基於VPN與OPC的污水處理廠遠程監控系統

咸寧永安污水處理廠是咸寧市的重點工程，於2009年投入運行，由武漢市天創環保有限公司負責管理。現在要實現武漢天創環保對咸寧污水處理廠的實時監控。咸寧市永安污水處理廠位於咸寧市，而武漢天創環保有限公司位於武漢市，這兩地之間如果鋪設光纜，不僅投資巨大，而且施工也不可能，如果採用電信的專線，費用巨大而且施工需要電信配合。考慮到武漢天創環保有限公司已有VPN路由器，而咸寧污水處理廠已採用三維力控組態軟體獲取了和利時LK系列PLC的實時運行數據，並且該上位機已經接入了Internet（曾用於監控畫面WEB發布）。那麼咸寧污水處理廠即可通過VPN撥號接入武漢天創環保有限公司的路由器，使咸寧上位機接入武漢天創環保公司的區域網。武漢天創環保公司的上位機則利用OPC介面，監控咸寧污水處理廠的下位實時運行數據。

2 污水處理廠遠程監控系統功能概述

2.1 污水處理廠遠程監控系統的結構

咸寧永安污水處理廠自動化控制系統分為三級管理，包括生產管理級（中央控制室）、現場控制級（PLC控制站）和就地控制級。現場各種數據通過PLC系統進行採集，並通過主幹通訊網路（工業光纖環網）傳送到中央控制室監控計算機集中監控和管理，傳輸介質為光纖，通訊速率為1000Mbps。同樣，中央控制室監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。現場與中央控制室之間通過高速工業乙太網連接，高速工業光纖環網採用開放式的匯流排結構，以便於實現近遠期系統的無縫對接。

（1）生產管理級（中央控制室）

中央控制室配置一套工程師站、一台操作員站、一台圖表印表機、一套UPS電源、一台網路機櫃。中央控制室主要完成對生產過程的管理、調度、集中操作、監視、系統功能組態、控制參數在線修改和設置、記錄、報表生成及列印、故障報警及列印，對實時採集的數據進行處理，控制操作以及分析統計等功能。通過高解析度液晶顯示器及投影儀可直觀地動態顯示全廠各工藝流程段的實時工況、各工藝參數的趨勢畫面，使操作人員及時掌握全廠運行情況。

（2）現場控制級（PLC控制站）

現場控制站配置有和利時控制櫃三套，和利時機櫃配置三套UPS電源。和利時櫃內包括和利時公司LK系列可編程序控制器、24VDC電源裝置、光纖乙太網交換機、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。現場控制級接受生產管理級的調度，但並不依賴於生產管理級而運行：若監控計算機出現故障或者並沒有投入使用或者通信網路出現故障，現場控制站仍繼續正常工作，對整個工藝過程沒有影響。

（3）就地手動控制

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

2.2 污水處理廠遠程監控系統的控制方式

咸寧污水廠自動化控制系統控制方式設計為現場設備就地手動控制、控制系統遠程手動控制、控制系統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

設備的現場控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠程”開關選擇“就地”方式時，通過現場控制箱或MCC控制柜上的按鈕實現對設備的啟/停、開/關操作。設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迴路，不受方式選擇開關的限制。現場控制箱（櫃）在開關在“手動”位置時，設備為離線方式，PLC不能對設備進行任何控制。

（2）遠程手動模式

即遠程手動控制方式。現場控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠程”開關選擇“遠程”方式時，操作人員通過操作終端（HMI）或中控系統操作站的監控畫面用滑鼠器或鍵盤選擇“手動”方式並對設備進行啟/停、開/關操作。

（3）遠程自動模式

現場控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠程”開關選擇“遠程”方式，且現場控制站的“自動/手動”設定為“自動”方式時，設備的運行完全由各PLC根據現場的工況及控制要求來完成對設備的運行或開/關控制，而不需要人工干預。

3 污水處理廠遠程監控系統VPN的實現

VPN（Virtual Private Network）是利用IP網路來傳輸私有信息而形成的邏輯網路，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。它具有同客戶原有的私有網路相同的安全性、優先順序特性、易管理性和穩定性。它可以滿足客戶對原企業內部區域網與遠程辦公室、移動用戶間無縫連接的要求，將網路連接擴展到客戶、供貨商、合作者和關鍵用戶以形成外部網（Extranet），來降低商業運作開支和提升服務質量（包括速度、簡便性和保密性上的提升）。實施VPN時，較多使用的隧道協議包括二層隧道協議MPLS、L2TP和三層隧道協議IPsec等，常見VPN有：MPLS VPN、VPDN、IPsecVPN等。由於VPN是在Internet上臨時建立的安全專用虛擬網路，節省了租用專線的費用，在運行的資金支出上，除了購買VPN設備，所付出的僅僅是向當地的ISP支付一定的上網費用，這就是VPN價格低廉的原因。本系統的VPN結構示意圖如圖1所示，咸寧通過VPN撥號接入武漢區域網。

圖1 VPN結構示意圖

4 污水處理廠遠程監控系統OPC的配置

OPC（OLE for Process Control）的出現為基於Windows的應用程序和現場過程式控制制應用建立了橋樑。在過去，為了存取現場設備的數據信息，每一個應用軟體開發商都需要編寫專用的介面函數。由於現場設備的種類繁多，且產品的不斷升級，往往給用戶和軟體開發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，系統集成商和開發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備驅動程序。在這種情況下，OPC標準應運而生。OPC標準以微軟公司的OLE技術為基礎，它的制定是通過提供一套標準的OLE/COM介面完成的，總而言之，OPC是作為工業標準定義的特殊的COM介面。COM是Component Object Model的縮寫，是所有OLE機制的基礎。COM是一種為了實現與編程語言無關的對象而制定的標準，這種標準可以使兩個應用程序通過對象化介面通訊，而不需要知道對方是如何創建的。在Windows NT4.0操作系統下，COM規範擴展到可訪問本機以外的其它對象，一個應用程序所使用的對象可分佈在網路上，COM的這個擴展被稱為DCOM（Distributed COM）。通過DCOM技術和OPC標準，完全可以創建一個開放的、可互操作的控制系統軟體。OPC規範了介面函數，不管現場設備以何種形式存在，客戶都以統一的方式去訪問，從而保證軟體對客戶的透明性，使得用戶完全從低層的開發中脫離出來，提高了系統的開放性和可互操作性，通常在系統設計中採用OLE自動化標準介面。

咸寧污水處理廠中控室上位機使用的組態軟體是力控Forcecontrol 6.1，自帶OPC服務，但是需要在Forcecontrol 6.1系統配置里設置初始啟動程序，配置如圖2所示。武漢天創環保監控中心使用的是和利時公司Hollyview6.53上位組態，在開發好所有監控畫面以後，在工程瀏覽器裡面雙擊打開OPC伺服器，配置如圖3所示。在網路節點名處輸入咸寧VPN撥號連接獲取的武漢區域網的IP地址，即可連接到咸寧的OPC，之後在各個實時數據畫面上添加咸寧OPC的IO點。咸寧污水處理廠遠程監控系統主畫面。

5 總結

隨著工業監控系統的發展，遠程監控的需求越來越多，而選擇最優化的數據傳輸方式，可以提高數據傳輸安全性和穩定性，並最大化的節省費用。一般遠程監控通常採用無線方式。而無線通訊比較容易受到干擾，數據的安全也不能保障。GPRS等方式不能提供大數據量的穩定傳輸，並且無法突破城市之間的超遠距離遠程監控。在這種情況下，採用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、穩定且容易管理等優點。OPC則可以提供高速的數據傳輸性能，具有分散式COM的安全管理機制，並且開發簡單。結合VPN和OPC開發的應用程序，不僅代碼數量少，而且可以遠程維護，非常適合類似本系統情況的用戶使用。