摘要:本文通過分析水廠對控制系統(tǒng)的功能要求,介紹了羅克韋爾自動(dòng)化的基于PLC的SCADA系統(tǒng)和RSView32人機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件及其活動(dòng)顯示系統(tǒng)在水廠的應(yīng)用。
1、引言
自來水廠的制水過程是從水源地取水經(jīng)輸水管網(wǎng)至水廠經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后通過配水管網(wǎng)送至用戶。北京市石景山區(qū)楊莊水廠是以地下水為水源的水廠，規(guī)劃供水管線39千米，其中輸水管線4千米，配水管網(wǎng)35千米，工期工程設(shè)計(jì)供水能力為5萬噸/日，1998年月12月正式供水。該廠有10口水源井、1口補(bǔ)壓井及1 配個(gè)水廠，水源井潛水泵電動(dòng)機(jī)容量為6臺(tái)85KW、4臺(tái)45KW，補(bǔ)壓井為45KW，配水廠內(nèi)有配水泵房一座、清水池兩座、變電站一個(gè)、加氯間一座、綜合樓一座，配水泵房內(nèi)有6臺(tái)160KW配水泵，其中2臺(tái)為變頻調(diào)速泵，4臺(tái)工頻泵，由兩路10KV/0.4KV容量為800KVA變壓器，加氯間有3臺(tái)加氯機(jī)，配水管網(wǎng)設(shè)有8個(gè)遠(yuǎn)端壓力測量點(diǎn)。
我們針對水廠制水過程的特點(diǎn)和對控制系統(tǒng)的功能要求，并根據(jù)該廠的具體情況，最終決定采用羅克韋樂自動(dòng)化的基于PLC的SCADA系統(tǒng)和基于客戶/服務(wù)器HMI組態(tài)軟件RSView32活動(dòng)顯示系統(tǒng)（Active Display System ,ADS）
2、水廠對控制系統(tǒng)的要求
2.1、分散性
水廠最大的特點(diǎn)是地域極為分散。通常水源地、補(bǔ)壓井、測壓點(diǎn)距離廠區(qū)幾公里甚至幾十公里，這樣就造成控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)分散，因此需要分布式的具有SCADA功能的控制系統(tǒng)。此外，控制功能也具有分散性，如各配水泵、水源井能分別地，互不影響地進(jìn)行起動(dòng)或停止控制。
2.2 集中監(jiān)控
為了節(jié)省人力，降低制水成本，水源井、補(bǔ)壓井等應(yīng)常常是無人值守，操作人需要在中控室對整個(gè)水廠進(jìn)行集中監(jiān)控。
2.3 小型化、集成化
以水源井為例，泵房內(nèi)通常有一口號(hào)或兩口井，對一臺(tái)或兩臺(tái)泵的控制點(diǎn)數(shù)很少，對于管網(wǎng)測壓點(diǎn)也很少。因此為了降低系統(tǒng)造價(jià)，控制系統(tǒng)需要小型化、低成本的具有集成SCADA通訊功能的控制器。
2.4 適應(yīng)性
通常水源井泵房內(nèi)環(huán)境溫度一年四季變化很大，對于北方地區(qū)更是如此，此外供水量隨著季節(jié)和白天夜晚有很大變化，控制系統(tǒng)應(yīng)能適應(yīng)環(huán)境和供水量的變化，保持穩(wěn)定供水。
2.5 以邏輯控制為主
水廠的控制大部份是對輸水泵和配水泵的邏輯控制，回路控制通常只應(yīng)用在加氯量及出水壓力的控制。而邏輯控制是可編程序控制器（PLC）的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，因此這也是目前水廠的控制系統(tǒng)廣泛采用PLC的原因。
2.6 可靠性、安全性
水廠的安全、穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到千家萬戶，所以從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟硬件產(chǎn)品質(zhì)量到控制程序編制等各個(gè)環(huán)節(jié)都必須是高可靠性的。
2.7 可維持性
系統(tǒng)在系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件和硬件方面具有強(qiáng)大的報(bào)警和故障自診斷功能，方便工程師對系統(tǒng)故障進(jìn)行分析和維護(hù)。
2.8 可擴(kuò)展性
系統(tǒng)應(yīng)采用具有一定標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用較為廣泛的軟硬件產(chǎn)品，并考慮一定的余量，為將來水廠的擴(kuò)建及系統(tǒng)的變更打下基礎(chǔ)。
2.9 開放性
開放性是用戶對控制系統(tǒng)的普遍需求。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的普及，人們越來越需要過程控制系統(tǒng)與管理信息系統(tǒng)交互信息，從而實(shí)現(xiàn)管理與控制一體化。盡管各控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠家在現(xiàn)場控制器模塊級(jí)還不可能完全開放或通用，但必須要求上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有開放性，例如：監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)基于微軟公司的WindowsNT、2000或9X平臺(tái)，支持各種規(guī)范的協(xié)議如OPC、ODBC、ActiveX、DDE等。
3、 控制系統(tǒng)構(gòu)成
3.1 控制系統(tǒng)硬件
如下圖所示，楊莊水廠根據(jù)系統(tǒng)不同功能層次采用四種通信方式，共有19個(gè)PLC控制站構(gòu)成控制系統(tǒng)。以太網(wǎng)用于系統(tǒng)的管理層，DH+網(wǎng)和無線通訊用于各PLC控制器及計(jì)算機(jī)操作站之間的控制層通訊，遠(yuǎn)程I/O網(wǎng)用于配水廠PLC控制器與變頻器\軟起動(dòng)器的設(shè)備層通訊,管理層與控制層通過服務(wù)器實(shí)現(xiàn)信息交互。DH+網(wǎng)和遠(yuǎn)程I/O網(wǎng)采用屏蔽雙絞線進(jìn)行通訊，具有連接方便、通訊距離遠(yuǎn)的特點(diǎn),是PLC通訊應(yīng)用很廣的工業(yè)網(wǎng)絡(luò),在通訊速度為57.6Kbps下，不加中繼可達(dá)10000英尺（3040米）加中繼可達(dá)12公里，DH+網(wǎng)可掛接64個(gè)控制器，遠(yuǎn)程I/O網(wǎng)可掛接32個(gè)設(shè)備。無線通訊采用具有SCADA功能DF1主從通訊協(xié)議，PLC通過其標(biāo)準(zhǔn)RS232口與數(shù)傳電臺(tái)相連來實(shí)現(xiàn)無線通訊，通訊速率為9600bps/19200 bps。PLC1作為SCADA系統(tǒng)的主站用于控制和監(jiān)測配水系統(tǒng)和供電系統(tǒng)，PLC2用于監(jiān)控加氯系統(tǒng)，PLC00~PLC03、PLC07分別控制0#~3#、07#水源井，PLC05、PLC08分別控制5#、6#、和8#、9#兩口水源井，PLC10控制10#補(bǔ)壓井，PLC11~PLC18用于配水管網(wǎng)壓力監(jiān)測，位于中控室的OS1、OS2計(jì)算機(jī)PLC00~PLC02控制器只采用DH+網(wǎng)進(jìn)行通訊；3#水源井~9#水源井距廠區(qū)較遠(yuǎn)，為了防止通訊電纜被意外切斷影響水廠的運(yùn)行，PLC03~08控制器采用互為熱備的DH+網(wǎng)和無線通訊，通常性況下采用速度較高的DH+有線通訊，一旦DH+網(wǎng)通訊失敗，系統(tǒng)將自動(dòng)轉(zhuǎn)換到DF1無線通訊；10#補(bǔ)壓井和測壓點(diǎn)距離廠區(qū)更遠(yuǎn)，采用有線通訊方式代價(jià)太高，因此PLC10及PLC11~PLC18控制器只采用DF1無線通訊方式。
在控制系統(tǒng)中，用于配水管網(wǎng)壓力監(jiān)測的PLC11~PLC18采用最為經(jīng)濟(jì)的微型可編程控制器MicroLogix1000，其它控制器均選取用可編程控制器SLC5/04，用于1#、6#配水泵的變頻器采用A-B公司1336Plus變頻器，其它配水泵和水源井都采用A-B公司具有泵控功能的SMC Dialog plus智能馬達(dá)控制器，HMI操作站選用研華586工控機(jī)，ADS服務(wù)器采用惠普HP E60服務(wù)器，工控機(jī)、服務(wù)器的DH+通訊接口卡采用A-B公司的1784-KTX，無線通訊電臺(tái)采用深圳華夏盛公司數(shù)字電臺(tái)WDS 2710。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3.2 控制系統(tǒng)監(jiān)控組態(tài)軟件
水廠的人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由位于中控室的兩套R(shí)SView32計(jì)算機(jī)操作站和位于綜合樓的基于客戶/服務(wù)器RSView32活動(dòng)顯示系統(tǒng)（ADS）組成。操作站安裝Windows95操作系統(tǒng)作為RSView32運(yùn)行平臺(tái)，ADS服務(wù)器安裝Windows NT Server運(yùn)行平臺(tái)，ADS客戶端安裝Windows98中文版操作系統(tǒng)作為RSView32 ADS Client運(yùn)行平臺(tái)。RSView32是羅克韋樂自動(dòng)化軟件公司采用開放技術(shù)，以MFC（微軟基礎(chǔ)級(jí)）、DCOM（分布元件對象）組件技術(shù)為基礎(chǔ)的人機(jī)監(jiān)控軟件，是第一個(gè)在圖形顯示中利用ActiveX、VBA、OPC的MMI產(chǎn)品，提供了監(jiān)視、控制及數(shù)據(jù)采集等全部功能，是一個(gè)使用方便、可擴(kuò)展性強(qiáng)、監(jiān)控性能高的監(jiān)控組態(tài)軟件。RSView32 ADS將RSView32功贖罪MMI軟件擴(kuò)展為客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。ADS服務(wù)器不僅可在現(xiàn)場，而且可以通過國際互聯(lián)網(wǎng)（Internet）在世界任何地方連接進(jìn)入。客戶端可以采用ADS軟件或Internet Explorer作為監(jiān)控軟件平臺(tái)。ADS最多可以同時(shí)支持20個(gè)特許的客戶連接。系統(tǒng)的安全策略利用Windows NT和RSView32提供的雙重安全功能，Windows NT在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)層面負(fù)責(zé)管理操作人員或系統(tǒng)管理員和登錄，而RSView32通過設(shè)置不同的安全級(jí)別在應(yīng)用層面對用戶的操作權(quán)限進(jìn)行控制，從而保證系統(tǒng)和正常操作，防止越權(quán)操作。
3.3 控制系統(tǒng)SCADA協(xié)議
A-B公司的可編程控制器SLC5/04和MicroLogix1000具有內(nèi)置的多功能的標(biāo)準(zhǔn)RS232接口通道0，通過該接口可以和編程器連接進(jìn)行編程，也可以建立DH485網(wǎng)絡(luò)，還可以實(shí)現(xiàn)SCADA系統(tǒng)功能。該RS232接口有兩種工作方式，一種是系統(tǒng)方式，另一種是用戶方式，系統(tǒng)方式支持DH485和DFI通訊協(xié)議，用戶方式支持標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼方式，通訊速率從110bps到19.2bps可組態(tài)。DFI協(xié)議是A-B公司PLC系統(tǒng)廣泛支持的通訊協(xié)議，包括各系列PLC及裝有RS Linx通訊軟件的計(jì)算機(jī)均支持DFI協(xié)議，通過該協(xié)議可以構(gòu)成基于PLC的SCADA系統(tǒng)。DFI協(xié)議支持點(diǎn)對點(diǎn)全雙工通訊模式以及點(diǎn)對多點(diǎn)半雙工主從通訊模式，DFI主從通訊方式支持包括主站在內(nèi)的多達(dá)255個(gè)站，站地址為0-255。SLC5/04通道0可組態(tài)選擇DFI全雙工，DFI半雙工主或DFI半雙工從，MicroLogix1000通道0可選擇DFI全雙工或DFI半雙工從。楊莊水廠無線通訊SCADA系統(tǒng)采用點(diǎn)對多點(diǎn)半雙工通訊模式，PLC1作為主站采用DFI半雙工主通訊方式，其它PLC控制器作為從站采用DFI半雙工從通訊方式，主站PLC采用對各從站輪詢方式并通過信息（MSG）指令來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的。DFI主從通訊方式不僅能實(shí)現(xiàn)主站與從站的通訊，而且能實(shí)現(xiàn)從站與從站的通訊。主站對從站的通訊可組態(tài)面基于信息的輪詢方式或標(biāo)準(zhǔn)的輪詢方式。
4、 控制系統(tǒng)功能
4.1 可靠的控制策略
互為備用。在控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)上，各配水泵、輸水泵都具有獨(dú)立的控制功能互為備用，相互之間既可以在自動(dòng)控制方式下實(shí)現(xiàn)任意組合聯(lián)鎖控制，也可以地手動(dòng)控制方式下獨(dú)立控制。中控室的兩臺(tái)操作站具有同等的功能且互為熱備，當(dāng)一臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)也不會(huì)影響水廠的操作。水源井PLC通訊采用了互為備用的DH+有線和DFI無線通訊。
就地和遠(yuǎn)程控制方式。各配水泵、輸水泵通過配水泵控制柜上的選擇開關(guān),可以選擇就地控制方式和遠(yuǎn)程控制方式。遠(yuǎn)程控制是通過計(jì)算機(jī)操作站由PLC控制泵啟停，就地控制是用控制柜或現(xiàn)場操作箱上的按鈕控制泵的啟停。當(dāng)PLC處于編程狀態(tài)或出現(xiàn)故障時(shí)可以采用就在控制方式。就地和遠(yuǎn)程控制方式相互切換不會(huì)影響泵的運(yùn)行。
4.2 配水泵的控制
手動(dòng)控制。各配水泵在遠(yuǎn)程控制方式下分手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。手動(dòng)控制是由操作員根據(jù)管網(wǎng)的壓力情況對配水泵進(jìn)行啟動(dòng)和停止操作。遠(yuǎn)程控制方式下配水泵與電動(dòng)閥的聯(lián)鎖控制都由PLC自動(dòng)完成。
自動(dòng)控制。PLC根據(jù)出水壓力和變頻器的輸出頻率，處于自動(dòng)方式的配水泵進(jìn)行循環(huán)啟停控制，循環(huán)啟停控制的規(guī)則是先開先停。
4.3 水源井輸水泵的控制
手動(dòng)控制。操作員根據(jù)清水池液位對輸水泵進(jìn)行啟動(dòng)和停止操作。
自動(dòng)控制。PLC根據(jù)清水池液位及各輸水泵起動(dòng)水位和停止水位，對處于自動(dòng)方式的輸水泵進(jìn)行啟動(dòng)和停止操作。
4.4 出水壓力變參數(shù)PID調(diào)節(jié)
出水壓力的調(diào)節(jié)是通過變頻器控制配水泵的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)場調(diào)試中，我們發(fā)現(xiàn)固定參數(shù)的PID調(diào)節(jié)不能解決供水高峰的出水壓力控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性問題。我們通過采用變參數(shù)PID調(diào)節(jié)方法很好地解決了這一問題。變參數(shù)PID調(diào)節(jié)是根據(jù)出水流量的大小采用不同的PID參數(shù)進(jìn)行出水壓力調(diào)節(jié)。
4.5 出水壓力自動(dòng)設(shè)定
配水管網(wǎng)的壓力損失大小隨著供水量的變化而不同，供水量越大壓力損失也越大。力了達(dá)到既滿足用戶對水壓穩(wěn)定的要求又能實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)，我們根據(jù)出水量、出水壓力及各測壓點(diǎn)壓力測量值，采用模糊控制的方法對出水壓力進(jìn)行自動(dòng)設(shè)定。
4.6 豐富的畫面顯示功能
在計(jì)算機(jī)操作站顯示的畫面有工藝流程主畫面、工藝流程分畫面、高低壓供電監(jiān)控畫面、設(shè)備操作畫面、趨勢圖、調(diào)用菜單畫面、報(bào)警畫面、報(bào)表畫面、防盜報(bào)警畫面。操作人員通過調(diào)用這些畫面可以全面地了解水廠的運(yùn)行情況，并且很方便地對設(shè)備操作。
4.7 故障診斷與報(bào)警處理功能
在各設(shè)備的操作畫面中都列出其起動(dòng)條件狀態(tài)，如：上電情況、通訊狀態(tài)、故障狀態(tài)、就地/遠(yuǎn)程狀態(tài)、熱繼狀態(tài)等。記錄報(bào)警發(fā)生時(shí)的有關(guān)信息，如：故障標(biāo)簽名稱、報(bào)警信息、故障報(bào)警時(shí)間、確認(rèn)報(bào)警時(shí)間等，并對報(bào)警信息進(jìn)行管理。
4.8 多重主設(shè)備保護(hù)功能
1336 Plus變頻器和SMC Dialog Plus智能馬達(dá)控制器提供了多重設(shè)備保護(hù)功能,如：過載、失速及堵轉(zhuǎn)、欠載、欠壓、過壓、電壓不平衡等保護(hù)。
4.9 報(bào)表功能
本系統(tǒng)輸出的報(bào)表有以下五種，即輸水工藝參數(shù)日報(bào)表、配水工藝參數(shù)日報(bào)表、輸水工藝參數(shù)月報(bào)表、配水工藝參數(shù)月報(bào)表、水廠工藝參數(shù)年報(bào)表。
4.10 遠(yuǎn)程監(jiān)控功能
采用基于客戶/服務(wù)器HMI組態(tài)軟件RSView32 ADS，實(shí)現(xiàn)了對水廠的遠(yuǎn)程監(jiān)控。操作人員可在中央控制室對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控、公司經(jīng)理、廠長、工程師坐在辦公室甚至在家里也可以監(jiān)控水廠的運(yùn)行情況。
5、 結(jié)束語
本系統(tǒng)在該水廠已穩(wěn)定運(yùn)行三年多，運(yùn)行結(jié)果表明羅克韋爾自動(dòng)化的PLC基于SCADA系統(tǒng)能充分滿足對水廠控制系統(tǒng)的要求，對水廠的安全運(yùn)行、提高供水質(zhì)量、節(jié)能降耗、優(yōu)化管理等方面起到了至關(guān)重要的作用。
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