基于現場(chǎng)總線(xiàn)的水廠(chǎng)水處理控制系統

　　概述
　　自來(lái)水廠(chǎng)水生產(chǎn)系統是一個(gè)多變量（如流量、溫度、壓力等）多任務(wù)（如水的輸送、投藥/加氯控制、格柵與排泥控制、濾池控制、出水泵起/?？刂?、壓力控制、數據管理等）多設備（如電機、閥門(mén)、泵等）并具有時(shí)變性、耦合性和隨機性的復雜非線(xiàn)性系統。圖1表示了凈水生產(chǎn)工藝流程。國內現有的自來(lái)水廠(chǎng)水生產(chǎn)系統大部分采用落后的常規儀表和后動(dòng)操作。近年來(lái)，也有采用DCS技術(shù)的計算機控制，取代了常規儀表和手動(dòng)操作，在實(shí)現水生產(chǎn)的分散自動(dòng)控制和集中監控方面，取得了一定的進(jìn)展。但基于DCS的系統存在一些重要缺陷，一方面傳統的DCS系統是自封閉式的集散系統，難以實(shí)現設備之間以及系統與外界之間的依靠交互和共享，使 自動(dòng)化系統成為"信息孤島"；另一方面傳統DCS系統的現場(chǎng)底層傳感器和數據采集器之間采用一對一物理連線(xiàn)和模擬信號傳輸導致大范圍布線(xiàn)，給現場(chǎng)施工帶來(lái)很大麻煩，同時(shí)，信號傳輸的抗干擾能力也較差。隨著(zhù)計算機技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是開(kāi)放系統互連協(xié)議（OSI）的制定和TCP/IP協(xié)議的廣泛應用，工控領(lǐng)域也不斷產(chǎn)生先進(jìn)的控制模式，逐步形成了以網(wǎng)絡(luò )集成自動(dòng)化系統為基礎的企業(yè)信息系統。現場(chǎng)總線(xiàn)（FIELDBUS）就是順應這一形勢發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/現場(chǎng)總線(xiàn)">現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，我們針對某水廠(chǎng)設計了現場(chǎng)總線(xiàn)水生產(chǎn)系統，它以PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)為核心，以智能設備PLC為控制主體，以IPC-610工控機和PC機為系統編程、組態(tài)、維護、監控和管理的一體化工作平臺。較好地解決了傳統DCS系統中存在的問(wèn)題，實(shí)現了水生產(chǎn)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )通信與計算機控制系統以及工業(yè)電視監視系統的集成。
　　　　　　　　　　　　　　　　
　　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)
　　現場(chǎng)總線(xiàn)是20世紀80年代中期在國際上發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的控制技術(shù)。目前國際上流行的現場(chǎng)總線(xiàn)主要有過(guò)程現場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS、基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)FF、LonWorks總線(xiàn)、CAN總線(xiàn)等，世界上許多自動(dòng)化技術(shù)生產(chǎn)商都推出了支持某種主流現場(chǎng)總線(xiàn)標準的產(chǎn)品。PROFIBUS是由Siemens等80家公司聯(lián)合制定的標準規范。近年來(lái)，PROFIBUS在眾多的現場(chǎng)總線(xiàn)應用中占居首位，已廣泛應用于加工制造自動(dòng)化、過(guò)程自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域。
　　PROFIBUS是一個(gè)多種協(xié)議并存的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，不同協(xié)議的數據在系統內透明傳輸，這使得PROFIBUS成為連接過(guò)去、現場(chǎng)和未來(lái)的一種十分有效的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。所以，在水廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )控制系統設計中，PROFIBUS成為當然的選擇。
　　
　　系統網(wǎng)絡(luò )結構設計
　　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的核心是網(wǎng)絡(luò )技術(shù)?？刂葡到y的計算機網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )，信息處理要滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性、完整性、一致性和可靠性的要求?；谒a(chǎn)系統的特點(diǎn)，系統采用了企業(yè)局域網(wǎng)（Enterprise LAN）和現場(chǎng)總線(xiàn)的集成化結構，實(shí)現了從現場(chǎng)測控到水廠(chǎng)內部信息管理系統的集成結構，實(shí)現了從現場(chǎng)測控到水廠(chǎng)內部信息管理系統的集成以及與水廠(chǎng)外部信息交互的集成。
　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　
　　整個(gè)系統中的管理工作站、生產(chǎn)調度工作站、監控工程師站、監控操作員站和數據管理服務(wù)器構成系統的生產(chǎn)和調度、計劃和管理、決策支持信息網(wǎng)絡(luò )層。該層網(wǎng)上傳遞的是管理數據，數據量較大，但實(shí)時(shí)性要求不是很高，所以采用以太網(wǎng)。為提高系統可靠性，防止由于通信電纜故障引起的數據丟失和失控現象，采用以工業(yè)以太網(wǎng)方式互連，使系統具有冗余功能。通過(guò)網(wǎng)絡(luò )能將水廠(chǎng)決策、計劃、管理、經(jīng)營(yíng)和調度等所有功能信息進(jìn)行有效地集成，使水廠(chǎng)各個(gè)職能部門(mén)和車(chē)間成為一個(gè)統一的整體。同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )也可以訪(fǎng)問(wèn)水源地的源水信息，實(shí)現大范圍的數據共享。系統網(wǎng)絡(luò )中各計算機的主要功能是：生產(chǎn)調度工作站的功能是實(shí)現水廠(chǎng)各車(chē)間生產(chǎn)調度自動(dòng)化，并自動(dòng)生成水生產(chǎn)安排業(yè)務(wù)單；管理工作站的作用是對系統實(shí)時(shí)數據和歷史數據的管理，生成水廠(chǎng)管理所必需的各種統計信息報表并打??；數據管理服務(wù)器選用大型數據庫SQL Server2000來(lái)完成對數據的管理，數據庫提供標準SQL查詢(xún)，并通過(guò)ODBC或DDE或其它數據庫連接；監控工程師站的作用是完成對系統工藝參數的設定和修改、報警上下限的設定、設備的組態(tài)以及系統運行、生產(chǎn)、報警歷史資料的顯示和查詢(xún)等功能；監控操作員站的作用是完成系統的數據采集與處理、數據存儲與交換及顯示等功能?！?
　　現場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò )層傳遞的是實(shí)時(shí)數據，數據量少，但實(shí)時(shí)性強。所以，現場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò )選用PROFIBUS。
　　主控PLC之間可以通過(guò)PROFIBUS-FMS互連，同時(shí)也與以太網(wǎng)互連，主控PLC與分控PLC控制單元通過(guò)PROFIBUS-DP現場(chǎng)總線(xiàn)相連。各分控PLC可以獨立工作。采用PROFIBUS-DP能使分控PLC、變頻器、軟啟動(dòng)器、各種智能傳感器和外圍I/O設備等同主控PLC或計算機聯(lián)網(wǎng)。PROFIBUS-FMS用于現場(chǎng)控制單元網(wǎng)絡(luò )的通信任務(wù)。
　　PROFIBUS網(wǎng)絡(luò )設備主要由通信處理器CP（Communication Processor）和網(wǎng)絡(luò )介質(zhì)組成。通信處理器用于總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和點(diǎn)到點(diǎn)通信，通RS485接口使系統與其它廠(chǎng)商的總線(xiàn)系統互連，并能使系統中的主要現場(chǎng)設備，如變頻器、軟啟動(dòng)器等實(shí)現即插即用。另外，該網(wǎng)絡(luò )結構還應包括工業(yè)電視監視系統，它由工業(yè)攝像機、鏡頭、云臺、視頻矩陣切換器、工業(yè)監視器、室外解碼器和錄像機等硬件設備配以多媒體軟件組成，完成對水生產(chǎn)工藝過(guò)程的重要工位進(jìn)行監視管理。
　　系統功能描述
　　基于PROFIBUS設計的水處理網(wǎng)絡(luò )控制系統主要具有如下功能：
　?。?、格柵與排泥控制
　　格柵間有4臺格柵機，由一臺輸入點(diǎn)數為32、輸出點(diǎn)數為16的SIEMENS S7-300PLC來(lái)控制，控制方式有自動(dòng)和手動(dòng)。在自動(dòng)方式下，系統根據PLC中設定的定時(shí)值以及格柵前后水位差來(lái)自動(dòng)控制格柵機的動(dòng)作。吸砂機的工作狀態(tài)也由PLC檢測和控制。沉淀池PLC根據水濁度高低，設定吸泥機運行周期時(shí)間和運行方式，濁度高時(shí)，雙程吸泥，運行時(shí)間長(cháng)；濁度低時(shí)，單程吸泥，運行時(shí)間短。
　?。?、投藥加氯控制
　　　投藥/加氯控制系統的輸入輸出點(diǎn)數較多，選用一臺輸入點(diǎn)數為192、輸出點(diǎn)數為192的SIEMENS S7-400 PLC來(lái)控制。
　　投藥間有混凝劑加計量泵8臺，助凝劑投加計量泵8臺。每臺計量泵均用一臺交流變頻調速器驅動(dòng)，兩種投加計量均為6臺工作、2臺備用。6臺計量泵對應6組反應池，一對一投加混凝劑和助凝劑。投藥控制是水廠(chǎng)水處理的關(guān)鍵環(huán)節，它是一個(gè)大延時(shí)強耦合的非線(xiàn)性系統，在技術(shù)上有一定難度。我們設計了自學(xué)習模糊控制算法，系統根據PLC采集的原水溫度、濁度、PH值等參數的大小，經(jīng)自學(xué)習模糊控制器調整后，由PLC控制交流變頻調速器的工作狀態(tài)改變計量泵的頻率和沖程，以此控制計量泵的頻率和沖程，以此控制計量泵投藥量的大小，控制效果較好。加氯間有7臺真空式V型槽加氯機，其中4臺負責進(jìn)水管處的前加氯，其余3臺加氯機作為消毒加氯（后加氯）用，消毒加氯采用流量、余氯復合閉環(huán)控制方式（2臺工作，1臺備用），向2個(gè)濾池出水管處加氯消毒。另外，投藥/加氯主控PLC還要擔負投藥間的干粉溶解、加氯間的氯氣瓶切換、漏氣報警和安全控制等任務(wù)。
　
　?。?、濾池控制
　　濾池控制是水廠(chǎng)自動(dòng)控制系統中最主要的控制環(huán)節，按其過(guò)程可以分為過(guò)濾過(guò)程控制和反沖過(guò)程控制。由于濾池個(gè)數多且每個(gè)濾池I/O點(diǎn)數較少，選用25臺輸入輸出點(diǎn)數均為16的SIEMENS S7-300 PLC來(lái)控制。在過(guò)濾過(guò)程中，各濾池的PLC能根據對應濾池的水位、阻塞值以及運行時(shí)間自動(dòng)調節各凈水閥開(kāi)啟度并使各濾池水位保持恒定。當阻塞值或濾池運行時(shí)間超設定值時(shí)，濾池PLC向反沖洗PLC發(fā)出反沖洗請求，當請求被允許之后，濾池進(jìn)入反沖洗過(guò)程。在反中洗過(guò)程中，反沖洗PLC需要控制反沖洗水的流量、反沖洗氣的壓力，并與對應濾池PLC配合控制反沖洗時(shí)間、漂洗時(shí)間以及反沖洗過(guò)程中有關(guān)閥門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉。
　?。?、水泵群控制
　　制作好的凈水要通過(guò)水泵輸入到水管道中。出水泵房共有8臺容量大小不等的水泵。系統用了一臺輸入點(diǎn)數為48、輸出點(diǎn)數為16的SIEMENS S7-300 PLC來(lái)控制。根據管網(wǎng)壓力和生產(chǎn)調度的要求系統能自動(dòng)完成開(kāi)泵和關(guān)泵過(guò)程。由于在開(kāi)閥或關(guān)閥時(shí)，管網(wǎng)壓力會(huì )突然變大或變小，為了避免因此而造成的誤動(dòng)作，系統設計時(shí)，對開(kāi)閥或關(guān)閥指令進(jìn)行記憶，在一定時(shí)間內系統自動(dòng)停止開(kāi)關(guān)閥門(mén)，等到管網(wǎng)壓力穩定后自動(dòng)繼續開(kāi)關(guān)閥門(mén)。同時(shí)，系統對閥門(mén)、機械、電路等多種故障具有監控報警功能。
　?。?、其他功能
　　系統除了具有以上控制功能外，還具有生產(chǎn)計劃與調度、信息管理與決策支持等管理功能，以及視頻監視功能等。
　　結論與展望
　　基于現場(chǎng)總線(xiàn)的水生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò )控制系統能有產(chǎn)地進(jìn)行工作，與傳統的方法相比，其最大的特點(diǎn)是造價(jià)低、功能強、結構靈活實(shí)用、可靠性高、安裝調試簡(jiǎn)單且開(kāi)發(fā)和維護費用低，根據不同的現場(chǎng)情況與用戶(hù)要求，系統可以擴展為不同的模式?，F場(chǎng)總線(xiàn)控制系統實(shí)現了現場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò )、自動(dòng)控制系統和計算機網(wǎng)絡(luò )的有效無(wú)縫集成，從本質(zhì)上完成現場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò )、現場(chǎng)設備互連、通信線(xiàn)供電、統一組態(tài)、開(kāi)放式互連網(wǎng)絡(luò )等功能。
　　現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統將為工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)的全面自動(dòng)化和遠程控制提供強大的基礎．