石家莊東方龍水業(yè)科技有限公司 李鎖軍 高鹍
摘要：石家莊地表水廠自動化控制系統(tǒng)全部采用羅克韋爾自動化的ControlLogix和CompactLogix系列PLC，廠區(qū)的通訊采用ControlNet冗余網(wǎng)絡，遠程通訊采用無線方式。在送水泵房實現(xiàn)變頻調(diào)速恒壓供水，同時實現(xiàn)了ControlLogix系統(tǒng)與使用Modbus協(xié)議的第三方產(chǎn)品之間的數(shù)據(jù)通訊。
關鍵詞：PLC Modbus 變頻調(diào)速 通訊 兼容性
1 引 言
石家莊市供水總公司地表水廠是1996年建成投產(chǎn)的自動化程度很高的地表水廠。水廠設計生產(chǎn)能力日產(chǎn)水30萬噸。原 PLC自控系統(tǒng)已運行10年，現(xiàn)已非主流產(chǎn)品，無法實現(xiàn)自身的升級換代和擴展，而且備件貨源逐步枯竭。隨著設備存續(xù)周期的臨近，不排除出現(xiàn)大面積故障的可能，進而直接導致控制系統(tǒng)的局部或整體癱瘓。在這種嚴峻形勢下，對PLC自控系統(tǒng)進行改造勢在必行。
地表水廠擔當著石家莊市供水任務的半壁江山，只有改造工程成功完成，才能保證地表水廠生產(chǎn)順利進行。從某種意義上講，工程的順利與否是關乎國計民生的大事；同時將為水行業(yè)自控系統(tǒng)的改造開辟成功的先河。
改造工程選用穩(wěn)定性、擴充性、先進性和兼容性俱佳的羅克韋爾公司的ControlLogix系列PLC產(chǎn)品作為本次改造的主力自控產(chǎn)品。目前改造工程取得了前所未有的成效，開創(chuàng)了多項技術創(chuàng)新先河。在送水泵房實現(xiàn)了變頻調(diào)速恒壓供水的設計要求，在保證供水管網(wǎng)壓力恒定的前提下，僅節(jié)電一項一年就可以為水廠節(jié)約開支約70萬元。同時成功地實現(xiàn)了ControlLogix系統(tǒng)與第三方設備的Modbus通訊，特別是遠程的兩個取水管理站與中控室之間的數(shù)據(jù)通訊，采用無線Modbus的方式實現(xiàn)ControlLogix系統(tǒng)與第三方設備之間的通訊，成為整個工程的亮點。改造過程中新PLC系統(tǒng)與舊PLC系統(tǒng)（SquareD自控設備）之間的數(shù)據(jù)交換采用OPC服務器的方式加以實現(xiàn)，這樣既保證了整個水廠的日常制水生產(chǎn)不被中斷，又為用戶節(jié)省了采用過渡硬件設備所需要的投資。兩套自控系統(tǒng)自始至終保證數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，在一般的技術改造工程中是很少見的。使用這種技術，可以保證兩套系統(tǒng)真正實現(xiàn)無縫割接。
2PLC自動控制系統(tǒng)的組成
(1)系統(tǒng)簡介
根據(jù)水廠生產(chǎn)工藝及管理要求，在系統(tǒng)設計時以原系統(tǒng)的站點結構為依據(jù),保留原有的6個主站、9個子站。6個主站采用ControlLogix系列PLC；9個子站采用CompactLogix系列PLC，廠區(qū)內(nèi)主干網(wǎng)以及主站與子站之間均采用ControlNet冗余網(wǎng)絡，上位機及觸摸屏均掛在ControlNet冗余網(wǎng)絡上。為保證信號的穩(wěn)定和介質(zhì)的抗干擾性，在伴有高電壓及大電流的區(qū)段選用光纖作為網(wǎng)絡介質(zhì)。廠區(qū)中控室與崗南取水管理站和黃壁莊取水管理站數(shù)據(jù)傳輸采用無線通訊的方式實現(xiàn)。
(2)系統(tǒng)拓撲結構
圖1為八水廠自控系統(tǒng)拓撲圖。
圖1 八水廠自控系統(tǒng)拓撲圖
3變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)
石家莊地表水廠清水泵房配備三臺定速泵，三臺變頻調(diào)速泵。送水泵將兩個清水池內(nèi)的水通過兩個出水管線輸送到供水管網(wǎng)，原則上保持管網(wǎng)壓力恒定。原PLC自控系統(tǒng)，由于未成功完成對變頻調(diào)速泵的PID參數(shù)整定，調(diào)速泵的泵速未實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)；加之其配泵方案的設計不適合國情，清水泵房的原PLC自控系統(tǒng)實際只完成數(shù)據(jù)采集功能，主要設備——送水泵一度處于手動狀態(tài)，使變頻調(diào)速恒壓供水成為泡影。
改造后的清水泵房采用變頻調(diào)速的運行方式，系統(tǒng)可根據(jù)實際設定水壓自動調(diào)節(jié)調(diào)速泵電機的轉(zhuǎn)速或加減泵，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力始終保持在給定值，實現(xiàn)了最大限度的節(jié)能、節(jié)水、節(jié)支，并使系統(tǒng)處于可靠的運行狀態(tài)。恒壓供水的實現(xiàn)一方面歸功于先進合理的工藝設計，根據(jù)實際的生產(chǎn)和設備情況重新進行工藝整定，為地表水廠量身定做的配泵方案，使恒壓供水、自動配泵最終得以實現(xiàn)。另一方面依托ControlLogix系列PLC的強大功能，特別是智能精確的PID調(diào)節(jié)功能，使管網(wǎng)壓力的控制精度達到0.5%，遠遠超過工藝要求，僅高效節(jié)能一項直接為地表水廠年節(jié)約資金約70萬元，帶來的隱性效益更是不可估量。
4ControlLogix系統(tǒng)與第三方產(chǎn)品的Modbus通訊
由于配電室的中壓配電柜控制和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)選用SEPAM2000，該設備使用Modbus協(xié)議，通過SY/NET協(xié)議轉(zhuǎn)換器SPE4連接到原有的PLC自控系統(tǒng)。顯然在新系統(tǒng)投入使用之后，SPE4已經(jīng)失去存在的意義了。在這里需要特別提出針對配電室的改造思路。在去掉SPE4之后，SEPAM2000的數(shù)據(jù)在出口端是使用Modbus協(xié)議的。ControlLogix系列PLC有第三方的通訊模塊MVI56-MCM來支持對Modbus網(wǎng)絡的通訊。我們所要做的工作是在新PLC系統(tǒng)中通過MVI56-MCM模塊實現(xiàn)新PLC系統(tǒng)與SEPAM2000的通訊。與使用MODBUS協(xié)議的其余第三方設備的通訊與此類似。
這種數(shù)據(jù)流動方式如下圖2所示：
圖2 數(shù)據(jù)流動方式
5ControlLogix系統(tǒng)中的無線通訊設計
由于崗南水庫取水管理站和黃壁莊水庫取水管理站的自控系統(tǒng)相對獨立，相當于水廠控制系統(tǒng)的兩塊飛地。水廠中控室只要求實時掌握管理站的運行情況，并沒有在系統(tǒng)內(nèi)向管理站下達任何控制指令。因此管理站的改造工作不受水廠自控系統(tǒng)的影響，新系統(tǒng)投運后采用無線通訊的方式將管理站內(nèi)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿畯S控制系統(tǒng)。
崗南水庫取水管理站的自控系統(tǒng)不在改造范圍之內(nèi)，使用MOTOROLA公司的MOSCAD系列RTU來完成現(xiàn)場設備的監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸工作，上位軟件選用PCSOFT公司的WIZCON組態(tài)軟件，使用的是MDLC通訊協(xié)議。如何通過無線通訊的方式實現(xiàn)ControlLogix系統(tǒng)與第三方設備的互聯(lián)互通，是工程設計、實施中的一個難點。
根據(jù)崗南水庫、黃壁莊水庫和地表水廠之間的特殊的地理、地形情況，在三方組成的無線通訊網(wǎng)絡中，黃壁莊水庫取水管理站設計為主站，地表水廠中控室為1號從站，崗南水庫取水管理站為2號從站。由黃壁莊水庫取水管理站讀取崗南水庫取水管理站的數(shù)據(jù)，會同自身的數(shù)據(jù)一同寫到地表水廠中控室。無線通訊網(wǎng)絡各站點之間采用MODBUS通訊協(xié)議，各PLC站點的ControlLogix系統(tǒng)通過MODBUS通訊模塊MVI56-MCM的RS232口與無線通訊網(wǎng)絡之間進行數(shù)據(jù)交換。黃壁莊水庫取水管理站的ControlLogix系統(tǒng)通過MODBUS通訊模塊MVI56-MCM的RS485口與使用MODBUS協(xié)議的第三方設備——流量計進行數(shù)據(jù)通訊。
無線通訊網(wǎng)絡的拓撲結構如下圖3所示：
圖3 無線通訊網(wǎng)絡的拓撲結構
6新系統(tǒng)與舊系統(tǒng)的軟件兼容
由于地表廠自控系統(tǒng)的改造工作不能影響整個供水生產(chǎn)的正常進行，因此改造工作應該是分步驟實施的。這種階段式改造必然導致新系統(tǒng)與原系統(tǒng)長期共存。那么，兩套系統(tǒng)的互聯(lián)互通就是該項目的又一難點。
新舊系統(tǒng)的兼容是暫時行為，在總體投資上不應該過分加大，因此我們選用比較經(jīng)濟的軟件兼容方式，即使用第三方的OPC服務器作為兩個系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的橋梁。新自控系統(tǒng)將已改造站點的數(shù)據(jù)按照原系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式寫入原自控系統(tǒng)，從而保證原自控系統(tǒng)的顯示完整。為了完成這一目的，新自控系統(tǒng)增加OPC服務器，同時原自控系統(tǒng)內(nèi)的PLC程序?qū)⒆霰匾母膭右赃m應這種運行模式。
實現(xiàn)兼容的方式如下圖4所示：
圖4 實現(xiàn)兼容的方式
7結束語
ControlLogix系統(tǒng)在石家莊地表水廠運行穩(wěn)定，以其先進的技術充分滿足了水廠自控系統(tǒng)的要求。變頻調(diào)速恒壓供水的實現(xiàn)展示了PLC的強大功能，與MODBUS第三方產(chǎn)品的通訊和兼容證明了系統(tǒng)的可擴展性和開放性強，進一步擴展了羅克韋爾自動化的PLC應用的空間和靈活性。
（轉(zhuǎn)載）
