基于PLC和無線數(shù)傳的SCADA系統(tǒng)在水廠中應用

1、引言

自來水廠的制水過程是從水源地取水經(jīng)輸水管網(wǎng)至水廠經(jīng)處理達標后通過配水管網(wǎng)送至用戶。北京市石景山區(qū)楊莊水廠是以地下水為水源的水廠，規(guī)劃供水管線39千米，其中輸水管線4千米，配水管網(wǎng)35千米，工期工程設計供水能力為5萬噸/日，1998年月12月正式供水。該廠有10口水源井、1口補壓井及1 配個水廠，水源井潛水泵電動機容量為6臺85KW、4臺45KW，補壓井為45KW，配水廠內(nèi)有配水泵房一座、清水池兩座、變電站一個、加氯間一座、綜合樓一座，配水泵房內(nèi)有6臺160KW配水泵，其中2臺為變頻調(diào)速泵，4臺工頻泵，由兩路10KV/0.4KV容量為800KVA變壓器，加氯間有3臺加氯機，配水管網(wǎng)設有8個遠端壓力測量點。

我們針對水廠制水過程的特點和對控制系統(tǒng)的功能要求，并根據(jù)該廠的具體情況，最終決定采用羅克韋樂自動化的基于PLC的SCADA系統(tǒng)和基于客戶/服務器HMI組態(tài)軟件RSView32活動顯示系統(tǒng)（Active Display System ,ADS）

2、水廠對控制系統(tǒng)的要求

2.1、分散性

水廠最大的特點是地域極為分散。通常水源地、補壓井、測壓點距離廠區(qū)幾公里甚至幾十公里，這樣就造成控制系統(tǒng)I/O點分散，因此需要分布式的具有SCADA功能的控制系統(tǒng)。此外，控制功能也具有分散性，如各配水泵、水源井能分別地，互不影響地進行起動或停止控制。

2.2 集中監(jiān)控

為了節(jié)省人力，降低制水成本，水源井、補壓井等應常常是無人值守，操作人需要在中控室對整個水廠進行集中監(jiān)控。

2.3 小型化、集成化

以水源井為例，泵房內(nèi)通常有一口號或兩口井，對一臺或兩臺泵的控制點數(shù)很少，對于管網(wǎng)測壓點也很少。因此為了降低系統(tǒng)造價，控制系統(tǒng)需要小型化、低成本的具有集成SCADA通訊功能的控制器。

2.4 適應性

通常水源井泵房內(nèi)環(huán)境溫度一年四季變化很大，對于北方地區(qū)更是如此，此外供水量隨著季節(jié)和白天夜晚有很大變化，控制系統(tǒng)應能適應環(huán)境和供水量的變化，保持穩(wěn)定供水。

2.5 以邏輯控制為主

水廠的控制大部份是對輸水泵和配水泵的邏輯控制，回路控制通常只應用在加氯量及出水壓力的控制。而邏輯控制是可編程序控制器（PLC）的傳統(tǒng)應用領(lǐng)域，因此這也是目前水廠的控制系統(tǒng)廣泛采用PLC的原因。

2.6 可靠性、安全性

水廠的安全、穩(wěn)定運行直接關(guān)系到千家萬戶，所以從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計、軟硬件產(chǎn)品質(zhì)量到控制程序編制等各個環(huán)節(jié)都必須是高可靠性的。

2.7 可維持性

系統(tǒng)在系統(tǒng)軟件、應用軟件和硬件方面具有強大的報警和故障自診斷功能，方便工程師對系統(tǒng)故障進行分析和維護。

2.8 可擴展性

系統(tǒng)應采用具有一定標準及應用較為廣泛的軟硬件產(chǎn)品，并考慮一定的余量，為將來水廠的擴建及系統(tǒng)的變更打下基礎。

2.9 開放性

開放性是用戶對控制系統(tǒng)的普遍需求。隨著計算機和網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展和應用的普及，人們越來越需要過程控制系統(tǒng)與管理信息系統(tǒng)交互信息，從而實現(xiàn)管理與控制一體化。盡管各控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠家在現(xiàn)場控制器模塊級還不可能完全開放或通用，但必須要求上位機監(jiān)控系統(tǒng)具有開放性，例如：監(jiān)控系統(tǒng)應基于微軟公司的WindowsNT、2000或9X平臺，支持各種規(guī)范的協(xié)議如OPC、ODBC、ActiveX、DDE等。

3、 控制系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 控制系統(tǒng)硬件

楊莊水廠根據(jù)系統(tǒng)不同功能層次采用四種通信方式，共有19個PLC控制站構(gòu)成控制系統(tǒng)。以太網(wǎng)用于系統(tǒng)的管理層，DH+網(wǎng)和無線通訊用于各PLC控制器及計算機操作站之間的控制層通訊，遠程I/O網(wǎng)用于配水廠PLC控制器與變頻器軟起動器的設備層通訊,管理層與控制層通過服務器實現(xiàn)信息交互。DH+網(wǎng)和遠程I/O網(wǎng)采用屏蔽雙絞線進行通訊，具有連接方便、通訊距離遠的特點,是PLC通訊應用很廣的工業(yè)網(wǎng)絡,在通訊速度為57.6Kbps下，不加中繼可達10000英尺（3040米）加中繼可達12公里，DH+網(wǎng)可掛接64個控制器，遠程I/O網(wǎng)可掛接32個設備。無線通訊采用具有SCADA功能DF1主從通訊協(xié)議，PLC通過其標準RS232口與數(shù)傳電臺相連來實現(xiàn)無線通訊，通訊速率為9600bps/19200 bps。PLC1作為SCADA系統(tǒng)的主站用于控制和監(jiān)測配水系統(tǒng)和供電系統(tǒng)，PLC2用于監(jiān)控加氯系統(tǒng)，PLC00～PLC03、PLC07分別控制0#～3#、07#水源井，PLC05、PLC08分別控制5#、6#、和8#、9#兩口水源井，PLC10控制10#補壓井，PLC11～PLC18用于配水管網(wǎng)壓力監(jiān)測，位于中控室的OS1、OS2計算機PLC00～PLC02控制器只采用DH+網(wǎng)進行通訊；3#水源井～9#水源井距廠區(qū)較遠，為了防止通訊電纜被意外切斷影響水廠的運行，PLC03～08控制器采用互為熱備的DH+網(wǎng)和無線通訊，通常性況下采用速度較高的DH+有線通訊，一旦DH+網(wǎng)通訊失敗，系統(tǒng)將自動轉(zhuǎn)換到DF1無線通訊；10#補壓井和測壓點距離廠區(qū)更遠，采用有線通訊方式代價太高，因此PLC10及PLC11～PLC18控制器只采用DF1無線通訊方式。
在控制系統(tǒng)中，用于配水管網(wǎng)壓力監(jiān)測的PLC11～PLC18采用最為經(jīng)濟的微型可編程控制器MicroLogix1000，其它控制器均選取用可編程控制器SLC5/04，用于1#、6#配水泵的變頻器采用A-B公司1336Plus變頻器，其它配水泵和水源井都采用A-B公司具有泵控功能的SMC Dialog plus智能馬達控制器，HMI操作站選用研華586工控機，ADS服務器采用惠普HP E60服務器，工控機、服務器的DH+通訊接口卡采用A-B公司的1784-KTX，無線通訊電臺采用深圳華夏盛公司數(shù)字電臺2710。

3.2 控制系統(tǒng)監(jiān)控組態(tài)軟件

水廠的人機監(jiān)控系統(tǒng)由位于中控室的兩套RSView32計算機操作站和位于綜合樓的基于客戶/服務器RSView32活動顯示系統(tǒng)（ADS）組成。操作站安裝Windows95操作系統(tǒng)作為RSView32運行平臺，ADS服務器安裝Windows NT Server運行平臺，ADS客戶端安裝Windows98中文版操作系統(tǒng)作為RSView32 ADS Client運行平臺。RSView32是羅克韋樂自動化軟件公司采用開放技術(shù)，以MFC（微軟基礎級）、DCOM（分布元件對象）組件技術(shù)為基礎的人機監(jiān)控軟件，是第一個在圖形顯示中利用ActiveX、VBA、OPC的MMI產(chǎn)品，提供了監(jiān)視、控制及數(shù)據(jù)采集等全部功能，是一個使用方便、可擴展性強、監(jiān)控性能高的監(jiān)控組態(tài)軟件。RSView32 ADS將RSView32功贖罪MMI軟件擴展為客戶/服務器結(jié)構(gòu)。ADS服務器不僅可在現(xiàn)場，而且可以通過國際互聯(lián)網(wǎng)（Internet）在世界任何地方連接進入?？蛻舳丝梢圆捎肁DS軟件或Internet Explorer作為監(jiān)控軟件平臺。ADS最多可以同時支持20個特許的客戶連接。系統(tǒng)的安全策略利用Windows NT和RSView32提供的雙重安全功能，Windows NT在企業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)層面負責管理操作人員或系統(tǒng)管理員和登錄，而RSView32通過設置不同的安全級別在應用層面對用戶的操作權(quán)限進行控制，從而保證系統(tǒng)和正常操作，防止越權(quán)操作。

3.3 控制系統(tǒng)SCADA協(xié)議

A-B公司的可編程控制器SLC5/04和MicroLogix1000具有內(nèi)置的多功能的標準RS232接口通道0，通過該接口可以和編程器連接進行編程，也可以建立DH485網(wǎng)絡，還可以實現(xiàn)SCADA系統(tǒng)功能。該RS232接口有兩種工作方式，一種是系統(tǒng)方式，另一種是用戶方式，系統(tǒng)方式支持DH485和DFI通訊協(xié)議，用戶方式支持標準ASCII碼方式，通訊速率從110bps到19.2bps可組態(tài)。DFI協(xié)議是A-B公司PLC系統(tǒng)廣泛支持的通訊協(xié)議，包括各系列PLC及裝有RS Linx通訊軟件的計算機均支持DFI協(xié)議，通過該協(xié)議可以構(gòu)成基于PLC的SCADA系統(tǒng)。DFI協(xié)議支持點對點全雙工通訊模式以及點對多點半雙工主從通訊模式，DFI主從通訊方式支持包括主站在內(nèi)的多達255個站，站地址為0-255。SLC5/04通道0可組態(tài)選擇DFI全雙工，DFI半雙工主或DFI半雙工從，MicroLogix1000通道0可選擇DFI全雙工或DFI半雙工從。楊莊水廠無線通訊SCADA系統(tǒng)采用點對多點半雙工通訊模式，PLC1作為主站采用DFI半雙工主通訊方式，其它PLC控制器作為從站采用DFI半雙工從通訊方式，主站PLC采用對各從站輪詢方式并通過信息（MSG）指令來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的。DFI主從通訊方式不僅能實現(xiàn)主站與從站的通訊，而且能實現(xiàn)從站與從站的通訊。主站對從站的通訊可組態(tài)面基于信息的輪詢方式或標準的輪詢方式。

4、 控制系統(tǒng)功能

4.1 可靠的控制策略

互為備用。在控制系統(tǒng)的功能設計上，各配水泵、輸水泵都具有獨立的控制功能互為備用，相互之間既可以在自動控制方式下實現(xiàn)任意組合聯(lián)鎖控制，也可以地手動控制方式下獨立控制。中控室的兩臺操作站具有同等的功能且互為熱備，當一臺出現(xiàn)故障時也不會影響水廠的操作。水源井PLC通訊采用了互為備用的DH+有線和DFI無線通訊。

就地和遠程控制方式。各配水泵、輸水泵通過配水泵控制柜上的選擇開關(guān),可以選擇就地控制方式和遠程控制方式。遠程控制是通過計算機操作站由PLC控制泵啟停，就地控制是用控制柜或現(xiàn)場操作箱上的按鈕控制泵的啟停。當PLC處于編程狀態(tài)或出現(xiàn)故障時可以采用就在控制方式。就地和遠程控制方式相互切換不會影響泵的運行。

4.2 配水泵的控制

手動控制。各配水泵在遠程控制方式下分手動控制和自動控制。手動控制是由操作員根據(jù)管網(wǎng)的壓力情況對配水泵進行啟動和停止操作。遠程控制方式下配水泵與電動閥的聯(lián)鎖控制都由PLC自動完成。
自動控制。PLC根據(jù)出水壓力和變頻器的輸出頻率，處于自動方式的配水泵進行循環(huán)啟?？刂疲h(huán)啟?？刂频囊?guī)則是先開先停。

4.3 水源井輸水泵的控制

手動控制。操作員根據(jù)清水池液位對輸水泵進行啟動和停止操作。

自動控制。PLC根據(jù)清水池液位及各輸水泵起動水位和停止水位，對處于自動方式的輸水泵進行啟動和停止操作。

4.4 出水壓力變參數(shù)PID調(diào)節(jié)

出水壓力的調(diào)節(jié)是通過變頻器控制配水泵的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。在現(xiàn)場調(diào)試中，我們發(fā)現(xiàn)固定參數(shù)的PID調(diào)節(jié)不能解決供水高峰的出水壓力控制動態(tài)響應和穩(wěn)定性問題。我們通過采用變參數(shù)PID調(diào)節(jié)方法很好地解決了這一問題。變參數(shù)PID調(diào)節(jié)是根據(jù)出水流量的大小采用不同的PID參數(shù)進行出水壓力調(diào)節(jié)。

4.5 出水壓力自動設定

配水管網(wǎng)的壓力損失大小隨著供水量的變化而不同，供水量越大壓力損失也越大。力了達到既滿足用戶對水壓穩(wěn)定的要求又能實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標，我們根據(jù)出水量、出水壓力及各測壓點壓力測量值，采用模糊控制的方法對出水壓力進行自動設定。

4.6 豐富的畫面顯示功能

在計算機操作站顯示的畫面有工藝流程主畫面、工藝流程分畫面、高低壓供電監(jiān)控畫面、設備操作畫面、趨勢圖、調(diào)用菜單畫面、報警畫面、報表畫面、防盜報警畫面。操作人員通過調(diào)用這些畫面可以全面地了解水廠的運行情況，并且很方便地對設備操作。

4.7 故障診斷與報警處理功能

在各設備的操作畫面中都列出其起動條件狀態(tài)，如：上電情況、通訊狀態(tài)、故障狀態(tài)、就地/遠程狀態(tài)、熱繼狀態(tài)等。記錄報警發(fā)生時的有關(guān)信息，如：故障標簽名稱、報警信息、故障報警時間、確認報警時間等，并對報警信息進行管理。

4.8 多重主設備保護功能

1336 Plus變頻器和SMC Dialog Plus智能馬達控制器提供了多重設備保護功能,如：過載、失速及堵轉(zhuǎn)、欠載、欠壓、過壓、電壓不平衡等保護。

4.9 報表功能

本系統(tǒng)輸出的報表有以下五種，即輸水工藝參數(shù)日報表、配水工藝參數(shù)日報表、輸水工藝參數(shù)月報表、配水工藝參數(shù)月報表、水廠工藝參數(shù)年報表。

4.10 遠程監(jiān)控功能

采用基于客戶/服務器HMI組態(tài)軟件RSView32 ADS，實現(xiàn)了對水廠的遠程監(jiān)控。操作人員可在中央控制室對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控、公司經(jīng)理、廠長、工程師坐在辦公室甚至在家里也可以監(jiān)控水廠的運行情況。

5、 結(jié)束語

本系統(tǒng)在該水廠已穩(wěn)定運行三年多，運行結(jié)果表明羅克韋爾自動化的PLC基于SCADA系統(tǒng)能充分滿足對水廠控制系統(tǒng)的要求，對水廠的安全運行、提高供水質(zhì)量、節(jié)能降耗、優(yōu)化管理等方面起到了至關(guān)重要的作用。