摘 要：本文從沈陽開發區凈水廠一期的實際，從節約成本、合理利用二期現有的工業以太網絡，和監控組態軟件出發闡述了該水廠自動化控制系統的構成和設計結構，從硬件配置、通訊網絡、軟件設計等方面對該系統進行了分析和設計。 關鍵詞：自動控制;PLC;以太網;監控組態;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 　　沈陽開發區水廠座落在沈陽開發區產業集群區，一期于2001年5月建成投產，分為主廠區和深水井區。主廠區占地面積近2萬平方米，設計規模為6萬米3/日，主要靠人為手動控制，沒有上自動控制系統。二期坐落主廠區于2007年12月建成投產，隨著自動化控制技術高度發展和網絡技術的日益成熟，新一代的水廠控制系統必然會取代以往的比較簡單的控制方式，以方便進行大規模集中控制。以下是針對沈陽開發區水廠的一期PLC自動化控制系統的設計要求及設計方案。 2 工藝流程及設計要求 　　2.1 控制要求 　　根據工藝流程及構筑物的地理分布，自動化控制系統主要完成加氯間、凈水車間和送水泵房的管理和工藝流程的自動控制。系統采用“集中監測, 分散控制”的方式, 由廠級中央監控工作站、現場分散控制站和生產現場設備組成全廠工業控制系統。 　　自動檢測的主要工藝參數有：進水濁度、PH值、電導率，進水流量、壓力，反沖洗水泵閥門開啟位置、運行狀態，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。 　　檢測的電氣參數有：配電系統的電壓、電流、有功/有功電度、無功/無功電度等。 　　2.2 通訊網絡要求 　　通訊系統分管理級和控制級，管理級選用100M工業以太網，通訊介質為光纖。控制級選用工業網，通過專用屏蔽電纜進行通訊。 　　2.3 硬件要求 　　系統采用PLC+PC的方式進行控制。PLC完成具體的控制和監測，PC機利用組態軟件實現監控、報警、統計和報表打印等功能。 　　2.4 軟件要求 　　全廠生產管理層和生產過程監控層采用組態軟件編制出便于管理和監控的軟件界面，生產現場設備層采用PLC的梯形圖程序設計出符合生產工藝環節的過程控制軟件。 3 設計任務分析 　　從水廠生產實際情況和在自控系統中的作用來看，水廠自控系統由生產現場設備層、生產過程監控層和全廠生產管理層三個層次組成。 [align=center] 圖1 水廠自控系統組成[/align] 　　生產現場設備層包括加氯間、凈水車間和送水泵房的微型PLC和相關電機和儀表設備。 　　生產過程監控層由PLC控制系統及其控制網絡，它主要實現對生產現場設備層受控對象的控制、狀態監視、數據采集、故障報警處理等功能，是自控系統的核心部分，包含有凈水車間PLC1分站和送水泵房PLC2分站。 　　全廠生產管理層包括中心控制室、廠長室，主要負責全廠生產過程狀態的監視和掌握以及故障報警、生產數據分析和報表生成等，必要時可以參與遠程控制。 4 系統設計 　　4.1 設計原則 　　遵循先進性、實用性、可靠性、經濟性、開放性的原則，滿足供水工程生產管理和水處理工藝對自動化控制的要求。實現“集中監控和管理、分散控制、數據共享”，以保證整個水廠的運行協調、一致。 　　4.2 系統配置圖 [align=center] 圖2水廠自控系統配置[/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 具體設計 　　5.1 中央監控系統 　　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的中心控制室，負責全廠各工況的集中控制、監視和管理，通過以太網和現場控制操作站進行信息交換，具有多種畫面功能，便于集中監視管理。4#上位機主要監控二期的凈水車間、清水池、送水泵站及相關配套設備的工藝流程及進廠、出廠水的各項工藝、電氣等參數，并負責打印各種報表、輸出數據等。與公司調度管理系統預留通訊接口，可對與水廠供水范圍內的管網系統中的各類設備狀態、工藝過程參數進行實時檢測與監控。通過廠內實時通信網與各現場站通訊，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#上位機主要監控一期的凈水車間、清水池、送水泵站及相關配套設備的工藝流程及進廠、出廠水的各項工藝、電氣等參數，并負責打印各種報表、輸出數據等，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;當主站恢復正常時，首先要將故障期間系統需存儲的歷史趨勢數據、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，由主站繼續控制整個系統，備站重新回到熱備狀態，并連續地以主站為數據源同步更新所有數據。 　　中央監控計算機選擇運行速度快、性能穩定的計算機，監控軟件選擇組態靈活、功能強大、界面人性化且在給排水行業內獲得了成功運用的軟件包。 　　中央監控系統主要功能: 　　遠程監控各PLC現場子站，實時接收PLC采集的各種數據，建立全廠檢測參數數據庫;處理并顯示各種數據。 　　監測全廠工藝流程和各細部的動態模擬圖形。 　　從檢測項目中，按需要顯示歷史記錄和趨勢分析曲線。 　　重要設備主要參數的工況及事故報警、打印制表。 　　編制和打印生產日、月、年統計報表。 　　在投影屏上實時顯示工藝流程及各種設備的工作狀態、報警。 　　對各種數據實時存儲。 　　5.2 現場監控系統 　　由凈水車間監控站和送水泵房監控站組成。 　　凈水車間監控站：負責管理PLC1分站。設在凈水間控制室，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#上位機主要實現凈水車間的電控設備、工藝流程中的自動控制和主要參數的自動檢測、監視等，并負責打印各種報表、輸出數據等。2#上位機主要負責凈水車間各項電控設備及工藝流程主要參數的自動檢測、監視等。兩臺上位機互為熱備。 　　送水泵房監控站：負責管理PLC2分站。設在送水泵房控制室，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、電氣主要參數和狀態進行自動檢測和監視，對水泵、閥門進行操作控制和監視，根據出水壓力參與水泵的變頻調速控制等。 　　5.3 現場設備控制單元 　　是最貼近被控現場的控制設備。設計中采用微型PLC作為現場設備控制單元，通過工業現場總線接口與現場控制站進行數據交換。微型PLC由電源模塊、通訊模塊、數字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊等構成，通過總線方式控制閥門的啟閉，采集閥門及水泵、儀表的運行狀態和參數。 　　⑴ 凈水車間的濾池微型PLC控制系統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備的運行狀態和出口壓力，并做相應的調節，實現過濾及反沖洗過程的監測及自動控制，操作員亦能人工操作手動控制。 　　① 實現的控制功能： 　　主要功能：每格濾池反沖洗周期，每格濾池水位監測、水頭損失監測、反沖洗泵出口壓力。 　　主要監控設備：濾池進水閥、出水閥、排水閥、反沖進水閥、反沖洗泵、12個濾池。 　　② 主要工況的監測： 　　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、全關位、出水閥位、故障。 　　主要參數顯示：每個濾池水位、水頭損失。 　　③ 控制內容： 　　每格濾池運行控制：濾池在過濾過程中，PLC根據濾池液位，調節濾池出水閥的開度，保證池內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： 　　① 過濾周期：操作人員根據工藝上提出的要求，在PLC上設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定值進行比較，若兩值相等，濾池PLC向公共PLC發出沖洗請求。 　　② 水頭損失值：在PLC設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測定該格濾池的水頭損失值，PLC將其與設定值進行比較，若該值大于設定值，那么濾池PLC向公共PLC發出沖洗請求。 　　③ 強制方式：由操作人員根據現場需要，在濾池PLC上進行功能鍵操作，強制濾池PLC向公共PLC發出沖洗請求。 　　⑶ 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控，對水泵電機定子溫度、用電量進行監測，根據水廠要求的水量，繪制水泵并聯運行時的特性曲線，監測送水泵房變電系統及出廠水水質、流量、壓力、清水池和吸水井液位等。該站負責監控送水泵房變配電站系統及送水泵房內設備。 　　⑷ 加氯間微型PLC負責加氯設備的自動控制以及漏氯中和裝置和風機的運轉等，并做相應的調節，根據出廠水的余氯含量和流量自動控制加氯量，實現加氯和漏氯報警過程的監測及自動控制，操作員亦能人工操作手動控制。 　　主要監控設備：加氯機，漏氯中和裝置，軸流風機。 　　控制內容：采集余氯分析儀數據，控制加氯量，并根據漏氯報警器的狀態啟動氯中和裝置，定時運行軸流風機等。 　　5.4 通訊網絡 　　對于一個自動化工程，特別是對于中大規模控制系統來講，選擇網絡非常重要的。首先，網絡必須是開放的，以方便不同設備的集成及未來系統規模的擴展;其次，針對不同網絡層次的傳輸性能要求，選擇網絡的形式;再次綜合考慮系統成本、設備兼容性、現場環境適用性等具體問題，確定不同層次所使用的網絡標準。根據本廠已有的工業以太網一期工程改造采用： 　　凈水車間、送水泵房、中心控制室之間采用100M工業以太網連接，傳輸介質為光纖。PLC1與濾池、加氯間，以及PLC2與被控設備之間采用普通工業網連接，傳輸介質為屏蔽銅芯電纜。 　　5.5 軟件設計 　　采用強大功能的組態軟件進行整個水廠自動化控制系統的管理和維護，上位機的軟件實現以下功能： 　　動態流程畫面顯示：動態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。 　　動態數據顯示：各種模擬信號、開關信號、各類累計量信號的數值和范圍清單，通過滑標、按鈕、開關、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。 　　報表打印：即時報表、日報表、月報表、年報表。 　　控制調節功能：在動態流程圖和細部詳圖上能進行各種被控工藝參數設定值的調整，并能進行手動、自動切換及各設備的工況控制。 　　報警功能：故障發生時中控室及相應PLC發出聲響報警，控制軟件自動彈出相應故障點詳圖，顯示故障現象，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。 　　數據庫管理功能：能建立生產數據庫、操作信息庫、故障信息庫。 　　數據處理功能：能利用實時數據和歷史數據、計算主要生產指標。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。 　　為了方便工程師調試與二期選用相同的組態軟件Cimplicity6.0。 6 性能分析 　　6.1 系統的可靠性、穩定性和壽命周期 　　本系統組件的設計符合真正的工業等級，滿足國內、國際的安全標準。并且易配置、易接線、易維護、隔離性好，結構堅固，抗腐蝕，能適應較寬的溫度變化范圍。系統具備良好的電磁兼容性，能夠承受工業環境的嚴格要求，平均壽命大于15年。 　　6.2 系統的先進性與經濟性 　　本控制系統有一套完整的自我診斷功能，可以在系統運行中自動診斷出任何一個部件出現的故障，并且在監控軟件中及時、準確地反映出故障狀態、故障時間、故障地點以及相關信息。在系統發生故障后，I/O的狀態能夠返回到系統根據工藝要求預先設置的狀態上。 　　系統運行后可以方便、快捷、準確地控制生產各環節的運行，大大節約了人力資源，提高了生產效率。 　　6.3 擴展性和兼容性 　　本系統采用目前比較先進的主流產品，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，在設計時充分考慮了系統的擴展能力，在滿足現有功能要求的基礎上，保留有20%的系統冗余。 7 結束語 　　隨著該自動化系統的建成，水廠生產自動化將形成以生產過程的信息采集、信息集成和信息傳遞為主，并與企業的生產工藝調度、生產水質監控、自動投加藥等技術密切結合的生產自控信息網絡。促使水廠在生產、營銷和辦公等方面廣泛利用計算機和網絡技術，全方位優化企業，形成規范的、現代的信息化管理系統。從而降低生產成本和費用，提高企業的經濟效益和行業競爭力。 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用[M] ,北京:清華大學出版社,2002年 　　[4] 王衛星編著.可編程控制器原理及應用[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，沈陽建筑大學信息與控制工程學院，碩士，講師，主要研究智能控制系統。