利用PLC和組態(tài)軟件的自來(lái)水廠監(jiān)控的成功運(yùn)用

生產(chǎn)工藝

凈水廠的生產(chǎn)過(guò)程如圖1所示，主要分為以下幾個(gè)工藝過(guò)程：

圖1: 凈水廠生產(chǎn)流程

■取水 通過(guò)多臺(tái)大型離心泵將江河地表水抽入凈水廠。
■投藥 按一定的工藝要求投入混凝劑及氯氣，達(dá)到混凝和消毒。
■絮凝 地表水投入混凝劑后的反應(yīng)，并排出反應(yīng)后沉淀的污泥。
■平流沉淀 與混凝劑反應(yīng)后的水低速流過(guò)平流沉淀池，以便懸浮顆粒沉淀，并排出沉淀的污泥。
■過(guò)濾 沉淀水通過(guò)顆粒介質(zhì)（石英砂）以去除其中懸浮雜質(zhì)使水澄清，并定時(shí)反沖洗石英砂。
■送水 通過(guò)多臺(tái)大型離心泵將自來(lái)水以一定的壓力和流量送入城市管網(wǎng)。

控制方案

由于自來(lái)水生產(chǎn)工藝主要具有以下特點(diǎn)：

■各生產(chǎn)工藝段相對(duì)獨(dú)立，單體設(shè)備多；
■采集的數(shù)據(jù)量大且種類多，但上下游相關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)參數(shù)少；
■自來(lái)水生產(chǎn)具有連續(xù)性、不可替代性和不間斷性；
■各工藝段距離遠(yuǎn)，設(shè)備分散，組網(wǎng)相對(duì)復(fù)雜。

根據(jù)以上特點(diǎn)，本系統(tǒng)選用OMRON的中小型PLC對(duì)各工藝段或設(shè)備分散控制，通過(guò)OMRON Protocol和Controller Link組成網(wǎng)絡(luò)，各工藝段控制室和中控室設(shè)置上位機(jī)，構(gòu)建人機(jī)界面進(jìn)行生產(chǎn)管理和對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理。全廠控制網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2：全廠控制網(wǎng)絡(luò)圖

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件配置為：上位機(jī)選用高可靠性的微型計(jì)算機(jī)，擴(kuò)展了Controller Link 支持卡3G8F7 CLK211-E, 配置有8套中型PLC OMRON C200HG，1套OMRON CS1H，8套小型PLC OMRON CQM1，8套CPM2A ，全部中型PLC和上位機(jī)通過(guò)Controller Link線纜通信單元CLK21和操作站上擴(kuò)展的通信單元3G8F7-CLK21-E組成Omron Controller Link網(wǎng)絡(luò)，小型PLC通過(guò)OMRON Protocol與相關(guān)功能間的中型PLC相聯(lián)。OMRON公司的Controller Link網(wǎng)絡(luò)是OMRON主要的FA（工廠自動(dòng)化）級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)，是一種使用令牌總線通信的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可作為主站進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)鏈接，節(jié)點(diǎn)間可以自動(dòng)交換預(yù)置區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)。該網(wǎng)絡(luò)中控制通信的節(jié)點(diǎn)稱為發(fā)牌單元，它控制令牌，檢查網(wǎng)絡(luò)和執(zhí)行相關(guān)的任務(wù)。這種總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有最大的靈活性，易于擴(kuò)充和維護(hù)，滿足了系統(tǒng)可擴(kuò)展性要求。由于采用了分布式控制技術(shù)，可確保Controller Link網(wǎng)絡(luò)不會(huì)因某個(gè)站點(diǎn)故障而崩潰，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)中采用屏蔽雙絞線作為Controller Link網(wǎng)絡(luò)的通信介質(zhì)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)橋分成兩段，主要是為了滿足其對(duì)通訊距離的要求，同時(shí)可適應(yīng)以后擴(kuò)展的需要。由于各節(jié)點(diǎn)距離較大，傳輸速率設(shè)為500kbps，可滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。本控制方案全部選用中小型PLC，對(duì)主要的生產(chǎn)設(shè)備分散控制，同時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)將它們緊密聯(lián)結(jié)，實(shí)現(xiàn)集中管理，降低了故障風(fēng)險(xiǎn)，提高了可靠性，是一種經(jīng)濟(jì)可行的方案。

在取水及送水工藝段上，主要設(shè)備都為多臺(tái)大型離心水泵和10kV高壓直流電機(jī)，因此每一高壓配電柜選用一臺(tái)Sepam2000 （施耐德生產(chǎn)，專用于配電柜控制的小型PLC） 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，通過(guò)RS485接口連成網(wǎng)絡(luò)，由控制室的OMRON C200HG中型 PLC利用OMRON Protocol協(xié)議與它們通訊，對(duì)其讀寫數(shù)據(jù)和進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，這樣可以節(jié)省大量的數(shù)據(jù)采集電纜，而且當(dāng)某臺(tái)PLC發(fā)生故障時(shí)可以方便斷開而不影響其他設(shè)備的正常生產(chǎn)。對(duì)于沉淀池排泥車的控制，由于排泥車在長(zhǎng)達(dá)近百米的沉淀池上前后移動(dòng)，因此其控制所用小型PLC利用電臺(tái)與控制室間的C200HG通過(guò)RS232接口進(jìn)行1：N通訊，電臺(tái)型號(hào)為MDS-SCADA-24810，為直接數(shù)字調(diào)制解調(diào)電臺(tái)，工作頻率范圍在2.4G～2.4835GHz，支持標(biāo)準(zhǔn)的異步通訊協(xié)議，工作穩(wěn)定可靠，協(xié)議同樣采用OMRON Protocol，軟件用OMRON-CX-Protocol編制。二期濾池選用多個(gè)小型PLC（OMRON CQM1H）分散控制，可以較好地解決因控制設(shè)備故障而造成全部濾池停產(chǎn)的問(wèn)題。

程序結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)全部設(shè)備的控制都由PLC來(lái)完成，PLC程序利用OMRON-CX-Programmer軟件編制。在各工藝段及單體設(shè)備其控制程序亦相對(duì)獨(dú)立，部分相同的工藝采用子程序模式，因此程序結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，調(diào)試和維修方便。

人機(jī)界面

該系統(tǒng)人機(jī)界面以組態(tài)軟件iFix3.0為平臺(tái)開發(fā)，由若干個(gè)畫面組成：總畫面（水廠水處理工藝）、各系統(tǒng)工藝圖、報(bào)警窗口等。為增加畫面的可讀性和可觀賞性，主要畫面均采用立體圖形式（用3ds、flash等軟件繪制），在畫面的相關(guān)位置顯示該設(shè)備的所有主要運(yùn)行參數(shù)。設(shè)備的控制通過(guò)點(diǎn)擊該設(shè)備進(jìn)入，shift+鼠標(biāo)左鍵可打開該設(shè)備的幫助文件，包括設(shè)備檔案、運(yùn)行規(guī)程等。iFix與OMRON PLC的通訊由OMRON的FinsGateway和Intellution 的驅(qū)動(dòng)程序OMF或OMR完成，這是整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

■ 總畫面：表現(xiàn)的是整個(gè)水廠的水處理工藝（立體圖形式），從取水、投藥、投氯、絮凝沉淀、過(guò)濾到供水。在相關(guān)位置顯示水處理的各主要控制參數(shù)以及重要設(shè)備的主要控制參數(shù)，可以點(diǎn)擊進(jìn)入各分站。
■ 各系統(tǒng)工藝圖：主要有取水工藝圖、投礬工藝圖、投氯工藝圖、絮凝池、排泥車、濾池、送水工藝圖、高低壓配電圖等。除配電圖外，均采用立體圖形式，畫面直觀醒目，而且能夠表達(dá)比平面圖更豐富的信息。
■ 報(bào)警窗口：所有報(bào)警顯示的同時(shí)，喇叭會(huì)一直響到確認(rèn)為至。也可以按需要分類顯示。
■ 設(shè)備控制參數(shù)設(shè)定：參數(shù)設(shè)定時(shí)會(huì)檢查輸入?yún)?shù)是否正確（錯(cuò)誤參數(shù)不能輸入）、參數(shù)有無(wú)正確下載至PLC，如果出錯(cuò)會(huì)報(bào)告操作人員。
■ 生產(chǎn)報(bào)表：分生產(chǎn)情況（設(shè)備運(yùn)行參數(shù)）、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)兩種報(bào)表。老系統(tǒng)沒(méi)有生產(chǎn)情況報(bào)表，生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表也不能正確生成。針對(duì)這種情況，我們?nèi)嫘薷牧薖LC程序，并且為節(jié)省存儲(chǔ)空間和查詢方便起見，將平時(shí)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)都存放在歷史數(shù)據(jù)庫(kù)里，在需要時(shí)可即時(shí)生成報(bào)表。
■ 歷史曲線：可查詢?nèi)珡S所有主要運(yùn)行參數(shù)的歷史情況。為便于設(shè)備運(yùn)行情況分析，可以在同一畫面下同時(shí)顯示設(shè)備的歷史運(yùn)行情況與當(dāng)前的運(yùn)行情況以作對(duì)比。
■ 為防止設(shè)備控制出錯(cuò)，所有設(shè)備分別有中控（中控室上位機(jī)控制）、現(xiàn)控（現(xiàn)場(chǎng)車間上位機(jī)控制）、自動(dòng)、就地（設(shè)備不受PLC控制）4種控制方式，可以隨需要隨時(shí)轉(zhuǎn)換。
■全廠的所有工作站都可看到全廠的運(yùn)行情況。

結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目是由工業(yè)計(jì)算機(jī)和中小型PLC組成的集散型控制系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)上能實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠生產(chǎn)設(shè)備的控制和工藝參數(shù)的設(shè)置、調(diào)整與監(jiān)測(cè)，滿足大型自來(lái)水廠自動(dòng)控制的要求。整個(gè)方案經(jīng)濟(jì)實(shí)用，易于編程、操作及維修，在廣東南海第二水廠得到良好的應(yīng)用。