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康佳通信科技 產(chǎn)品線管理辦公室 張峰 摘 要: 本文介紹了基于羅克韋爾系列自動(dòng)化產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了一個(gè)水廠的自動(dòng)控制系統(tǒng)。結(jié)合某大型水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)例，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件及軟件架構(gòu)和實(shí)施注意事項(xiàng)。實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果證明：本系統(tǒng)利用羅克韋爾自動(dòng)化產(chǎn)品，成功實(shí)現(xiàn)大中型水廠的自動(dòng)控制，值得國內(nèi)同行借鑒。 關(guān)鍵詞: 羅克韋爾 自動(dòng)控制 PLC 主機(jī) 1 引言 隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，環(huán)境保護(hù)、生活用水的要求更高了。以前老式水廠的人工、半自動(dòng)水廠控制系統(tǒng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代化生活和企業(yè)運(yùn)作的需要，因此先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。通過先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水廠制水、污水處理、水軟化、送配水等工程運(yùn)作的監(jiān)視和控制。因此以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，輔以可編程控制器（PLC）組成分布式集散系統(tǒng)對(duì)水廠實(shí)現(xiàn)了全過程自動(dòng)化和現(xiàn)代化管理。技術(shù)先進(jìn)、設(shè)備可靠、運(yùn)行穩(wěn)定，同時(shí)提高了供水質(zhì)量，節(jié)約了人力，降低了成本。 通常水廠的處理工藝流程如下圖1：
圖1 水廠的處理工藝流程 為保證供水系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，達(dá)到優(yōu)質(zhì)供水節(jié)能降耗的目的，本文基于國內(nèi)華南地區(qū)某大型水廠的實(shí)例，結(jié)合上面水廠的處理工藝流程，提出了一套基于羅克韋爾自動(dòng)化產(chǎn)品及系統(tǒng)的水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)。 2 系統(tǒng)闡述 按照通常水廠的工藝實(shí)踐，我們將取水和排污放在同一個(gè)取水分站控制，而混凝、反應(yīng)、沉淀和消毒放在加藥分站控制，過濾在濾池分站控制，送水在送水分站控制。 2.1系統(tǒng)構(gòu)成 控制系統(tǒng)（圖2）采用PLC+PC的監(jiān)控方式，設(shè)置一個(gè)中心控制室主站與4個(gè)PLC控制分站（取水分站、加藥分站、濾池分站和送水分站），有的現(xiàn)場分站下還掛有控制子站?？刂谱诱九c現(xiàn)場分站之間通過DH485總線形式通訊，現(xiàn)場分站之間以及現(xiàn)場分站與中心控制室主站之間以ControlNet形式通訊，中心控制室內(nèi)的各計(jì)算機(jī)則通過高速以太網(wǎng)通訊?，F(xiàn)場設(shè)備的控制分為手動(dòng)與自動(dòng)兩種控制方式：手動(dòng)時(shí)PLC監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；自動(dòng)時(shí)，PLC監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行。在自動(dòng)狀態(tài)下，現(xiàn)場分站還具有本站與遠(yuǎn)控兩種控制方式：當(dāng)處于本站控制方式時(shí)，現(xiàn)場分站PLC可以監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行，而中心控制室只能監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)處于遠(yuǎn)程控制方式時(shí)，中心控制室可以監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行。
圖2 水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖 2.2 系統(tǒng)各站主要配置和功能 2.2.1 廠級(jí)控制層 ?。?）主控服務(wù)器計(jì)算機(jī)兩套，以互為熱備用方式工作，完成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的管理。 ?。?）操作員工作站設(shè)兩套，每套工作站帶兩個(gè)顯示器（雙屏），兩臺(tái)工作站互為熱備用方式，一臺(tái)用于監(jiān)控，一臺(tái)用于監(jiān)視。當(dāng)監(jiān)控工作站因故退出時(shí)，監(jiān)視工作站可自動(dòng)或手動(dòng)升為監(jiān)控站。采集到的數(shù)據(jù)送服務(wù)器、模擬屏和總廠的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。 2.2.2 現(xiàn)場控制層 廠房內(nèi)設(shè)有四套分站控制單元，采用羅克韋爾的PLC-5/40設(shè)備。各分站控制單元分別完成各自監(jiān)控對(duì)象的數(shù)據(jù)采集及處理，并向網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)，接受上位機(jī)的命令和管理。同時(shí)單個(gè)控制分站具有獨(dú)立的控制、調(diào)節(jié)和監(jiān)視功能，配有鍵盤和監(jiān)視器。當(dāng)與上位機(jī)系統(tǒng)脫機(jī)時(shí)，仍可進(jìn)行必要的控制調(diào)節(jié)和監(jiān)視。分站控制單元由工控機(jī)和PLC及遠(yuǎn)程I/O等設(shè)備組成。整個(gè)系統(tǒng)的主計(jì)算機(jī)、分站控制單元及各輔助設(shè)備均通過羅克韋爾自動(dòng)化的ControlNet網(wǎng)連接通信。 ?。?）取水分站 取水分站下掛兩個(gè)子站，分別對(duì)取水吸水井上的格柵除污機(jī)進(jìn)行控制，并接收吸水井上的儀表信號(hào)。吸水井上沒有采用傳統(tǒng)的差壓檢測儀，而是采用帶有兩個(gè)超聲波探頭的水位檢測儀。該檢測儀即可以檢測吸水井格柵前后兩個(gè)水位值，也可以將兩個(gè)水位值作差值計(jì)算，輸出水位差值。除污機(jī)的開停可以由水位差值來控制，也可以根據(jù)設(shè)定的時(shí)間周期來控制。格柵前后的水位差如果超過上限值，報(bào)警。 取水分站的主要控制對(duì)象除了吸水井以外，還有原水虹吸管抽真空系統(tǒng)，取水泵抽真空系統(tǒng)，取水泵，排水泵房及變配電系統(tǒng)。其中取水泵抽真空系統(tǒng)為進(jìn)口設(shè)備，常保抽真空方式，它具有一套獨(dú)立的控制系統(tǒng)，使取水泵內(nèi)始終保持充滿水的狀態(tài)，因此設(shè)計(jì)中我們只將事故信號(hào)送至取水分站。另外將清水池水位信號(hào)送至取水分站用于控制取水泵的開停臺(tái)數(shù)。 取水分站所檢測的儀表信號(hào)有原水濁度、PH值、溫度、清水池水位、取水吸水井水位及取水泵與電機(jī)溫度、出口壓力。 ?。?）加藥分站 加藥分站下掛兩個(gè)控制子站，分別對(duì)設(shè)在近期和遠(yuǎn)期沖洗泵房的 用于加氯、加氨用的增壓泵進(jìn)行控制。 加藥分站的主要控制對(duì)象除了增壓泵以外，還有加礬系統(tǒng)、加氯系統(tǒng)、加氨系統(tǒng)、反應(yīng)池排泥系統(tǒng)及配電系統(tǒng)。 加礬系統(tǒng)采用的是流動(dòng)電流法混凝投藥控制系統(tǒng)。在管道混合器后取樣送入流動(dòng)電流傳感器即SCD中檢測，作為反饋環(huán)節(jié)。在加藥間內(nèi)設(shè)置一臺(tái)多功能控制柜，接收SCD輸出的4~20mA信號(hào)和原水流量信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后控制計(jì)量泵的沖程與頻率，從而調(diào)節(jié)加礬量。SCD設(shè)定值則根據(jù)待濾水濁度確定，這個(gè)設(shè)定值不是一個(gè)定值，它需要經(jīng)過長期的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況確定。 加氯系統(tǒng)包括前加氯與后加氯系統(tǒng)。前加氯是根據(jù)原水流量按比例投加；后加氯則根據(jù)濾后水流量進(jìn)行投加，清水池余氯信號(hào)反饋調(diào)整。 加氨系統(tǒng)根據(jù)濾后水的加氯量按比例投加，一期沒有安裝。 反應(yīng)池排泥系統(tǒng)具有現(xiàn)場手動(dòng)和根據(jù)時(shí)間周期自動(dòng)排泥兩種控制方式。 加藥分站所檢測的儀表信號(hào)有：原水流量、待濾水濁度、清水池余氯、濾后水流量、SCD檢測值、礬液池液位、計(jì)量泵出口壓力及流量 ?。?）濾池單元 濾池分站的主要控制對(duì)象有平流沉淀池、氣水反沖洗濾池、反沖洗泵、鼓風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)及變配電系統(tǒng)。 ?。?）送水分站 送水分站的主要控制對(duì)象是送水泵、送水泵抽真空系統(tǒng)、出廠水及變配電系統(tǒng)。 本層包含了虹吸、碳水、增壓、加礬、濾格等14個(gè)小控制箱，采用的羅克韋爾的SLC5/02設(shè)備。所有這些輔助設(shè)備都直接掛在A-B的DH-485工業(yè)局域網(wǎng)上。各個(gè)設(shè)備之間可獨(dú)立運(yùn)行，也可通過網(wǎng)絡(luò)接受命令并進(jìn)行相應(yīng)處理。該局域網(wǎng)所有的主機(jī)和站點(diǎn)都可以共享輔助設(shè)備的信息，因此所有設(shè)備的工作情況等信息都可以第一時(shí)間顯示在上層的主機(jī)監(jiān)控畫面上。 3 系統(tǒng)配置及特點(diǎn) 系統(tǒng)的PLC軟硬件都采用了羅克韋爾的產(chǎn)品，通訊軟件采用RSLinx，梯形圖編程軟件采用RSLogix5和RSLogix500，人機(jī)界面采用Rockwell的RSView32來完成數(shù)據(jù)采集、記錄、操作監(jiān)控等任務(wù)，操作系統(tǒng)采用Windows中文NT系統(tǒng)，設(shè)置了用戶安全管理體系，只有通過正確的口令和用戶名才可能成功登錄，同時(shí)系統(tǒng)軟件自身采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來進(jìn)行分析和管理，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)選用微軟的SQL Server2000產(chǎn)品。 軟件的各個(gè)功能塊如下： 3.1 監(jiān)控畫面功能 ?。?）監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)畫面 畫面顯示監(jiān)控系統(tǒng)繼PLC和測量裝置及主控工作站的工作狀態(tài)和參數(shù)。 ?。?）電站所有需要監(jiān)測的各種參數(shù)的實(shí)時(shí)和歷史曲線圖、棒型圖畫面。 ?。?）各種運(yùn)行和管理報(bào)表及表格畫面。 ?。?）水廠的平面圖、動(dòng)畫等顯示。 3.2數(shù)據(jù)采集和處理功能 系統(tǒng)可自動(dòng)實(shí)時(shí)采集和處理來自各現(xiàn)地控制層及調(diào)度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。主要包括：機(jī)所有工作分站及子站的電氣模擬量、非電氣模擬量、脈沖量、開關(guān)量的采集，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，處理后的數(shù)據(jù)以一定的格式存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，形成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，以備系統(tǒng)調(diào)用和隨時(shí)查詢，并對(duì)監(jiān)視的模擬量、開關(guān)量、脈沖量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算（含變位、越限等）作為歷史數(shù)據(jù)存入歷史數(shù)據(jù)庫，并作為報(bào)表輸出的主要數(shù)據(jù)來源。當(dāng)出現(xiàn)異常事件記錄和出現(xiàn)事故時(shí)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)目前的情況自動(dòng)進(jìn)行處理。 3.3 綜合參數(shù)統(tǒng)計(jì)、計(jì)算與分析功能 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行周期、定時(shí)或召喚計(jì)算與分析，形成計(jì)算數(shù)據(jù)庫與歷史數(shù)據(jù)庫，幫助運(yùn)行人員對(duì)水廠設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行全面監(jiān)視與綜合管理，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障征兆，提高單元運(yùn)行的安全性。對(duì)現(xiàn)成的計(jì)算數(shù)據(jù)列出作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，存入相應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行越限報(bào)警、啟動(dòng)相關(guān)處理程序等操作。 3.4 安全運(yùn)行監(jiān)視及事件報(bào)警功能 （1）主要設(shè)備安全運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以使運(yùn)行人員通過主機(jī)兼操作員工作站顯示器屏幕對(duì)全廠主要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，包括狀態(tài)變化監(jiān)視、越限檢查、過程監(jiān)視、歷史趨勢分析和監(jiān)控系統(tǒng)異常監(jiān)視。 ?。?）事件報(bào)警 故障報(bào)警記錄 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)周期性掃描故障信號(hào)，故障發(fā)生時(shí)，立即響應(yīng)并處理，同時(shí)記錄故障發(fā)生時(shí)間（時(shí)、分、秒）、動(dòng)作設(shè)備器件名稱、事故內(nèi)容等信息，并顯示、打印故障報(bào)警語句，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，按故障發(fā)生的先后次序排列，形成故障記錄并存入數(shù)據(jù)庫。故障記錄表格為故障匯總記錄表，可供值班人員查尋，并定時(shí)打印，也可召喚打印或顯示。 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)備運(yùn)行參數(shù)超越其限值時(shí)，立即報(bào)警，越限值恢復(fù)正常值時(shí)，進(jìn)行復(fù)限提示。參數(shù)越、復(fù)限時(shí)，記錄發(fā)生時(shí)間（時(shí)、分、秒）、參數(shù)名稱、參數(shù)值勤等信息，并顯示打印故障報(bào)警語句，發(fā)出音響報(bào)警信號(hào)，形成全廠參數(shù)越看待線記錄并存入數(shù)據(jù)庫。 單元現(xiàn)地LCU自動(dòng)檢測本單元所監(jiān)視的設(shè)備、繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的動(dòng)作情況，當(dāng)發(fā)生狀態(tài)變換時(shí)，對(duì)于事故信號(hào)自動(dòng)產(chǎn)生中斷，檢測事件性質(zhì)、發(fā)生時(shí)間，并順序記錄，上送電站控制層，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)立即響應(yīng)中為信號(hào)，同時(shí)記錄事故發(fā)生時(shí)標(biāo)（時(shí)、分、秒、）、動(dòng)作設(shè)備器件名稱、事故內(nèi)容等信息，并顯示、打印事故報(bào)警語句，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，按事故發(fā)生的先后次序排列，形成事件記錄并存入數(shù)據(jù)，可按設(shè)備進(jìn)行搜索記錄。 單元開、停機(jī)時(shí)（命令發(fā)出），計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)推出相應(yīng)單元的開、停機(jī)過程監(jiān)視畫面。畫面包括：單元編號(hào)、自動(dòng)/手動(dòng)標(biāo)記、開（停）機(jī)條件、用流程圖表示的開（停）機(jī)步驟、每步操作的時(shí)間及總時(shí)間。實(shí)時(shí)顯示全部開、停機(jī)過程中每一步驟及執(zhí)行情況，并按設(shè)備實(shí)際動(dòng)作狀態(tài)自動(dòng)改變步序框的顏色，以區(qū)分已操作、正在操作、待操作及操作受阻部位。并提示在開、停機(jī)過程受阻的受阻部位的原因，進(jìn)行開環(huán)運(yùn)行指導(dǎo)甚至閉環(huán)自動(dòng)控制操作。 4系統(tǒng)的智能性分析 自控系統(tǒng)的實(shí)用性實(shí)際上要求系統(tǒng)有較高的智能度或容錯(cuò)能力。開發(fā)大型的專家系統(tǒng)是比較困難的，但可以將平常的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)加入控制程序中，即加入若干個(gè)智能點(diǎn)。譬如可以通過出口壓力信號(hào)或電機(jī)電流判斷反沖洗水泵是否出水(因離心水泵空轉(zhuǎn)時(shí)的電流比正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電流小得多)；又如當(dāng)程控打開某濾池的排水閥時(shí)，其全開行程開關(guān)未動(dòng)作，但此時(shí)濾池水位突然下降，由此判斷排水閥已打開而不必終止程序執(zhí)行。這些智能點(diǎn)的加入使系統(tǒng)的適應(yīng)能力大大提高，PLC通過分析有限的信號(hào)量可以發(fā)現(xiàn)被控設(shè)備的故障。再譬如，可以通過計(jì)算液控蝶閥前后補(bǔ)油的時(shí)間間隙來判斷其是否漏油，這種將運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn)化為智能控制的方法是傳統(tǒng)繼電控制或單回路調(diào)節(jié)儀表所無法比擬的。 5 過程控制及遠(yuǎn)程手動(dòng)操作 水廠過程控制(如對(duì)加氯、加礬、恒水位控制等)具有慣性大、純滯后時(shí)間長等特點(diǎn)。理論證明，對(duì)于具有Ke<;SUP>-τ/(1+T1;)(1+T2S)特性的控制對(duì)象，PID是一種最優(yōu)控制，但當(dāng)其純滯后時(shí)間τ大于數(shù)分鐘時(shí)，采用PID控制的效果不佳。對(duì)于加藥系統(tǒng)來說，純滯后時(shí)間由其投加點(diǎn)及采樣點(diǎn)的距離決定。作為一個(gè)特例，濾后水加氯較為復(fù)雜，為了達(dá)到自動(dòng)控制的目的，要求氯氣經(jīng)充分混合后立即檢查余氯值作為復(fù)合環(huán)控制的反饋信號(hào)。水廠的過濾后加氯采用了采樣PID控制，通過控制其采樣周期來補(bǔ)償系統(tǒng)的純滯后時(shí)間，效果很好，真正做到了自動(dòng)投加。當(dāng)然也可以利用PLC所提供的PID指令構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)，其目的都是為了克服或補(bǔ)償系統(tǒng)純滯后時(shí)間太長對(duì)控制帶來的影響。 對(duì)于慣性大、純滯后時(shí)間長的系統(tǒng)采用手動(dòng)控制是很有效的，一個(gè)熟練的操作工人并不需要頻繁的操作就能將余氯、清水池水位等控制得很好。如果中控室有人值班并可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行手動(dòng)操作，則該方式至少可以作為自動(dòng)控制的一種后備或補(bǔ)充，使系統(tǒng)更加可靠、實(shí)用。這里的關(guān)鍵問題是怎樣實(shí)現(xiàn)兩種控制方式的方便切換。最好的方式是直接利用PLC提供的PID指令進(jìn)行控制，這樣一方面可取消儀表的PID控制器，大大節(jié)約了費(fèi)用；另一方面，利用PLC的功能指令，能方便地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)控制的無擾動(dòng)切換，利用上位電腦的圖形界面，值班工人可以很方便地執(zhí)行這些操作。 本文基于羅克韋爾自動(dòng)化的系列產(chǎn)品組建的水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了單元的無人監(jiān)控、少人值班，提高了水廠自動(dòng)化水平和水質(zhì)處理的效率，減輕了運(yùn)行人員的負(fù)擔(dān)。實(shí)際運(yùn)行證明，本系統(tǒng)可達(dá)到大中型水廠的無人監(jiān)控、少人值班的高自動(dòng)化水平，減輕了操作人員工作強(qiáng)度，提高了水廠運(yùn)行的安全和可靠性。 參考文獻(xiàn) [1] 吳泉源.人工智能與專家系統(tǒng).長沙：國防科技大學(xué)出版社，1995 [2]PLC-5使用手冊 [3] RSView32用戶指南 [4] 湯毅堅(jiān). 計(jì)算機(jī)局域網(wǎng) .北京：人民郵電出版社, 1989 [5] SQL Server2000從入門到精通 |
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