基于PLC和無(wú)線(xiàn)數傳的SCADA系統在水廠(chǎng)中應用

1、引言

自來(lái)水廠(chǎng)的制水過(guò)程是從水源地取水經(jīng)輸水管網(wǎng)至水廠(chǎng)經(jīng)處理達標后通過(guò)配水管網(wǎng)送至用戶(hù)。北京市石景山區楊莊水廠(chǎng)是以地下水為水源的水廠(chǎng)，規劃供水管線(xiàn)39千米，其中輸水管線(xiàn)4千米，配水管網(wǎng)35千米，工期工程設計供水能力為5萬(wàn)噸/日，1998年月12月正式供水。該廠(chǎng)有10口水源井、1口補壓井及1 配個(gè)水廠(chǎng)，水源井潛水泵電動(dòng)機容量為6臺85KW、4臺45KW，補壓井為45KW，配水廠(chǎng)內有配水泵房一座、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?jì)扔?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(wǎng)設有8個(gè)遠端壓力測量點(diǎn)。

我們針對水廠(chǎng)制水過(guò)程的特點(diǎn)和對控制系統的功能要求，并根據該廠(chǎng)的具體情況，最終決定采用羅克韋樂(lè )自動(dòng)化的基于PLC的SCADA系統和基于客戶(hù)/服務(wù)器HMI組態(tài)軟件RSView32活動(dòng)顯示系統（Active Display System ,ADS）

2、水廠(chǎng)對控制系統的要求

2.1、分散性

水廠(chǎng)最大的特點(diǎn)是地域極為分散。通常水源地、補壓井、測壓點(diǎn)距離廠(chǎng)區幾公里甚至幾十公里，這樣就造成控制系統I/O點(diǎn)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(jìn)行起動(dòng)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(wú)人值守，操作人需要在中控室對整個(gè)水廠(chǎng)進(jìn)行集中監控。

2.3 小型化、集成化

以水源井為例，泵房?jì)韧ǔＳ幸豢谔柣騼煽诰?，對一臺或兩臺泵的控制點(diǎn)數很少，對于管網(wǎng)測壓點(diǎn)也很少。因此為了降低系統造價(jià)，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?jì)拳h(huán)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(zhù)季節和白天夜晚有很大變化，控制系統應能適應環(huán)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(chǎng)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(lǐng)域，因此這也是目前水廠(chǎng)的控制系統廣泛采用PLC的原因。

2.6 可靠性、安全性

水廠(chǎng)的安全、穩定運行直接關(guān)系到千家萬(wàn)戶(hù)，所以從控制系統的結構設計、軟硬件產(chǎn)品質(zhì)量到控制程序編制等各個(gè)環(huán)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(jìn)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(chǎn)品，并考慮一定的余量，為將來(lái)水廠(chǎng)的擴建及系統的變更打下基礎。

2.9 開(kāi)放性

開(kāi)放性是用戶(hù)對控制系統的普遍需求。隨著(zhù)計算機和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展和應用的普及，人們越來(lái)越需要過(guò)程控制系統與管理信息系統交互信息，從而實(shí)現管理與控制一體化。盡管各控制系統生產(chǎn)廠(chǎng)家在現場(chǎng)控制器模塊級還不可能完全開(kāi)放或通用，但必須要求上位機監控系統具有開(kāi)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(xié)議如OPC、ODBC、ActiveX、DDE等。

3、 控制系統構成

3.1 控制系統硬件

楊莊水廠(chǎng)根據系統不同功能層次采用四種通信方式，共有19個(gè)PLC控制站構成控制系統。以太網(wǎng)用于系統的管理層，DH+網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)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(wǎng)用于配水廠(chǎng)PLC控制器與變頻器軟起動(dòng)器的設備層通訊,管理層與控制層通過(guò)服務(wù)器實(shí)現信息交互。DH+網(wǎng)和遠程I/O網(wǎng)采用屏蔽雙絞線(xiàn)進(jìn)行通訊，具有連接方便、通訊距離遠的特點(diǎn),是PLC通訊應用很廣的工業(yè)網(wǎng)絡(luò ),在通訊速度為57.6Kbps下，不加中繼可達10000英尺（3040米）加中繼可達12公里，DH+網(wǎng)可掛接64個(gè)控制器，遠程I/O網(wǎng)可掛接32個(gè)設備。無(wú)線(xiàn)通訊采用具有SCADA功能DF1主從通訊協(xié)議，PLC通過(guò)其標準RS232口與數傳電臺相連來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)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(wǎng)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(wǎng)進(jìn)行通訊；3#水源井～9#水源井距廠(chǎng)區較遠，為了防止通訊電纜被意外切斷影響水廠(chǎng)的運行，PLC03～08控制器采用互為熱備的DH+網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)通訊，通常性況下采用速度較高的DH+有線(xiàn)通訊，一旦DH+網(wǎng)通訊失敗，系統將自動(dòng)轉換到DF1無(wú)線(xiàn)通訊；10#補壓井和測壓點(diǎn)距離廠(chǎng)區更遠，采用有線(xiàn)通訊方式代價(jià)太高，因此PLC10及PLC11～PLC18控制器只采用DF1無(wú)線(xiàn)通訊方式。
在控制系統中，用于配水管網(wǎng)壓力監測的PLC11～PLC18采用最為經(jīng)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(wù)器采用惠普HP E60服務(wù)器，工控機、服務(wù)器的DH+通訊接口卡采用A-B公司的1784-KTX，無(wú)線(xiàn)通訊電臺采用深圳華夏盛公司數字電臺2710。

3.2 控制系統監控組態(tài)軟件

水廠(chǎng)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(hù)/服務(wù)器RSView32活動(dòng)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(wù)器安裝Windows NT Server運行平臺，ADS客戶(hù)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(lè )自動(dòng)化軟件公司采用開(kāi)放技術(shù)，以MFC（微軟基礎級）、DCOM（分布元件對象）組件技術(shù)為基礎的人機監控軟件，是第一個(gè)在圖形顯示中利用ActiveX、VBA、OPC的MMI產(chǎn)品，提供了監視、控制及數據采集等全部功能，是一個(gè)使用方便、可擴展性強、監控性能高的監控組態(tài)軟件。RSView32 ADS將RSView32功贖罪MMI軟件擴展為客戶(hù)/服務(wù)器結構。ADS服務(wù)器不僅可在現場(chǎng)，而且可以通過(guò)國際互聯(lián)網(wǎng)（Internet）在世界任何地方連接進(jìn)入?？蛻?hù)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(shí)支持20個(gè)特許的客戶(hù)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(yè)網(wǎng)絡(luò )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(guò)設置不同的安全級別在應用層面對用戶(hù)的操作權限進(jìn)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(xié)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(guò)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(hù)方式，系統方式支持DH485和DFI通訊協(xié)議，用戶(hù)方式支持標準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通訊軟件的計算機均支持DFI協(xié)議，通過(guò)該協(xié)議可以構成基于PLC的SCADA系統。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的多達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(chǎng)無(wú)線(xiàn)通訊SCADA系統采用點(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(xún)方式并通過(guò)信息（MSG）指令來(lái)實(shí)現數據交換的。DFI主從通訊方式不僅能實(shí)現主站與從站的通訊，而且能實(shí)現從站與從站的通訊。主站對從站的通訊可組態(tài)面基于信息的輪詢(xún)方式或標準的輪詢(xún)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(dòng)控制方式下實(shí)現任意組合聯(lián)鎖控制，也可以地手動(dòng)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(shí)也不會(huì )影響水廠(chǎng)的操作。水源井PLC通訊采用了互為備用的DH+有線(xiàn)和DFI無(wú)線(xiàn)通訊。

就地和遠程控制方式。各配水泵、輸水泵通過(guò)配水泵控制柜上的選擇開(kāi)關(guān),可以選擇就地控制方式和遠程控制方式。遠程控制是通過(guò)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(chǎng)操作箱上的按鈕控制泵的啟停。當PLC處于編程狀態(tài)或出現故障時(shí)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(huì )影響泵的運行。

4.2 配水泵的控制

手動(dòng)控制。各配水泵在遠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管網(wǎng)的壓力情況對配水泵進(jìn)行啟動(dòng)和停止操作。遠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?？刂?，循環(huán)啟?？刂频囊巹t是先開(kāi)先停。

4.3 水源井輸水泵的控制

手動(dòng)控制。操作員根據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PID調節

出水壓力的調節是通過(guò)變頻器控制配水泵的轉速來(lái)實(shí)現。在現場(chǎng)調試中，我們發(fā)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(dòng)態(tài)響應和穩定性問(wèn)題。我們通過(guò)采用變參數PID調節方法很好地解決了這一問(wèn)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(jìn)行出水壓力調節。

4.5 出水壓力自動(dòng)設定

配水管網(wǎng)的壓力損失大小隨著(zhù)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(mǎn)足用戶(hù)對水壓穩定的要求又能實(shí)現節能降耗的目標，我們根據出水量、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)設定。

4.6 豐富的畫(huà)面顯示功能

在計算機操作站顯示的畫(huà)面有工藝流程主畫(huà)面、工藝流程分畫(huà)面、高低壓供電監控畫(huà)面、設備操作畫(huà)面、趨勢圖、調用菜單畫(huà)面、報警畫(huà)面、報表畫(huà)面、防盜報警畫(huà)面。操作人員通過(guò)調用這些畫(huà)面可以全面地了解水廠(chǎng)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(huà)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/遠程狀態(tài)、熱繼狀態(tài)等。記錄報警發(fā)生時(shí)的有關(guān)信息，如：故障標簽名稱(chēng)、報警信息、故障報警時(shí)間、確認報警時(shí)間等，并對報警信息進(jìn)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(guò)載、失速及堵轉、欠載、欠壓、過(guò)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(chǎng)工藝參數年報表。

4.10 遠程監控功能

采用基于客戶(hù)/服務(wù)器HMI組態(tài)軟件RSView32 ADS，實(shí)現了對水廠(chǎng)的遠程監控。操作人員可在中央控制室對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監控、公司經(jīng)理、廠(chǎng)長(cháng)、工程師坐在辦公室甚至在家里也可以監控水廠(chǎng)的運行情況。

5、 結束語(yǔ)

本系統在該水廠(chǎng)已穩定運行三年多，運行結果表明羅克韋爾自動(dòng)化的PLC基于SCADA系統能充分滿(mǎn)足對水廠(chǎng)控制系統的要求，對水廠(chǎng)的安全運行、提高供水質(zhì)量、節能降耗、優(yōu)化管理等方面起到了至關(guān)重要的作用。