摘要:本文通過分析水廠對控制系統的功能要求,介紹了羅克韋爾自動化的基于PLC的SCADA系統和RSView32人機監控組態軟件及其活動顯示系統在水廠的應用。
1、引言
自來水廠的制水過程是從水源地取水經輸水管網至水廠經處理達標后通過配水管網送至用戶。北京市石景山區楊莊水廠是以地下水為水源的水廠，規劃供水管線39千米，其中輸水管線4千米，配水管網35千米，工期工程設計供水能力為5萬噸/日，1998年月12月正式供水。該廠有10口水源井、1口補壓井及1 配個水廠，水源井潛水泵電動機容量為6臺85KW、4臺45KW，補壓井為45KW，配水廠內有配水泵房一座、清水池兩座、變電站一個、加氯間一座、綜合樓一座，配水泵房內有6臺160KW配水泵，其中2臺為變頻調速泵，4臺工頻泵，由兩路10KV/0.4KV容量為800KVA變壓器，加氯間有3臺加氯機，配水管網設有8個遠端壓力測量點。
我們針對水廠制水過程的特點和對控制系統的功能要求，并根據該廠的具體情況，最終決定采用羅克韋樂自動化的基于PLC的SCADA系統和基于客戶/服務器HMI組態軟件RSView32活動顯示系統（Active Display System ,ADS）
2、水廠對控制系統的要求
2.1、分散性
水廠最大的特點是地域極為分散。通常水源地、補壓井、測壓點距離廠區幾公里甚至幾十公里，這樣就造成控制系統I/O點分散，因此需要分布式的具有SCADA功能的控制系統。此外，控制功能也具有分散性，如各配水泵、水源井能分別地，互不影響地進行起動或停止控制。
2.2 集中監控
為了節省人力，降低制水成本，水源井、補壓井等應常常是無人值守，操作人需要在中控室對整個水廠進行集中監控。
2.3 小型化、集成化
以水源井為例，泵房內通常有一口號或兩口井，對一臺或兩臺泵的控制點數很少，對于管網測壓點也很少。因此為了降低系統造價，控制系統需要小型化、低成本的具有集成SCADA通訊功能的控制器。
2.4 適應性
通常水源井泵房內環境溫度一年四季變化很大，對于北方地區更是如此，此外供水量隨著季節和白天夜晚有很大變化，控制系統應能適應環境和供水量的變化，保持穩定供水。
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）的傳統應用領域，因此這也是目前水廠的控制系統廣泛采用PLC的原因。
2.6 可靠性、安全性
水廠的安全、穩定運行直接關系到千家萬戶，所以從控制系統的結構設計、軟硬件產品質量到控制程序編制等各個環節都必須是高可靠性的。
2.7 可維持性
系統在系統軟件、應用軟件和硬件方面具有強大的報警和故障自診斷功能，方便工程師對系統故障進行分析和維護。
2.8 可擴展性
系統應采用具有一定標準及應用較為廣泛的軟硬件產品，并考慮一定的余量，為將來水廠的擴建及系統的變更打下基礎。
2.9 開放性
開放性是用戶對控制系統的普遍需求。隨著計算機和網絡技術的發展和應用的普及，人們越來越需要過程控制系統與管理信息系統交互信息，從而實現管理與控制一體化。盡管各控制系統生產廠家在現場控制器模塊級還不可能完全開放或通用，但必須要求上位機監控系統具有開放性，例如：監控系統應基于微軟公司的WindowsNT、2000或9X平臺，支持各種規范的協議如OPC、ODBC、ActiveX、DDE等。
3、 控制系統構成
3.1 控制系統硬件
如下圖所示，楊莊水廠根據系統不同功能層次采用四種通信方式，共有19個PLC控制站構成控制系統。以太網用于系統的管理層，DH+網和無線通訊用于各PLC控制器及計算機操作站之間的控制層通訊，遠程I/O網用于配水廠PLC控制器與變頻器\軟起動器的設備層通訊,管理層與控制層通過服務器實現信息交互。DH+網和遠程I/O網采用屏蔽雙絞線進行通訊，具有連接方便、通訊距離遠的特點,是PLC通訊應用很廣的工業網絡,在通訊速度為57.6Kbps下，不加中繼可達10000英尺（3040米）加中繼可達12公里，DH+網可掛接64個控制器，遠程I/O網可掛接32個設備。無線通訊采用具有SCADA功能DF1主從通訊協議，PLC通過其標準RS232口與數傳電臺相連來實現無線通訊，通訊速率為9600bps/19200 bps。PLC1作為SCADA系統的主站用于控制和監測配水系統和供電系統，PLC2用于監控加氯系統，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#補壓井，PLC11~PLC18用于配水管網壓力監測，位于中控室的OS1、OS2計算機PLC00~PLC02控制器只采用DH+網進行通訊；3#水源井~9#水源井距廠區較遠，為了防止通訊電纜被意外切斷影響水廠的運行，PLC03~08控制器采用互為熱備的DH+網和無線通訊，通常性況下采用速度較高的DH+有線通訊，一旦DH+網通訊失敗，系統將自動轉換到DF1無線通訊；10#補壓井和測壓點距離廠區更遠，采用有線通訊方式代價太高，因此PLC10及PLC11~PLC18控制器只采用DF1無線通訊方式。
在控制系統中，用于配水管網壓力監測的PLC11~PLC18采用最為經濟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智能馬達控制器，HMI操作站選用研華586工控機，ADS服務器采用惠普HP E60服務器，工控機、服務器的DH+通訊接口卡采用A-B公司的1784-KTX，無線通訊電臺采用深圳華夏盛公司數字電臺WDS 2710。
系統結構圖 3.2 控制系統監控組態軟件
水廠的人機監控系統由位于中控室的兩套RSView32計算機操作站和位于綜合樓的基于客戶/服務器RSView32活動顯示系統（ADS）組成。操作站安裝Windows95操作系統作為RSView32運行平臺，ADS服務器安裝Windows NT Server運行平臺，ADS客戶端安裝Windows98中文版操作系統作為RSView32 ADS Client運行平臺。RSView32是羅克韋樂自動化軟件公司采用開放技術，以MFC（微軟基礎級）、DCOM（分布元件對象）組件技術為基礎的人機監控軟件，是第一個在圖形顯示中利用ActiveX、VBA、OPC的MMI產品，提供了監視、控制及數據采集等全部功能，是一個使用方便、可擴展性強、監控性能高的監控組態軟件。RSView32 ADS將RSView32功贖罪MMI軟件擴展為客戶/服務器結構。ADS服務器不僅可在現場，而且可以通過國際互聯網（Internet）在世界任何地方連接進入。客戶端可以采用ADS軟件或Internet Explorer作為監控軟件平臺。ADS最多可以同時支持20個特許的客戶連接。系統的安全策略利用Windows NT和RSView32提供的雙重安全功能，Windows NT在企業網絡系統層面負責管理操作人員或系統管理員和登錄，而RSView32通過設置不同的安全級別在應用層面對用戶的操作權限進行控制，從而保證系統和正常操作，防止越權操作。
3.3 控制系統SCADA協議
A-B公司的可編程控制器SLC5/04和MicroLogix1000具有內置的多功能的標準RS232接口通道0，通過該接口可以和編程器連接進行編程，也可以建立DH485網絡，還可以實現SCADA系統功能。該RS232接口有兩種工作方式，一種是系統方式，另一種是用戶方式，系統方式支持DH485和DFI通訊協議，用戶方式支持標準ASCII碼方式，通訊速率從110bps到19.2bps可組態。DFI協議是A-B公司PLC系統廣泛支持的通訊協議，包括各系列PLC及裝有RS Linx通訊軟件的計算機均支持DFI協議，通過該協議可以構成基于PLC的SCADA系統。DFI協議支持點對點全雙工通訊模式以及點對多點半雙工主從通訊模式，DFI主從通訊方式支持包括主站在內的多達255個站，站地址為0-255。SLC5/04通道0可組態選擇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系統采用點對多點半雙工通訊模式，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）指令來實現數據交換的。DFI主從通訊方式不僅能實現主站與從站的通訊，而且能實現從站與從站的通訊。主站對從站的通訊可組態面基于信息的輪詢方式或標準的輪詢方式。
4、 控制系統功能
4.1 可靠的控制策略
互為備用。在控制系統的功能設計上，各配水泵、輸水泵都具有獨立的控制功能互為備用，相互之間既可以在自動控制方式下實現任意組合聯鎖控制，也可以地手動控制方式下獨立控制。中控室的兩臺操作站具有同等的功能且互為熱備，當一臺出現故障時也不會影響水廠的操作。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,可以選擇就地控制方式和遠程控制方式。遠程控制是通過計算機操作站由PLC控制泵啟停，就地控制是用控制柜或現場操作箱上的按鈕控制泵的啟停。當PLC處于編程狀態或出現故障時可以采用就在控制方式。就地和遠程控制方式相互切換不會影響泵的運行。
4.2 配水泵的控制
手動控制。各配水泵在遠程控制方式下分手動控制和自動控制。手動控制是由操作員根據管網的壓力情況對配水泵進行啟動和停止操作。遠程控制方式下配水泵與電動閥的聯鎖控制都由PLC自動完成。
自動控制。PLC根據出水壓力和變頻器的輸出頻率，處于自動方式的配水泵進行循環啟停控制，循環啟停控制的規則是先開先停。
4.3 水源井輸水泵的控制
手動控制。操作員根據清水池液位對輸水泵進行啟動和停止操作。
自動控制。PLC根據清水池液位及各輸水泵起動水位和停止水位，對處于自動方式的輸水泵進行啟動和停止操作。
4.4 出水壓力變參數PID調節
出水壓力的調節是通過變頻器控制配水泵的轉速來實現。在現場調試中，我們發現固定參數的PID調節不能解決供水高峰的出水壓力控制動態響應和穩定性問題。我們通過采用變參數PID調節方法很好地解決了這一問題。變參數PID調節是根據出水流量的大小采用不同的PID參數進行出水壓力調節。
4.5 出水壓力自動設定
配水管網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。力了達到既滿足用戶對水壓穩定的要求又能實現節能降耗的目標，我們根據出水量、出水壓力及各測壓點壓力測量值，采用模糊控制的方法對出水壓力進行自動設定。
4.6 豐富的畫面顯示功能
在計算機操作站顯示的畫面有工藝流程主畫面、工藝流程分畫面、高低壓供電監控畫面、設備操作畫面、趨勢圖、調用菜單畫面、報警畫面、報表畫面、防盜報警畫面。操作人員通過調用這些畫面可以全面地了解水廠的運行情況，并且很方便地對設備操作。
4.7 故障診斷與報警處理功能
在各設備的操作畫面中都列出其起動條件狀態，如：上電情況、通訊狀態、故障狀態、就地/遠程狀態、熱繼狀態等。記錄報警發生時的有關信息，如：故障標簽名稱、報警信息、故障報警時間、確認報警時間等，并對報警信息進行管理。
4.8 多重主設備保護功能
1336 Plus變頻器和SMC Dialog Plus智能馬達控制器提供了多重設備保護功能,如：過載、失速及堵轉、欠載、欠壓、過壓、電壓不平衡等保護。
4.9 報表功能
本系統輸出的報表有以下五種，即輸水工藝參數日報表、配水工藝參數日報表、輸水工藝參數月報表、配水工藝參數月報表、水廠工藝參數年報表。
4.10 遠程監控功能
采用基于客戶/服務器HMI組態軟件RSView32 ADS，實現了對水廠的遠程監控。操作人員可在中央控制室對生產過程進行監控、公司經理、廠長、工程師坐在辦公室甚至在家里也可以監控水廠的運行情況。
5、 結束語
本系統在該水廠已穩定運行三年多，運行結果表明羅克韋爾自動化的PLC基于SCADA系統能充分滿足對水廠控制系統的要求，對水廠的安全運行、提高供水質量、節能降耗、優化管理等方面起到了至關重要的作用。
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