摘 要：本文從沈陽開發(fā)區(qū)凈水廠一期的實際，從節(jié)約成本、合理利用二期現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，和監(jiān)控組態(tài)軟件出發(fā)闡述了該水廠自動化控制系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計結(jié)構(gòu)，從硬件配置、通訊網(wǎng)絡(luò)、軟件設(shè)計等方面對該系統(tǒng)進行了分析和設(shè)計。 關(guān)鍵詞：自動控制;PLC;以太網(wǎng);監(jiān)控組態(tài);升級改造

Shenyang Development Zone Waterworks upgrading of the Automatic Control System

Abstract：This article introduced the Shenyang development zone water purification plants of the actual works，from the cost savings，rational use of the 2nd existing industrial Ethernet， and monitoring software based on the configuration of the water plant automation control system of composition and design of the structure， analysis and design with the hardware， communications networks，software design and other aspects of the system。 Key words：Automatic Control; PLC; Ethernet;monitoring configuration; upgrading 1 引言 　　沈陽開發(fā)區(qū)水廠座落在沈陽開發(fā)區(qū)產(chǎn)業(yè)集群區(qū)，一期于2001年5月建成投產(chǎn)，分為主廠區(qū)和深水井區(qū)。主廠區(qū)占地面積近2萬平方米，設(shè)計規(guī)模為6萬米3/日，主要靠人為手動控制，沒有上自動控制系統(tǒng)。二期坐落主廠區(qū)于2007年12月建成投產(chǎn)，隨著自動化控制技術(shù)高度發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟，新一代的水廠控制系統(tǒng)必然會取代以往的比較簡單的控制方式，以方便進行大規(guī)模集中控制。以下是針對沈陽開發(fā)區(qū)水廠的一期PLC自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計要求及設(shè)計方案。 2 工藝流程及設(shè)計要求 　　2.1 控制要求 　　根據(jù)工藝流程及構(gòu)筑物的地理分布，自動化控制系統(tǒng)主要完成加氯間、凈水車間和送水泵房的管理和工藝流程的自動控制。系統(tǒng)采用“集中監(jiān)測, 分散控制”的方式, 由廠級中央監(jiān)控工作站、現(xiàn)場分散控制站和生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備組成全廠工業(yè)控制系統(tǒng)。 　　自動檢測的主要工藝參數(shù)有：進水濁度、PH值、電導(dǎo)率，進水流量、壓力，反沖洗水泵閥門開啟位置、運行狀態(tài)，濾池出水濁度，濾池單池水頭損失（差壓），清水池液位等，水廠總出水流量、壓力、濁度、PH值、余氯等。 　　檢測的電氣參數(shù)有：配電系統(tǒng)的電壓、電流、有功/有功電度、無功/無功電度等。 　　2.2 通訊網(wǎng)絡(luò)要求 　　通訊系統(tǒng)分管理級和控制級，管理級選用100M工業(yè)以太網(wǎng)，通訊介質(zhì)為光纖?？刂萍夁x用工業(yè)網(wǎng)，通過專用屏蔽電纜進行通訊。 　　2.3 硬件要求 　　系統(tǒng)采用PLC+PC的方式進行控制。PLC完成具體的控制和監(jiān)測，PC機利用組態(tài)軟件實現(xiàn)監(jiān)控、報警、統(tǒng)計和報表打印等功能。 　　2.4 軟件要求 　　全廠生產(chǎn)管理層和生產(chǎn)過程監(jiān)控層采用組態(tài)軟件編制出便于管理和監(jiān)控的軟件界面，生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備層采用PLC的梯形圖程序設(shè)計出符合生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)的過程控制軟件。 3 設(shè)計任務(wù)分析 　　從水廠生產(chǎn)實際情況和在自控系統(tǒng)中的作用來看，水廠自控系統(tǒng)由生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備層、生產(chǎn)過程監(jiān)控層和全廠生產(chǎn)管理層三個層次組成。 [align=center] 圖1 水廠自控系統(tǒng)組成[/align] 　　生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備層包括加氯間、凈水車間和送水泵房的微型PLC和相關(guān)電機和儀表設(shè)備。 　　生產(chǎn)過程監(jiān)控層由PLC控制系統(tǒng)及其控制網(wǎng)絡(luò)，它主要實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備層受控對象的控制、狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集、故障報警處理等功能，是自控系統(tǒng)的核心部分，包含有凈水車間PLC1分站和送水泵房PLC2分站。 　　全廠生產(chǎn)管理層包括中心控制室、廠長室，主要負責全廠生產(chǎn)過程狀態(tài)的監(jiān)視和掌握以及故障報警、生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析和報表生成等，必要時可以參與遠程控制。 4 系統(tǒng)設(shè)計 　　4.1 設(shè)計原則 　　遵循先進性、實用性、可靠性、經(jīng)濟性、開放性的原則，滿足供水工程生產(chǎn)管理和水處理工藝對自動化控制的要求。實現(xiàn)“集中監(jiān)控和管理、分散控制、數(shù)據(jù)共享”，以保證整個水廠的運行協(xié)調(diào)、一致。 　　4.2 系統(tǒng)配置圖 [align=center] 圖2水廠自控系統(tǒng)配置[/align] 　　4.3 硬件配置 　　上位機選用研華P4工控機，打印機為HP1320黑白激光打印機，投影儀為日立3180型，PLC主站選用GE Fanuc 90-30系列,從站選用GE VermaxE05，觸摸屏用臺灣WEINVIEW MT510TV。 5 具體設(shè)計 　　5.1 中央監(jiān)控系統(tǒng) 　　由4#、5#、6#三臺上位機、一臺打印機、一臺投影儀組成，帶有操作顯示終端。由于二期工程已有一臺打印機、兩臺工控機和一臺投影儀，只需一臺工控機。 　　該控制室為整個系統(tǒng)的中心控制室，負責全廠各工況的集中控制、監(jiān)視和管理，通過以太網(wǎng)和現(xiàn)場控制操作站進行信息交換，具有多種畫面功能，便于集中監(jiān)視管理。4#上位機主要監(jiān)控二期的凈水車間、清水池、送水泵站及相關(guān)配套設(shè)備的工藝流程及進廠、出廠水的各項工藝、電氣等參數(shù)，并負責打印各種報表、輸出數(shù)據(jù)等。與公司調(diào)度管理系統(tǒng)預(yù)留通訊接口，可對與水廠供水范圍內(nèi)的管網(wǎng)系統(tǒng)中的各類設(shè)備狀態(tài)、工藝過程參數(shù)進行實時檢測與監(jiān)控。通過廠內(nèi)實時通信網(wǎng)與各現(xiàn)場站通訊，提供給操作人員、管理人員良好的進行運行管理的人機界面，并且在此可完成實時和定時的記錄報表打印。6#上位機主要監(jiān)控一期的凈水車間、清水池、送水泵站及相關(guān)配套設(shè)備的工藝流程及進廠、出廠水的各項工藝、電氣等參數(shù)，并負責打印各種報表、輸出數(shù)據(jù)等，5#上位機作為熱備。當主站由于故障不能通訊時，備站立即接管所有功能;當主站恢復(fù)正常時，首先要將故障期間系統(tǒng)需存儲的歷史趨勢數(shù)據(jù)、報警記錄等從備站補回，然后再將所有控制功能自動切換到主站，由主站繼續(xù)控制整個系統(tǒng)，備站重新回到熱備狀態(tài)，并連續(xù)地以主站為數(shù)據(jù)源同步更新所有數(shù)據(jù)。 　　中央監(jiān)控計算機選擇運行速度快、性能穩(wěn)定的計算機，監(jiān)控軟件選擇組態(tài)靈活、功能強大、界面人性化且在給排水行業(yè)內(nèi)獲得了成功運用的軟件包。 　　中央監(jiān)控系統(tǒng)主要功能: 　　遠程監(jiān)控各PLC現(xiàn)場子站，實時接收PLC采集的各種數(shù)據(jù)，建立全廠檢測參數(shù)數(shù)據(jù)庫;處理并顯示各種數(shù)據(jù)。 　　監(jiān)測全廠工藝流程和各細部的動態(tài)模擬圖形。 　　從檢測項目中，按需要顯示歷史記錄和趨勢分析曲線。 　　重要設(shè)備主要參數(shù)的工況及事故報警、打印制表。 　　編制和打印生產(chǎn)日、月、年統(tǒng)計報表。 　　在投影屏上實時顯示工藝流程及各種設(shè)備的工作狀態(tài)、報警。 　　對各種數(shù)據(jù)實時存儲。 　　5.2 現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng) 　　由凈水車間監(jiān)控站和送水泵房監(jiān)控站組成。 　　凈水車間監(jiān)控站：負責管理PLC1分站。設(shè)在凈水間控制室，主要由1#、2#兩臺上位機、一臺打印機組成，帶有操作顯示終端，1#上位機主要實現(xiàn)凈水車間的電控設(shè)備、工藝流程中的自動控制和主要參數(shù)的自動檢測、監(jiān)視等，并負責打印各種報表、輸出數(shù)據(jù)等。2#上位機主要負責凈水車間各項電控設(shè)備及工藝流程主要參數(shù)的自動檢測、監(jiān)視等。兩臺上位機互為熱備。 　　送水泵房監(jiān)控站：負責管理PLC2分站。設(shè)在送水泵房控制室，由3#上位機、一臺打印機組成，帶有操作顯示終端，對工藝、水質(zhì)、電氣主要參數(shù)和狀態(tài)進行自動檢測和監(jiān)視，對水泵、閥門進行操作控制和監(jiān)視，根據(jù)出水壓力參與水泵的變頻調(diào)速控制等。 　　5.3 現(xiàn)場設(shè)備控制單元 　　是最貼近被控現(xiàn)場的控制設(shè)備。設(shè)計中采用微型PLC作為現(xiàn)場設(shè)備控制單元，通過工業(yè)現(xiàn)場總線接口與現(xiàn)場控制站進行數(shù)據(jù)交換。微型PLC由電源模塊、通訊模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊等構(gòu)成，通過總線方式控制閥門的啟閉，采集閥門及水泵、儀表的運行狀態(tài)和參數(shù)。 　?、?凈水車間的濾池微型PLC控制系統(tǒng)負責檢測濾池的液位和水頭損失，并對每個濾池的電動閥門進行控制。同時設(shè)置一個公共的PLC1，對每格濾池工作所需的反沖洗泵及閥門等進行反沖洗的管理和控制，并向濾池發(fā)出反沖洗指令。每格濾池都有一個獨立的微型PLC，對該格濾池的工況進行監(jiān)控。每個微型PLC配備觸摸屏作為顯示和操作的界面，顯示濾池的工作情況和在必要時進行就地操作。 　　⑵ PLC1分站負責采集反沖洗水泵等設(shè)備的運行狀態(tài)和出口壓力，并做相應(yīng)的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)過濾及反沖洗過程的監(jiān)測及自動控制，操作員亦能人工操作手動控制。 　　① 實現(xiàn)的控制功能： 　　主要功能：每格濾池反沖洗周期，每格濾池水位監(jiān)測、水頭損失監(jiān)測、反沖洗泵出口壓力。 　　主要監(jiān)控設(shè)備：濾池進水閥、出水閥、排水閥、反沖進水閥、反沖洗泵、12個濾池。 　?、?主要工況的監(jiān)測： 　　每格濾池的工況：運行啟動、停用、請求沖洗、沖洗、故障。 　　每格濾池4個閥門的工況：全開位、全關(guān)位、出水閥位、故障。 　　主要參數(shù)顯示：每個濾池水位、水頭損失。 　?、?控制內(nèi)容： 　　每格濾池運行控制：濾池在過濾過程中，PLC根據(jù)濾池液位，調(diào)節(jié)濾池出水閥的開度，保證池內(nèi)液位在過濾過程中保持恒定。 　　反沖洗控制： 　　濾池PLC在控制濾池進行過程的同時，還在判斷濾池是否需要沖洗，濾池沖洗的條件有三個： 　?、?過濾周期：操作人員根據(jù)工藝上提出的要求，在PLC上設(shè)定濾池的最大過濾時間，在濾池開始過濾時，濾池PLC開始計時，并將實際的過濾時間與設(shè)定值進行比較，若兩值相等，濾池PLC向公共PLC發(fā)出沖洗請求。 　?、?水頭損失值：在PLC設(shè)定濾池的最大水頭損失值，當濾池過濾時，水頭損失傳感器連續(xù)測定該格濾池的水頭損失值，PLC將其與設(shè)定值進行比較，若該值大于設(shè)定值，那么濾池PLC向公共PLC發(fā)出沖洗請求。 　　③ 強制方式：由操作人員根據(jù)現(xiàn)場需要，在濾池PLC上進行功能鍵操作，強制濾池PLC向公共PLC發(fā)出沖洗請求。 　?、?PLC2通過控制5套水泵機組和出水閥門的操作，對5臺送水泵的電機的運行進行監(jiān)控，對水泵電機定子溫度、用電量進行監(jiān)測，根據(jù)水廠要求的水量，繪制水泵并聯(lián)運行時的特性曲線，監(jiān)測送水泵房變電系統(tǒng)及出廠水水質(zhì)、流量、壓力、清水池和吸水井液位等。該站負責監(jiān)控送水泵房變配電站系統(tǒng)及送水泵房內(nèi)設(shè)備。 　?、?加氯間微型PLC負責加氯設(shè)備的自動控制以及漏氯中和裝置和風(fēng)機的運轉(zhuǎn)等，并做相應(yīng)的調(diào)節(jié)，根據(jù)出廠水的余氯含量和流量自動控制加氯量，實現(xiàn)加氯和漏氯報警過程的監(jiān)測及自動控制，操作員亦能人工操作手動控制。 　　主要監(jiān)控設(shè)備：加氯機，漏氯中和裝置，軸流風(fēng)機。 　　控制內(nèi)容：采集余氯分析儀數(shù)據(jù)，控制加氯量，并根據(jù)漏氯報警器的狀態(tài)啟動氯中和裝置，定時運行軸流風(fēng)機等。 　　5.4 通訊網(wǎng)絡(luò) 　　對于一個自動化工程，特別是對于中大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)來講，選擇網(wǎng)絡(luò)非常重要的。首先，網(wǎng)絡(luò)必須是開放的，以方便不同設(shè)備的集成及未來系統(tǒng)規(guī)模的擴展;其次，針對不同網(wǎng)絡(luò)層次的傳輸性能要求，選擇網(wǎng)絡(luò)的形式;再次綜合考慮系統(tǒng)成本、設(shè)備兼容性、現(xiàn)場環(huán)境適用性等具體問題，確定不同層次所使用的網(wǎng)絡(luò)標準。根據(jù)本廠已有的工業(yè)以太網(wǎng)一期工程改造采用： 　　凈水車間、送水泵房、中心控制室之間采用100M工業(yè)以太網(wǎng)連接，傳輸介質(zhì)為光纖。PLC1與濾池、加氯間，以及PLC2與被控設(shè)備之間采用普通工業(yè)網(wǎng)連接，傳輸介質(zhì)為屏蔽銅芯電纜。 　　5.5 軟件設(shè)計 　　采用強大功能的組態(tài)軟件進行整個水廠自動化控制系統(tǒng)的管理和維護，上位機的軟件實現(xiàn)以下功能： 　　動態(tài)流程畫面顯示：動態(tài)顯示全廠工藝流程圖和各工藝單元流程圖，并能在流程圖上選擇彈出多級細部詳圖。 　　動態(tài)數(shù)據(jù)顯示：各種模擬信號、開關(guān)信號、各類累計量信號的數(shù)值和范圍清單，通過滑標、按鈕、開關(guān)、信號燈、顏色、百分比、填充等手段實時生動地表示出來。 　　趨勢曲線：顯示各主要工藝參數(shù)變化曲線，各種模擬量的歷史曲線、即時曲線圖，并能在一幅圖形上對比顯示多種參數(shù)。 　　報表打?。杭磿r報表、日報表、月報表、年報表。 　　控制調(diào)節(jié)功能：在動態(tài)流程圖和細部詳圖上能進行各種被控工藝參數(shù)設(shè)定值的調(diào)整，并能進行手動、自動切換及各設(shè)備的工況控制。 　　報警功能：故障發(fā)生時中控室及相應(yīng)PLC發(fā)出聲響報警，控制軟件自動彈出相應(yīng)故障點詳圖，顯示故障現(xiàn)象，并提示參考解決方案，中控室有語言提示，同時打印報警和故障記錄文件。 　　安全功能：按不同操作級別分級加密。并記錄操作人員工號和所有操作信息。 　　數(shù)據(jù)庫管理功能：能建立生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫、操作信息庫、故障信息庫。 　　數(shù)據(jù)處理功能：能利用實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)、計算主要生產(chǎn)指標。并進行配水電耗和單位配水電耗的成本分析和計算。 　　在線修改：能在線修改程序。 　　為了方便工程師調(diào)試與二期選用相同的組態(tài)軟件Cimplicity6.0。 6 性能分析 　　6.1 系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和壽命周期 　　本系統(tǒng)組件的設(shè)計符合真正的工業(yè)等級，滿足國內(nèi)、國際的安全標準。并且易配置、易接線、易維護、隔離性好，結(jié)構(gòu)堅固，抗腐蝕，能適應(yīng)較寬的溫度變化范圍。系統(tǒng)具備良好的電磁兼容性，能夠承受工業(yè)環(huán)境的嚴格要求，平均壽命大于15年。 　　6.2 系統(tǒng)的先進性與經(jīng)濟性 　　本控制系統(tǒng)有一套完整的自我診斷功能，可以在系統(tǒng)運行中自動診斷出任何一個部件出現(xiàn)的故障，并且在監(jiān)控軟件中及時、準確地反映出故障狀態(tài)、故障時間、故障地點以及相關(guān)信息。在系統(tǒng)發(fā)生故障后，I/O的狀態(tài)能夠返回到系統(tǒng)根據(jù)工藝要求預(yù)先設(shè)置的狀態(tài)上。 　　系統(tǒng)運行后可以方便、快捷、準確地控制生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的運行，大大節(jié)約了人力資源，提高了生產(chǎn)效率。 　　6.3 擴展性和兼容性 　　本系統(tǒng)采用目前比較先進的主流產(chǎn)品，具有很強的兼容性。為了保證在今后的擴建和改造時滿足控制要求，在設(shè)計時充分考慮了系統(tǒng)的擴展能力，在滿足現(xiàn)有功能要求的基礎(chǔ)上，保留有20%的系統(tǒng)冗余。 7 結(jié)束語 　　隨著該自動化系統(tǒng)的建成，水廠生產(chǎn)自動化將形成以生產(chǎn)過程的信息采集、信息集成和信息傳遞為主，并與企業(yè)的生產(chǎn)工藝調(diào)度、生產(chǎn)水質(zhì)監(jiān)控、自動投加藥等技術(shù)密切結(jié)合的生產(chǎn)自控信息網(wǎng)絡(luò)。促使水廠在生產(chǎn)、營銷和辦公等方面廣泛利用計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，全方位優(yōu)化企業(yè)，形成規(guī)范的、現(xiàn)代的信息化管理系統(tǒng)。從而降低生產(chǎn)成本和費用，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益和行業(yè)競爭力。 參考文獻： 　　[1] GE 90-30 plc使用手冊。 　　[2] GE cimplicity軟件入門。 　　[3] 路林吉、王堅、江龍康.可編程控制器原理及應(yīng)用[M] ,北京:清華大學(xué)出版社,2002年 　　[4] 王衛(wèi)星編著.可編程控制器原理及應(yīng)用[M] ,北京:中國水利水電出版社，2002年 　　作者簡介：張鳳眾，男，1974年生，沈陽建筑大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，碩士，講師，主要研究智能控制系統(tǒng)。