摘 要: 本文介紹了基于羅克韋爾系列自動化產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了一個水廠的自動控制系統(tǒng)。結(jié)合某大型水廠自動控制系統(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。實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果證明：本系統(tǒng)利用羅克韋爾自動化產(chǎn)品，成功實(shí)現(xiàn)大中型水廠的自動控制，值得國內(nèi)同行借鑒。
關(guān)鍵詞: 羅克韋爾 自動控制 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)的計算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。通過先進(jìn)的自動控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對水廠制水、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)對水廠實(shí)現(xiàn)了全過程自動化和現(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化產(chǎn)品及系統(tǒng)的水廠自動控制系統(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)置一個中心控制室主站與4個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。控制子站與現(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)備的控制分為手動與自動兩種控制方式：手動時PLC監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；自動時，PLC監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行。在自動狀態(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，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，中心控制室可以監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行。
圖2 水廠自動控制系統(tǒng)框圖
2.2 系統(tǒng)各站主要配置和功能
2.2.1 廠級控制層
?。?）主控服務(wù)器計算機(jī)兩套，以互為熱備用方式工作，完成計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的管理。
?。?）操作員工作站設(shè)兩套，每套工作站帶兩個顯示器（雙屏），兩臺工作站互為熱備用方式，一臺用于監(jiān)控，一臺用于監(jiān)視。當(dāng)監(jiān)控工作站因故退出時，監(jiān)視工作站可自動或手動升為監(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。同時單個控制分站具有獨(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，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。整個系統(tǒng)的主計算機(jī)、分站控制單元及各輔助設(shè)備均通過羅克韋爾自動化的ControlNet網(wǎng)連接通信。
?。?）取水分站
取水分站下掛兩個子站，分別對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。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水位值，也可以將兩個水位值作差值計算，輸出水位差值。除污機(jī)的開?？梢杂伤徊钪祦砜刂?，也可以根據(jù)設(shè)定的時間周期來控制。格柵前后的水位差如果超過上限值，報警。
取水分站的主要控制對象除了吸水井以外，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)計中我們只將事故信號送至取水分站。另外將清水池水位信號送至取水分站用于控制取水泵的開停臺數(shù)。
取水分站所檢測的儀表信號有原水濁度、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。
（2）加藥分站
加藥分站下掛兩個控制子站，分別對設(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)置一臺多功能控制柜，接收SCD輸出的4~20mA信號和原水流量信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后控制計量泵的沖程與頻率，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，這個設(shè)定值不是一個定值，它需要經(jīng)過長期的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗和實(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)場手動和根據(jù)時間周期自動排泥兩種控制方式。
加藥分站所檢測的儀表信號有：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、計量泵出口壓力及流量
?。?）濾池單元
濾池分站的主要控制對象有平流沉淀池、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)。
濾池分站下掛10個單格濾池控制子站。每個控制子站控制一格濾池的過濾與沖洗。每格濾池裝設(shè)一臺超聲波水位檢測儀，用于控制該格濾池出水閥門的開度，使濾池在恒水位條件下工作。濾池的反沖洗可選擇兩種控制方式：單格濾池一步化控制和按過濾周期控制。濾池的沖洗程序為三段式?jīng)_洗：氣沖、氣水混合沖、水沖。在反沖洗泵、鼓風(fēng)機(jī)房內(nèi)共裝設(shè)了三臺沖洗泵，三臺鼓風(fēng)機(jī)，均為兩用一備。氣沖時兩臺鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行，氣水混合沖時再加一臺沖洗泵，水沖時僅兩臺沖洗泵運(yùn)行。試運(yùn)行期間，氣沖時間為2分鐘，氣水混合沖時間為2分鐘，水沖時間為6分鐘，這些時間參數(shù)均為可調(diào)參數(shù)，通過長期的生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗確定一個最佳參數(shù)。
濾池分站所檢測的儀表信號有：沖洗泵、鼓風(fēng)機(jī)出口壓力、濾后水濁度。
（4）送水分站
送水分站的主要控制對象是送水泵、送水泵抽真空系統(tǒng)、出廠水及變配電系統(tǒng)。
送水泵抽真空系統(tǒng)與取水泵相同。送水泵的開停臺數(shù)由公司調(diào)度室發(fā)信號給中心控制主站，由中心控制主站給出開停泵信號，由送水分站PLC完成水泵開停過程。送水吸水井水位開關(guān)則控制送水泵全開全停及報警。
送水分站所檢測的儀表信號有送水泵出口壓力、送水泵及電機(jī)溫度，出廠水壓力、流量、PH值、濁度和余氯值。
2.2.3設(shè)備控制層
本層包含了虹吸、碳水、增壓、加礬、濾格等14個小控制箱，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，同時系統(tǒng)軟件自身采用實(shí)時數(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)時和歷史曲線圖、棒型圖畫面。
?。?）各種運(yùn)行和管理報表及表格畫面。
（4）水廠的平面圖、動畫等顯示。
3.2數(shù)據(jù)采集和處理功能
系統(tǒng)可自動實(shí)時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)時數(shù)據(jù)庫，形成實(shí)時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，以備系統(tǒng)調(diào)用和隨時查詢，并對監(jiān)視的模擬量、開關(guān)量、脈沖量進(jìn)行統(tǒng)計分析計算（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，計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)目前的情況自動進(jìn)行處理。
3.3 綜合參數(shù)統(tǒng)計、計算與分析功能
計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行周期、定時或召喚計算與分析，形成計算數(shù)據(jù)庫與歷史數(shù)據(jù)庫，幫助運(yùn)行人員對水廠設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行全面監(jiān)視與綜合管理，可及時發(fā)現(xiàn)故障征兆，提高單元運(yùn)行的安全性。對現(xiàn)成的計算數(shù)據(jù)列出作為實(shí)時數(shù)據(jù)處理，存入相應(yīng)的實(shí)時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行越限報警、啟動相關(guān)處理程序等操作。
3.4 安全運(yùn)行監(jiān)視及事件報警功能
?。?）主要設(shè)備安全運(yùn)行實(shí)時監(jiān)視
計算機(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。
?。?）事件報警
故障報警記錄
計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)周期性掃描故障信號，故障發(fā)生時，立即響應(yīng)并處理，同時記錄故障發(fā)生時間（時、分、秒）、動作設(shè)備器件名稱、事故內(nèi)容等信息，并顯示、打印故障報警語句，發(fā)出聲光報警信號，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，并定時打印，也可召喚打印或顯示。
計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)備運(yùn)行參數(shù)超越其限值時，立即報警，越限值恢復(fù)正常值時，進(jìn)行復(fù)限提示。參數(shù)越、復(fù)限時，記錄發(fā)生時間（時、分、秒）、參數(shù)名稱、參數(shù)值勤等信息，并顯示打印故障報警語句，發(fā)出音響報警信號，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自動檢測本單元所監(jiān)視的設(shè)備、繼電保護(hù)和自動裝置的動作情況，當(dāng)發(fā)生狀態(tài)變換時，對于事故信號自動產(chǎn)生中斷，檢測事件性質(zhì)、發(fā)生時間，并順序記錄，上送電站控制層，計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)立即響應(yīng)中為信號，同時記錄事故發(fā)生時標(biāo)（時、分、秒、）、動作設(shè)備器件名稱、事故內(nèi)容等信息，并顯示、打印事故報警語句，發(fā)出聲光報警信號，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（命令發(fā)出），計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自動推出相應(yīng)單元的開、停機(jī)過程監(jiān)視畫面。畫面包括：單元編號、自動/手動標(biāo)記、開（停）機(jī)條件、用流程圖表示的開（停）機(jī)步驟、每步操作的時間及總時間。實(shí)時顯示全部開、停機(jī)過程中每一步驟及執(zhí)行情況，并按設(shè)備實(shí)際動作狀態(tài)自動改變步序框的顏色，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)驗加入控制程序中，即加入若干個智能點(diǎn)。譬如可以通過出口壓力信號或電機(jī)電流判斷反沖洗水泵是否出水(因離心水泵空轉(zhuǎn)時的電流比正常運(yùn)轉(zhuǎn)時的電流小得多)；又如當(dāng)程控打開某濾池的排水閥時，其全開行程開關(guān)未動作，但此時濾池水位突然下降，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量可以發(fā)現(xiàn)被控設(shè)備的故障。再譬如，可以通過計算液控蝶閥前后補(bǔ)油的時間間隙來判斷其是否漏油，這種將運(yùn)行人員經(jīng)驗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)程手動操作
水廠過程控制(如對加氯、加礬、恒水位控制等)具有慣性大、純滯后時間長等特點(diǎn)。理論證明，對于具有Ke<;SUP>-τ/(1+T1;)(1+T2S)特性的控制對象，PID是一種最優(yōu)控制，但當(dāng)其純滯后時間τ大于數(shù)分鐘時，采用PID控制的效果不佳。對于加藥系統(tǒng)來說，純滯后時間由其投加點(diǎn)及采樣點(diǎn)的距離決定。作為一個特例，濾后水加氯較為復(fù)雜，為了達(dá)到自動控制的目的，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。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)的純滯后時間，效果很好，真正做到了自動投加。當(dāng)然也可以利用PLC所提供的PID指令構(gòu)成串級控制系統(tǒng)，其目的都是為了克服或補(bǔ)償系統(tǒng)純滯后時間太長對控制帶來的影響。
對于慣性大、純滯后時間長的系統(tǒng)采用手動控制是很有效的，一個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)行手動操作，則該方式至少可以作為自動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)自動和手動控制的無擾動切換，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。
6 結(jié)束語
本文基于羅克韋爾自動化的系列產(chǎn)品組建的水廠自動控制系統(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。
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