基于現(xiàn)場總線的水廠水處理控制系統(tǒng)

　　概述
　　自來水廠水生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)多變量（如流量、溫度、壓力等）多任務(wù)（如水的輸送、投藥/加氯控制、格柵與排泥控制、濾池控制、出水泵起/停控制、壓力控制、數(shù)據(jù)管理等）多設(shè)備（如電機(jī)、閥門、泵等）并具有時(shí)變性、耦合性和隨機(jī)性的復(fù)雜非線性系統(tǒng)。圖1表示了凈水生產(chǎn)工藝流程。國內(nèi)現(xiàn)有的自來水廠水生產(chǎn)系統(tǒng)大部分采用落后的常規(guī)儀表和后動(dòng)操作。近年來，也有采用DCS技術(shù)的計(jì)算機(jī)控制，取代了常規(guī)儀表和手動(dòng)操作，在實(shí)現(xiàn)水生產(chǎn)的分散自動(dòng)控制和集中監(jiān)控方面，取得了一定的進(jìn)展。但基于DCS的系統(tǒng)存在一些重要缺陷，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的DCS系統(tǒng)是自封閉式的集散系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)與外界之間的依靠交互和共享，使 自動(dòng)化系統(tǒng)成為"信息孤島"；另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場底層傳感器和數(shù)據(jù)采集器之間采用一對(duì)一物理連線和模擬信號(hào)傳輸導(dǎo)致大范圍布線，給現(xiàn)場施工帶來很大麻煩，同時(shí)，信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力也較差。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是開放系統(tǒng)互連協(xié)議（OSI）的制定和TCP/IP協(xié)議的廣泛應(yīng)用，工控領(lǐng)域也不斷產(chǎn)生先進(jìn)的控制模式，逐步形成了以網(wǎng)絡(luò)集成自動(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)。現(xiàn)場總線（FIELDBUS）就是順應(yīng)這一形勢發(fā)展起來的新技術(shù)。基于現(xiàn)場總線技術(shù)，我們針對(duì)某水廠設(shè)計(jì)了現(xiàn)場總線水生產(chǎn)系統(tǒng)，它以PROFIBUS現(xiàn)場總線為核心，以智能設(shè)備PLC為控制主體，以IPC-610工控機(jī)和PC機(jī)為系統(tǒng)編程、組態(tài)、維護(hù)、監(jiān)控和管理的一體化工作平臺(tái)。較好地解決了傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)中存在的問題，實(shí)現(xiàn)了水生產(chǎn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)以及工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)的集成。
　　　　　　　　　　　　　　　　
　　現(xiàn)場總線技術(shù)
　　現(xiàn)場總線是20世紀(jì)80年代中期在國際上發(fā)展起來的一種先進(jìn)的控制技術(shù)。目前國際上流行的現(xiàn)場總線主要有過程現(xiàn)場總線PROFIBUS、基金會(huì)現(xiàn)場總線FF、LonWorks總線、CAN總線等，世界上許多自動(dòng)化技術(shù)生產(chǎn)商都推出了支持某種主流現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。PROFIBUS是由Siemens等80家公司聯(lián)合制定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。近年來，PROFIBUS在眾多的現(xiàn)場總線應(yīng)用中占居首位，已廣泛應(yīng)用于加工制造自動(dòng)化、過程自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域。
　　PROFIBUS是一個(gè)多種協(xié)議并存的現(xiàn)場總線技術(shù)，不同協(xié)議的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)透明傳輸，這使得PROFIBUS成為連接過去、現(xiàn)場和未來的一種十分有效的現(xiàn)場總線技術(shù)。所以，在水廠網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，PROFIBUS成為當(dāng)然的選擇。
　　
　　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　現(xiàn)場總線技術(shù)的核心是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，信息處理要滿足實(shí)時(shí)性、完整性、一致性和可靠性的要求?；谒a(chǎn)系統(tǒng)的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用了企業(yè)局域網(wǎng)（Enterprise LAN）和現(xiàn)場總線的集成化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了從現(xiàn)場測控到水廠內(nèi)部信息管理系統(tǒng)的集成結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了從現(xiàn)場測控到水廠內(nèi)部信息管理系統(tǒng)的集成以及與水廠外部信息交互的集成。
　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　
　　整個(gè)系統(tǒng)中的管理工作站、生產(chǎn)調(diào)度工作站、監(jiān)控工程師站、監(jiān)控操作員站和數(shù)據(jù)管理服務(wù)器構(gòu)成系統(tǒng)的生產(chǎn)和調(diào)度、計(jì)劃和管理、決策支持信息網(wǎng)絡(luò)層。該層網(wǎng)上傳遞的是管理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較大，但實(shí)時(shí)性要求不是很高，所以采用以太網(wǎng)。為提高系統(tǒng)可靠性，防止由于通信電纜故障引起的數(shù)據(jù)丟失和失控現(xiàn)象，采用以工業(yè)以太網(wǎng)方式互連，使系統(tǒng)具有冗余功能。通過網(wǎng)絡(luò)能將水廠決策、計(jì)劃、管理、經(jīng)營和調(diào)度等所有功能信息進(jìn)行有效地集成，使水廠各個(gè)職能部門和車間成為一個(gè)統(tǒng)一的整體。同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)也可以訪問水源地的源水信息，實(shí)現(xiàn)大范圍的數(shù)據(jù)共享。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中各計(jì)算機(jī)的主要功能是：生產(chǎn)調(diào)度工作站的功能是實(shí)現(xiàn)水廠各車間生產(chǎn)調(diào)度自動(dòng)化，并自動(dòng)生成水生產(chǎn)安排業(yè)務(wù)單；管理工作站的作用是對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的管理，生成水廠管理所必需的各種統(tǒng)計(jì)信息報(bào)表并打?。粩?shù)據(jù)管理服務(wù)器選用大型數(shù)據(jù)庫SQL Server2000來完成對(duì)數(shù)據(jù)的管理，數(shù)據(jù)庫提供標(biāo)準(zhǔn)SQL查詢，并通過ODBC或DDE或其它數(shù)據(jù)庫連接；監(jiān)控工程師站的作用是完成對(duì)系統(tǒng)工藝參數(shù)的設(shè)定和修改、報(bào)警上下限的設(shè)定、設(shè)備的組態(tài)以及系統(tǒng)運(yùn)行、生產(chǎn)、報(bào)警歷史資料的顯示和查詢等功能；監(jiān)控操作員站的作用是完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與交換及顯示等功能?！?
　　現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)層傳遞的是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量少，但實(shí)時(shí)性強(qiáng)。所以，現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)選用PROFIBUS。
　　主控PLC之間可以通過PROFIBUS-FMS互連，同時(shí)也與以太網(wǎng)互連，主控PLC與分控PLC控制單元通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線相連。各分控PLC可以獨(dú)立工作。采用PROFIBUS-DP能使分控PLC、變頻器、軟啟動(dòng)器、各種智能傳感器和外圍I/O設(shè)備等同主控PLC或計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。PROFIBUS-FMS用于現(xiàn)場控制單元網(wǎng)絡(luò)的通信任務(wù)。
　　PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要由通信處理器CP（Communication Processor）和網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)組成。通信處理器用于總線網(wǎng)絡(luò)和點(diǎn)到點(diǎn)通信，通RS485接口使系統(tǒng)與其它廠商的總線系統(tǒng)互連，并能使系統(tǒng)中的主要現(xiàn)場設(shè)備，如變頻器、軟啟動(dòng)器等實(shí)現(xiàn)即插即用。另外，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還應(yīng)包括工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)，它由工業(yè)攝像機(jī)、鏡頭、云臺(tái)、視頻矩陣切換器、工業(yè)監(jiān)視器、室外解碼器和錄像機(jī)等硬件設(shè)備配以多媒體軟件組成，完成對(duì)水生產(chǎn)工藝過程的重要工位進(jìn)行監(jiān)視管理。
　　系統(tǒng)功能描述
　　基于PROFIBUS設(shè)計(jì)的水處理網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要具有如下功能：
　?。?、格柵與排泥控制
　　格柵間有4臺(tái)格柵機(jī)，由一臺(tái)輸入點(diǎn)數(shù)為32、輸出點(diǎn)數(shù)為16的SIEMENS S7-300PLC來控制，控制方式有自動(dòng)和手動(dòng)。在自動(dòng)方式下，系統(tǒng)根據(jù)PLC中設(shè)定的定時(shí)值以及格柵前后水位差來自動(dòng)控制格柵機(jī)的動(dòng)作。吸砂機(jī)的工作狀態(tài)也由PLC檢測和控制。沉淀池PLC根據(jù)水濁度高低，設(shè)定吸泥機(jī)運(yùn)行周期時(shí)間和運(yùn)行方式，濁度高時(shí)，雙程吸泥，運(yùn)行時(shí)間長；濁度低時(shí)，單程吸泥，運(yùn)行時(shí)間短。
　?。?、投藥加氯控制
　　　投藥/加氯控制系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)較多，選用一臺(tái)輸入點(diǎn)數(shù)為192、輸出點(diǎn)數(shù)為192的SIEMENS S7-400 PLC來控制。
　　投藥間有混凝劑加計(jì)量泵8臺(tái)，助凝劑投加計(jì)量泵8臺(tái)。每臺(tái)計(jì)量泵均用一臺(tái)交流變頻調(diào)速器驅(qū)動(dòng)，兩種投加計(jì)量均為6臺(tái)工作、2臺(tái)備用。6臺(tái)計(jì)量泵對(duì)應(yīng)6組反應(yīng)池，一對(duì)一投加混凝劑和助凝劑。投藥控制是水廠水處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它是一個(gè)大延時(shí)強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，在技術(shù)上有一定難度。我們?cè)O(shè)計(jì)了自學(xué)習(xí)模糊控制算法，系統(tǒng)根據(jù)PLC采集的原水溫度、濁度、PH值等參數(shù)的大小，經(jīng)自學(xué)習(xí)模糊控制器調(diào)整后，由PLC控制交流變頻調(diào)速器的工作狀態(tài)改變計(jì)量泵的頻率和沖程，以此控制計(jì)量泵的頻率和沖程，以此控制計(jì)量泵投藥量的大小，控制效果較好。加氯間有7臺(tái)真空式V型槽加氯機(jī)，其中4臺(tái)負(fù)責(zé)進(jìn)水管處的前加氯，其余3臺(tái)加氯機(jī)作為消毒加氯（后加氯）用，消毒加氯采用流量、余氯復(fù)合閉環(huán)控制方式（2臺(tái)工作，1臺(tái)備用），向2個(gè)濾池出水管處加氯消毒。另外，投藥/加氯主控PLC還要擔(dān)負(fù)投藥間的干粉溶解、加氯間的氯氣瓶切換、漏氣報(bào)警和安全控制等任務(wù)。
　
　　３、濾池控制
　　濾池控制是水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)中最主要的控制環(huán)節(jié)，按其過程可以分為過濾過程控制和反沖過程控制。由于濾池個(gè)數(shù)多且每個(gè)濾池I/O點(diǎn)數(shù)較少，選用25臺(tái)輸入輸出點(diǎn)數(shù)均為16的SIEMENS S7-300 PLC來控制。在過濾過程中，各濾池的PLC能根據(jù)對(duì)應(yīng)濾池的水位、阻塞值以及運(yùn)行時(shí)間自動(dòng)調(diào)節(jié)各凈水閥開啟度并使各濾池水位保持恒定。當(dāng)阻塞值或?yàn)V池運(yùn)行時(shí)間超設(shè)定值時(shí)，濾池PLC向反沖洗PLC發(fā)出反沖洗請(qǐng)求，當(dāng)請(qǐng)求被允許之后，濾池進(jìn)入反沖洗過程。在反中洗過程中，反沖洗PLC需要控制反沖洗水的流量、反沖洗氣的壓力，并與對(duì)應(yīng)濾池PLC配合控制反沖洗時(shí)間、漂洗時(shí)間以及反沖洗過程中有關(guān)閥門的開啟與關(guān)閉。
　?。?、水泵群控制
　　制作好的凈水要通過水泵輸入到水管道中。出水泵房共有8臺(tái)容量大小不等的水泵。系統(tǒng)用了一臺(tái)輸入點(diǎn)數(shù)為48、輸出點(diǎn)數(shù)為16的SIEMENS S7-300 PLC來控制。根據(jù)管網(wǎng)壓力和生產(chǎn)調(diào)度的要求系統(tǒng)能自動(dòng)完成開泵和關(guān)泵過程。由于在開閥或關(guān)閥時(shí)，管網(wǎng)壓力會(huì)突然變大或變小，為了避免因此而造成的誤動(dòng)作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)開閥或關(guān)閥指令進(jìn)行記憶，在一定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)自動(dòng)停止開關(guān)閥門，等到管網(wǎng)壓力穩(wěn)定后自動(dòng)繼續(xù)開關(guān)閥門。同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)閥門、機(jī)械、電路等多種故障具有監(jiān)控報(bào)警功能。
　?。?、其他功能
　　系統(tǒng)除了具有以上控制功能外，還具有生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度、信息管理與決策支持等管理功能，以及視頻監(jiān)視功能等。
　　結(jié)論與展望
　　基于現(xiàn)場總線的水生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)能有產(chǎn)地進(jìn)行工作，與傳統(tǒng)的方法相比，其最大的特點(diǎn)是造價(jià)低、功能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)靈活實(shí)用、可靠性高、安裝調(diào)試簡單且開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用低，根據(jù)不同的現(xiàn)場情況與用戶要求，系統(tǒng)可以擴(kuò)展為不同的模式。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的有效無縫集成，從本質(zhì)上完成現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場設(shè)備互連、通信線供電、統(tǒng)一組態(tài)、開放式互連網(wǎng)絡(luò)等功能。
　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將為工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)的全面自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制提供強(qiáng)大的基礎(chǔ)．