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化產(chǎn)品實現(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)的實例蒲障，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件及軟件架構(gòu)和實施注意事項锡宋。實際運行的結(jié)果證明：本系統(tǒng)利用羅克韋爾自動化產(chǎn)品，成功實現(xiàn)大中型水廠的自動控制媳否，值得國內(nèi)同行借鑒栅螟。

關(guān)鍵詞: 羅克韋爾 自動控制 PLC 主機

1 引言

　　隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，環(huán)境保護篱竭、生活用水的要求更高了力图。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)運作的需要厘乱，因此先進的計算機控制技術(shù)應(yīng)運而生雅跺。通過先進的自動控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)對水廠制水潭女、污水處理枕篡、水軟化、送配水等工程運作的監(jiān)視和控制捍秃。因此以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)生香，輔以可編程控制器（PLC）組成分布式集散系統(tǒng)對水廠實現(xiàn)了全過程自動化和現(xiàn)代化管理舌捡。技術(shù)先進、設(shè)備可靠藐病、運行穩(wěn)定渐位，同時提高了供水質(zhì)量，節(jié)約了人力减少，降低了成本堆鸦。

　　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)的安全可靠運行，達(dá)到優(yōu)質(zhì)供水節(jié)能降耗的目的填抬，本文基于國內(nèi)華南地區(qū)某大型水廠的實例烛芬，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)飒责。

2　系統(tǒng)闡述

　　按照通常水廠的工藝實踐赘娄，我們將取水和排污放在同一個取水分站控制，而混凝宏蛉、反應(yīng)遣臼、沉淀和消毒放在加藥分站控制，過濾在濾池分站控制拾并，送水在送水分站控制揍堰。

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（取水分站嗅义、加藥分站屏歹、濾池分站和送水分站），有的現(xiàn)場分站下還掛有控制子站之碗◎簦控制子站與現(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形式通訊褪那，中心控制室內(nèi)的各計算機則通過高速以太網(wǎng)通訊∏Ｉ睿現(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)備的運行狀態(tài)；自動時喷围，PLC監(jiān)控設(shè)備的運行粉越。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码杆，現(xiàn)場分站PLC可以監(jiān)控設(shè)備的運行薄罕，而中心控制室只能監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)；當(dāng)處于遠(yuǎn)程控制方式時扬饰，中心控制室可以監(jiān)控設(shè)備的運行宛办。

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

　』（1）主控服務(wù)器計算機兩套班跟，以互為熱備用方式工作属荤，完成計算機監(jiān)控系統(tǒng)的管理。

　“寰丁（2）操作員工作站設(shè)兩套就初，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疾捍，一臺用于監(jiān)控奈辰，一臺用于監(jiān)視。當(dāng)監(jiān)控工作站因故退出時乱豆，監(jiān)視工作站可自動或手動升為監(jiān)控站奖恰。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)宛裕。

2.2.2 現(xiàn)場控制層

　　廠房內(nèi)設(shè)有四套分站控制單元瑟啃，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)采集及處理揩尸，并向網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)蛹屿，接受上位機的命令和管理。同時單個控制分站具有獨立的控制岩榆、調(diào)節(jié)和監(jiān)視功能错负，配有鍵盤和監(jiān)視器。當(dāng)與上位機系統(tǒng)脫機時勇边，仍可進行必要的控制調(diào)節(jié)和監(jiān)視犹撒。分站控制單元由工控機和PLC及遠(yuǎn)程I/O等設(shè)備組成。整個系統(tǒng)的主計算機渠余、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)連接通信斟策。

　　（1）取水分站

　　取水分站下掛兩個子站采散，分別對取水吸水井上的格柵除污機進行控制胡傅，并接收吸水井上的儀表信號。吸水井上沒有采用傳統(tǒng)的差壓檢測儀猩琳，而是采用帶有兩個超聲波探頭的水位檢測儀母烘。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侈兄，輸出水位差值惨侵。除污機的開停可以由水位差值來控制版痪，也可以根據(jù)設(shè)定的時間周期來控制蓉肤。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棋捷，還有原水虹吸管抽真空系統(tǒng)脸狸，取水泵抽真空系統(tǒng)，取水泵藐俺，排水泵房及變配電系統(tǒng)炊甲。其中取水泵抽真空系統(tǒng)為進口設(shè)備，常保抽真空方式欲芹，它具有一套獨立的控制系統(tǒng)卿啡，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菱父。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)颈娜。

　　取水分站所檢測的儀表信號有原水濁度、PH值浙宜、溫度揭鳞、清水池水位、取水吸水井水位及取水泵與電機溫度梆奈、出口壓力野崇。

　　（2）加藥分站

　　加藥分站下掛兩個控制子站亩钟，分別對設(shè)在近期和遠(yuǎn)期沖洗泵房的 用于加氯乓梨、加氨用的增壓泵進行控制。

　　加藥分站的主要控制對象除了增壓泵以外林慷，還有加礬系統(tǒng)浓蜈、加氯系統(tǒng)、加氨系統(tǒng)否胸、反應(yīng)池排泥系統(tǒng)及配電系統(tǒng)芳迅。

　　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中檢測馆梦，作為反饋環(huán)節(jié)蕾胶。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桐继，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后控制計量泵的沖程與頻率刘耀，從而調(diào)節(jié)加礬量。SCD設(shè)定值則根據(jù)待濾水濁度確定蚤弃，這個設(shè)定值不是一個定值召藻，它需要經(jīng)過長期的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗和實際情況確定。

　　加氯系統(tǒng)包括前加氯與后加氯系統(tǒng)偿尘。前加氯是根據(jù)原水流量按比例投加忆某；后加氯則根據(jù)濾后水流量進行投加点待，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弃舒，一期沒有安裝亦鳞。

　　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：原水流量棒坏、待濾水濁度、清水池余氯遭笋、濾后水流量坝冕、SCD檢測值、礬液池液位瓦呼、計量泵出口壓力及流量

　∥箍摺（3）濾池單元

　　濾池分站的主要控制對象有平流沉淀池、氣水反沖洗濾池央串、反沖洗泵磨澡、鼓風(fēng)機、空壓機及變配電系統(tǒng)质和。
　　濾池分站下掛10個單格濾池控制子站队乔。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甸诽，用于控制該格濾池出水閥門的開度拾肚，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所惶。濾池的沖洗程序為三段式?jīng)_洗：氣沖奶匆、氣水混合沖、水沖桦溃。在反沖洗泵晕围、鼓風(fēng)機房內(nèi)共裝設(shè)了三臺沖洗泵，三臺鼓風(fēng)機呐相，均為兩用一備黑寻。氣沖時兩臺鼓風(fēng)機運行，氣水混合沖時再加一臺沖洗泵汞小，水沖時僅兩臺沖洗泵運行壕哩。試運行期間，氣沖時間為2分鐘男窿，氣水混合沖時間為2分鐘扎运，水沖時間為6分鐘，這些時間參數(shù)均為可調(diào)參數(shù)饮戳，通過長期的生產(chǎn)運行經(jīng)驗確定一個最佳參數(shù)豪治。
　　濾池分站所檢測的儀表信號有：沖洗泵、鼓風(fēng)機出口壓力、濾后水濁度负拟。

　》骋隆（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)掩浙、出廠水及變配電系統(tǒng)花吟。
　　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厨姚，由中心控制主站給出開停泵信號衅澈，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谬墙。
　　送水分站所檢測的儀表信號有送水泵出口壓力今布、送水泵及電機溫度，出廠水壓力育另、流量掩半、PH值、濁度和余氯值衷谋。
2.2.3設(shè)備控制層

　　本層包含了虹吸溉谣、碳水、增壓榜寸、加礬蒸橡、濾格等14個小控制箱，采用的羅克韋爾的SLC5/02設(shè)備深境。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)上每玛。各個設(shè)備之間可獨立運行，也可通過網(wǎng)絡(luò)接受命令并進行相應(yīng)處理旅雇。該局域網(wǎng)所有的主機和站點都可以共享輔助設(shè)備的信息芦赔，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監(jiān)控畫面上。

3　系統(tǒng)配置及特點

　　系統(tǒng)的PLC軟硬件都采用了羅克韋爾的產(chǎn)品跃旁，通訊軟件采用RSLinx桥膝，梯形圖編程軟件采用RSLogix5和RSLogix500，人機界面采用Rockwell的RSView32來完成數(shù)據(jù)采集撒穷、記錄匣椰、操作監(jiān)控等任務(wù)，操作系統(tǒng)采用Windows中文NT系統(tǒng)端礼，設(shè)置了用戶安全管理體系禽笑，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)軟件自身采用實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來進行分析和管理蛤奥，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)選用微軟的SQL Server2000產(chǎn)品佳镜。

　　軟件的各個功能塊如下：

3.1 監(jiān)控畫面功能

　×鸥濉（1）監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(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)。

　◇吧臁（2）電站所有需要監(jiān)測的各種參數(shù)的實時和歷史曲線圖蚀同、棒型圖畫面。

　“√汀（3）各種運行和管理報表及表格畫面蠢络。

　　（4）水廠的平面圖迟蜜、動畫等顯示刹孔。

3.2數(shù)據(jù)采集和處理功能

　　系統(tǒng)可自動實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：機所有工作分站及子站的電氣模擬量苹衰、非電氣模擬量、脈沖量狞朦、開關(guān)量的采集棘爱，對這些數(shù)據(jù)進行處理和分析，處理后的數(shù)據(jù)以一定的格式存入實時數(shù)據(jù)庫澎矗，形成實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫柜棠，以備系統(tǒng)調(diào)用和隨時查詢，并對監(jiān)視的模擬量标晤、開關(guān)量歇决、脈沖量進行統(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)庫蕴轩，并作為報表輸出的主要數(shù)據(jù)來源芹蟹。當(dāng)出現(xiàn)異常事件記錄和出現(xiàn)事故時，計算機監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)目前的情況自動進行處理搁突。

3.3 綜合參數(shù)統(tǒng)計绍绽、計算與分析功能

　　計算機監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)實時采集到的數(shù)據(jù)進行周期、定時或召喚計算與分析经磅，形成計算數(shù)據(jù)庫與歷史數(shù)據(jù)庫泌绣，幫助運行人員對水廠設(shè)備的運行進行全面監(jiān)視與綜合管理，可及時發(fā)現(xiàn)故障征兆预厌，提高單元運行的安全性阿迈。對現(xiàn)成的計算數(shù)據(jù)列出作為實時數(shù)據(jù)處理，存入相應(yīng)的實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫轧叽，進行越限報警苗沧、啟動相關(guān)處理程序等操作。

3.4 安全運行監(jiān)視及事件報警功能

　√可埂（1）主要設(shè)備安全運行實時監(jiān)視

　　計算機監(jiān)控系統(tǒng)可以使運行人員通過主機兼操作員工作站顯示器屏幕對全廠主要設(shè)備運行狀態(tài)和運行參數(shù)進行實時監(jiān)視崎页，包括狀態(tài)變化監(jiān)視鞠绰、越限檢查、過程監(jiān)視飒焦、歷史趨勢分析和監(jiān)控系統(tǒng)異常監(jiān)視蜈膨。

　　（2）事件報警

　　計算機監(jiān)控系統(tǒng)周期性掃描故障信號牺荠，故障發(fā)生時强剥，立即響應(yīng)并處理，同時記錄故障發(fā)生時間（時例杰、分拟晋、秒）、動作設(shè)備器件名稱侥丝、事故內(nèi)容等信息蛇狐，并顯示、打印故障報警語句贬打，發(fā)出聲光報警信號腿宛，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)庫猫荤。故障記錄表格為故障匯總記錄表顶山，可供值班人員查尋，并定時打印瞭芬，也可召喚打印或顯示刨塔。

　　計算機監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)備運行參數(shù)超越其限值時卜壕，立即報警您旁，越限值恢復(fù)正常值時，進行復(fù)限提示轴捎。參數(shù)越被冒、復(fù)限時，記錄發(fā)生時間（時轮蜕、分昨悼、秒）、參數(shù)名稱跃洛、參數(shù)值勤等信息率触，并顯示打印故障報警語句，發(fā)出音響報警信號汇竭，形成全廠參數(shù)越看待線記錄并存入數(shù)據(jù)庫葱蝗。

　　單元現(xiàn)地LCU自動檢測本單元所監(jiān)視的設(shè)備、繼電保護和自動裝置的動作情況细燎，當(dāng)發(fā)生狀態(tài)變換時两曼，對于事故信號自動產(chǎn)生中斷皂甘，檢測事件性質(zhì)、發(fā)生時間瞳胸，并順序記錄哪峰，上送電站控制層，計算機監(jiān)控系統(tǒng)立即響應(yīng)中為信號节拷，同時記錄事故發(fā)生時標(biāo)（時守搬、分、秒啦掸、）杰趾、動作設(shè)備器件名稱、事故內(nèi)容等信息匀象，并顯示稀销、打印事故報警語句，發(fā)出聲光報警信號乏茶，按事故發(fā)生的先后次序排列栗绝，形成事件記錄并存入數(shù)據(jù)，可按設(shè)備進行搜索記錄衡喧。

　　單元開玫氢、停機時（命令發(fā)出）帚屉，計算機監(jiān)控系統(tǒng)自動推出相應(yīng)單元的開、停機過程監(jiān)視畫面漾峡。畫面包括：單元編號攻旦、自動/手動標(biāo)記、開（停）機條件生逸、用流程圖表示的開（停）機步驟牢屋、每步操作的時間及總時間。實時顯示全部開槽袄、停機過程中每一步驟及執(zhí)行情況烙无，并按設(shè)備實際動作狀態(tài)自動改變步序框的顏色，以區(qū)分已操作遍尺、正在操作截酷、待操作及操作受阻部位。并提示在開乾戏、停機過程受阻的受阻部位的原因迂苛，進行開環(huán)運行指導(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)的實用性實際上要求系統(tǒng)有較高的智能度或容錯能力鼓择。開發(fā)大型的專家系統(tǒng)是比較困難的甘虑，但可以將平常的運行經(jīng)驗加入控制程序中澈嘱，即加入若干個智能點。譬如可以通過出口壓力信號或電機電流判斷反沖洗水泵是否出水(因離心水泵空轉(zhuǎn)時的電流比正常運轉(zhuǎn)時的電流小得多)匪笨；又如當(dāng)程控打開某濾池的排水閥時收黔，其全開行程開關(guān)未動作，但此時濾池水位突然下降喝灌，由此判斷排水閥已打開而不必終止程序執(zhí)行栅刚。這些智能點的加入使系統(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)備的故障嘉栽。再譬如慈哗，可以通過計算液控蝶閥前后補油的時間間隙來判斷其是否漏油，這種將運行人員經(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)儀表所無法比擬的损螃。

5 過程控制及遠(yuǎn)程手動操作

　　水廠過程控制(如對加氯筋悴、加礬、恒水位控制等)具有慣性大筹聂、純滯后時間長等特點暖悦。理論證明，對于具有Ke<;SUP>-τ/(1+T1;)(1+T2S)特性的控制對象节芥，PID是一種最優(yōu)控制在刺，但當(dāng)其純滯后時間τ大于數(shù)分鐘時，采用PID控制的效果不佳头镊。對于加藥系統(tǒng)來說蚣驼，純滯后時間由其投加點及采樣點的距離決定。作為一個特例相艇，濾后水加氯較為復(fù)雜颖杏，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)控制的反饋信號坛芽。水廠的過濾后加氯采用了采樣PID控制留储，通過控制其采樣周期來補償系統(tǒng)的純滯后時間，效果很好咙轩，真正做到了自動投加获讳。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償系統(tǒng)純滯后時間太長對控制帶來的影響活喊。

　　對于慣性大丐膝、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乐肿、清水池水位等控制得很好珠技。如果中控室有人值班并可通過網(wǎng)絡(luò)進行手動操作，則該方式至少可以作為自動控制的一種后備或補充软雹，使系統(tǒng)更加可靠嘲本、實用荞扒。這里的關(guān)鍵問題是怎樣實現(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指令進行控制灌饵，這樣一方面可取消儀表的PID控制器窟蝌，大大節(jié)約了費用；另一方面粹龄，利用PLC的功能指令锉潜，能方便地實現(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插驾，值班工人可以很方便地執(zhí)行這些操作摹色。

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)，實現(xiàn)了單元的無人監(jiān)控篇裁、少人值班沛慢，提高了水廠自動化水平和水質(zhì)處理的效率，減輕了運行人員的負(fù)擔(dān)达布。實際運行證明团甲，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黍聂，減輕了操作人員工作強度躺苦，提高了水廠運行的安全和可靠性。

參考文獻(xiàn)

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