīng)用程序通過(guò)對(duì)象化接口通訊，而不需要知道對(duì)方是如何創(chuàng)建的。在Windows NT4.0操作系統(tǒng)下，COM規(guī)范擴(kuò)展到可訪問(wèn)本機(jī)以外的其它對(duì)象，一個(gè)應(yīng)用程序所使用的對(duì)象可分布在網(wǎng)絡(luò)上，COM的這個(gè)擴(kuò)展被稱為DCOM（Distributed COM）。通過(guò)DCOM技術(shù)和OPC標(biāo)準(zhǔn)，完全可以創(chuàng)建一個(gè)開(kāi)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(chǎng)設(shè)備以何種形式存在，客戶都以統(tǒng)一的方式去訪問(wèn)，從而保證軟件對(duì)客戶的透明性，使得用戶完全從低層的開(kāi)發(fā)中脫離出來(lái)，提高了系統(tǒng)的開(kāi)放性和可互操作性，通常在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用OLE自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)接口。

咸寧污水處理廠中控室上位機(jī)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(dòng)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(shí)公司Hollyview6.53上位組態(tài)，在開(kāi)發(fā)好所有監(jiān)控畫面以后，在工程瀏覽器里面雙擊打開(kāi)OPC服務(wù)器，配置如圖3所示。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)名處輸入咸寧VPN撥號(hào)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(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)畫面上添加咸寧OPC的IO點(diǎn)。咸寧污水處理廠遠(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)程監(jiān)控的需求越來(lái)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(fèi)用。一般遠(yuǎn)程監(jiān)控通常采用無(wú)線方式。而無(wú)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(wú)法突破城市之間的超遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)程監(jiān)控。在這種情況下，采用VPN和OPC的方式是一個(gè)較為理想的選擇。VPN具有價(jià)格低廉、安全、穩(wěn)定且容易管理等優(yōu)點(diǎn)。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(jī)制，并且開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單。結(jié)合VPN和OPC開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序，不僅代碼數(shù)量少，而且可以遠(yuǎn)程維護(hù)，非常適合類似本系統(tǒng)情況的用戶使用。