摘要:本文通過分析水廠對控製係統的功能要求,介紹了羅克韋爾自動化的基於PLC的SCADA係統和RSView32人機監控組態軟件及其活動顯示係統在水廠的應用。
1、引言
自zi來lai水shui廠chang的de製zhi水shui過guo程cheng是shi從cong水shui源yuan地di取qu水shui經jing輸shu水shui管guan網wang至zhi水shui廠chang經jing處chu理li達da標biao後hou通tong過guo配pei水shui管guan網wang送song至zhi用yong戶hu。北bei京jing市shi石shi景jing山shan區qu楊yang莊zhuang水shui廠chang是shi以yi地di下xia水shui為wei水shui源yuan的de水shui廠chang，規gui劃hua供gong水shui管guan線xian39千米，其中輸水管線4千米，配水管網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台85KW、4台45KW，補壓井為45KW，配水廠內有配水泵房一座、清水池兩座、變電站一個、加氯間一座、綜合樓一座，配水泵房內有6台160KW配水泵，其中2台為變頻調速泵，4台工頻泵，由兩路10KV/0.4KV容量為800KVA變壓器，加氯間有3台加氯機，配水管網設有8個遠端壓力測量點。
我們針對水廠製水過程的特點和對控製係統的功能要求，並根據該廠的具體情況，最終決定采用羅克韋樂自動化的基於PLC的SCADA係統和基於客戶/服務器HMI組態軟件RSView32活動顯示係統（Active Display System ,ADS）
2、水廠對控製係統的要求
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、測壓點距離廠區幾公裏甚至幾十公裏，這樣就造成控製係統I/O點分散，因此需要分布式的具有SCADA功能的控製係統。此外，控製功能也具有分散性，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製。
2.2 集中監控
為了節省人力，降低製水成本，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控。
2.3 小型化、集成化
以yi水shui源yuan井jing為wei例li，泵beng房fang內nei通tong常chang有you一yi口kou號hao或huo兩liang口kou井jing，對dui一yi台tai或huo兩liang台tai泵beng的de控kong製zhi點dian數shu很hen少shao，對dui於yu管guan網wang測ce壓ya點dian也ye很hen少shao。因yin此ci為wei了le降jiang低di係xi統tong造zao價jia，控kong製zhi係xi統tong需xu要yao小xiao型xing化hua、低成本的具有集成SCADA通訊功能的控製器。
2.4 適應性
tongchangshuiyuanjingbengfangneihuanjingwenduyiniansijibianhuahenda，duiyubeifangdiqugengshiruci，ciwaigongshuiliangsuizhejijiehebaitianyewanyouhendabianhua，kongzhixitongyingnengshiyinghuanjinghegongshuiliangdebianhua，baochiwendinggongshui。
2.5 以邏輯控製為主
水廠的控製大部份是對輸水泵和配水泵的邏輯控製，回路控製通常隻應用在加氯量及出水壓力的控製。而邏輯控製是可編程序控製器（PLC）的傳統應用領域，因此這也是目前水廠的控製係統廣泛采用PLC的原因。
2.6 可靠性、安全性
水廠的安全、穩定運行直接關係到千家萬戶，所以從控製係統的結構設計、軟硬件產品質量到控製程序編製等各個環節都必須是高可靠性的。
2.7 可維持性
係統在係統軟件、應用軟件和硬件方麵具有強大的報警和故障自診斷功能，方便工程師對係統故障進行分析和維護。
2.8 可擴展性
係統應采用具有一定標準及應用較為廣泛的軟硬件產品，並考慮一定的餘量，為將來水廠的擴建及係統的變更打下基礎。
2.9 開放性
開(kai)放(fang)性(xing)是(shi)用(yong)戶(hu)對(dui)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)普(pu)遍(bian)需(xu)求(qiu)。隨(sui)著(zhe)計(ji)算(suan)機(ji)和(he)網(wang)絡(luo)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)和(he)應(ying)用(yong)的(de)普(pu)及(ji)，人(ren)們(men)越(yue)來(lai)越(yue)需(xu)要(yao)過(guo)程(cheng)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)與(yu)管(guan)理(li)信(xin)息(xi)係(xi)統(tong)交(jiao)互(hu)信(xin)息(xi)，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)管(guan)理(li)與(yu)控(kong)製(zhi)一(yi)體(ti)化(hua)。盡(jin)管(guan)各(ge)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)生(sheng)產(chan)廠(chang)家(jia)在(zai)現(xian)場(chang)控(kong)製(zhi)器(qi)模(mo)塊(kuai)級(ji)還(hai)不(bu)可(ke)能(neng)完(wan)全(quan)開(kai)放(fang)或(huo)通(tong)用(yong)，但(dan)必(bi)須(xu)要(yao)求(qiu)上(shang)位(wei)機(ji)監(jian)控(kong)係(xi)統(tong)具(ju)有(you)開(kai)放(fang)性(xing)，例(li)如(ru)：監控係統應基於微軟公司的WindowsNT、2000或9X平台，支持各種規範的協議如OPC、ODBC、ActiveX、DDE等。
3、 控製係統構成
3.1 控製係統硬件
如下圖所示，楊莊水廠根據係統不同功能層次采用四種通信方式，共有19個PLC控製站構成控製係統。以太網用於係統的管理層，DH+網和無線通訊用於各PLC控製器及計算機操作站之間的控製層通訊，遠程I/O網用於配水廠PLC控製器與變頻器\軟起動器的設備層通訊,管理層與控製層通過服務器實現信息交互。DH+網和遠程I/O網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網絡,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公裏，DH+網可掛接64個控製器，遠程I/O網可掛接32個設備。無線通訊采用具有SCADA功能DF1主從通訊協議，PLC通過其標準RS232口與數傳電台相連來實現無線通訊，通訊速率為9600bps/19200 bps。PLC1作為SCADA係統的主站用於控製和監測配水係統和供電係統，PLC2用於監控加氯係統，PLC00~PLC03、PLC07分別控製0#~3#、07#水源井，PLC05、PLC08分別控製5#、6#、和8#、9#兩口水源井，PLC10控製10#補壓井，PLC11~PLC18用於配水管網壓力監測，位於中控室的OS1、OS2計算機PLC00~PLC02控製器隻采用DH+網進行通訊；3#水源井~9#水源井距廠區較遠，為了防止通訊電纜被意外切斷影響水廠的運行，PLC03~08控製器采用互為熱備的DH+網和無線通訊，通常性況下采用速度較高的DH+有線通訊，一旦DH+網通訊失敗，係統將自動轉換到DF1無線通訊；10#補壓井和測壓點距離廠區更遠，采用有線通訊方式代價太高，因此PLC10及PLC11~PLC18控製器隻采用DF1無線通訊方式。
在控製係統中，用於配水管網壓力監測的PLC11~PLC18采用最為經濟的微型可編程控製器MicroLogix1000，其它控製器均選取用可編程控製器SLC5/04，用於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智能馬達控製器，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，無線通訊電台采用深圳華夏盛公司數字電台WDS 2710。
係統結構圖 3.2 控製係統監控組態軟件
水廠的人機監控係統由位於中控室的兩套RSView32計算機操作站和位於綜合樓的基於客戶/服務器RSView32活動顯示係統（ADS）組成。操作站安裝Windows95操作係統作為RSView32運行平台，ADS服務器安裝Windows NT Server運行平台，ADS客戶端安裝Windows98中文版操作係統作為RSView32 ADS Client運行平台。RSView32是羅克韋樂自動化軟件公司采用開放技術，以MFC（微軟基礎級）、DCOM（分布元件對象）組件技術為基礎的人機監控軟件，是第一個在圖形顯示中利用ActiveX、VBA、OPC的MMI產品，提供了監視、控製及數據采集等全部功能，是一個使用方便、可擴展性強、監控性能高的監控組態軟件。RSView32 ADS將RSView32功贖罪MMI軟件擴展為客戶/服務器結構。ADS服務器不僅可在現場，而且可以通過國際互聯網（Internet）在世界任何地方連接進入。客戶端可以采用ADS軟件或Internet Explorer作為監控軟件平台。ADS最多可以同時支持20個特許的客戶連接。係統的安全策略利用Windows NT和RSView32提供的雙重安全功能，Windows NT在企業網絡係統層麵負責管理操作人員或係統管理員和登錄，而RSView32通過設置不同的安全級別在應用層麵對用戶的操作權限進行控製，從而保證係統和正常操作，防止越權操作。
3.3 控製係統SCADA協議
A-B公司的可編程控製器SLC5/04和MicroLogix1000具有內置的多功能的標準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網絡，還可以實現SCADA係統功能。該RS232接口有兩種工作方式，一種是係統方式，另一種是用戶方式，係統方式支持DH485和DFI通訊協議，用戶方式支持標準ASCII碼方式，通訊速率從110bps到19.2bps可組態。DFI協議是A-B公司PLC係統廣泛支持的通訊協議，包括各係列PLC及裝有RS Linx通訊軟件的計算機均支持DFI協議，通過該協議可以構成基於PLC的SCADA係統。DFI協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的多達255個站，站地址為0-255。SLC5/04通道0可組態選擇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係統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控製器作為從站采用DFI半雙工從通訊方式，主站PLC采用對各從站輪詢方式並通過信息（MSG）指令來實現數據交換的。DFI主zhu從cong通tong訊xun方fang式shi不bu僅jin能neng實shi現xian主zhu站zhan與yu從cong站zhan的de通tong訊xun，而er且qie能neng實shi現xian從cong站zhan與yu從cong站zhan的de通tong訊xun。主zhu站zhan對dui從cong站zhan的de通tong訊xun可ke組zu態tai麵mian基ji於yu信xin息xi的de輪lun詢xun方fang式shi或huo標biao準zhun的de輪lun詢xun方fang式shi。
4、 控製係統功能
4.1 可靠的控製策略
互為備用。在控製係統的功能設計上，各配水泵、輸(shu)水(shui)泵(beng)都(dou)具(ju)有(you)獨(du)立(li)的(de)控(kong)製(zhi)功(gong)能(neng)互(hu)為(wei)備(bei)用(yong)，相(xiang)互(hu)之(zhi)間(jian)既(ji)可(ke)以(yi)在(zai)自(zi)動(dong)控(kong)製(zhi)方(fang)式(shi)下(xia)實(shi)現(xian)任(ren)意(yi)組(zu)合(he)聯(lian)鎖(suo)控(kong)製(zhi)，也(ye)可(ke)以(yi)地(di)手(shou)動(dong)控(kong)製(zhi)方(fang)式(shi)下(xia)獨(du)立(li)控(kong)製(zhi)。中(zhong)控(kong)室(shi)的(de)兩(liang)台(tai)操(cao)作(zuo)站(zhan)具(ju)有(you)同(tong)等(deng)的(de)功(gong)能(neng)且(qie)互(hu)為(wei)熱(re)備(bei)，當(dang)一(yi)台(tai)出(chu)現(xian)故(gu)障(zhang)時(shi)也(ye)不(bu)會(hui)影(ying)響(xiang)水(shui)廠(chang)的(de)操(cao)作(zuo)。水(shui)源(yuan)井(jing)PLC通訊采用了互為備用的DH+有線和DFI無線通訊。
就地和遠程控製方式。各配水泵、輸水泵通過配水泵控製櫃上的選擇開關,可以選擇就地控製方式和遠程控製方式。遠程控製是通過計算機操作站由PLC控製泵啟停，就地控製是用控製櫃或現場操作箱上的按鈕控製泵的啟停。當PLC處於編程狀態或出現故障時可以采用就在控製方式。就地和遠程控製方式相互切換不會影響泵的運行。
4.2 配水泵的控製
手(shou)動(dong)控(kong)製(zhi)。各(ge)配(pei)水(shui)泵(beng)在(zai)遠(yuan)程(cheng)控(kong)製(zhi)方(fang)式(shi)下(xia)分(fen)手(shou)動(dong)控(kong)製(zhi)和(he)自(zi)動(dong)控(kong)製(zhi)。手(shou)動(dong)控(kong)製(zhi)是(shi)由(you)操(cao)作(zuo)員(yuan)根(gen)據(ju)管(guan)網(wang)的(de)壓(ya)力(li)情(qing)況(kuang)對(dui)配(pei)水(shui)泵(beng)進(jin)行(xing)啟(qi)動(dong)和(he)停(ting)止(zhi)操(cao)作(zuo)。遠(yuan)程(cheng)控(kong)製(zhi)方(fang)式(shi)下(xia)配(pei)水(shui)泵(beng)與(yu)電(dian)動(dong)閥(fa)的(de)聯(lian)鎖(suo)控(kong)製(zhi)都(dou)由(you)PLC自動完成。
自動控製。PLC根據出水壓力和變頻器的輸出頻率，處於自動方式的配水泵進行循環啟停控製，循環啟停控製的規則是先開先停。
4.3 水源井輸水泵的控製
手動控製。操作員根據清水池液位對輸水泵進行啟動和停止操作。
自動控製。PLC根據清水池液位及各輸水泵起動水位和停止水位，對處於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PID調節
出水壓力的調節是通過變頻器控製配水泵的轉速來實現。在現場調試中，我們發現固定參數的PID調節不能解決供水高峰的出水壓力控製動態響應和穩定性問題。我們通過采用變參數PID調節方法很好地解決了這一問題。變參數PID調節是根據出水流量的大小采用不同的PID參數進行出水壓力調節。
4.5 出水壓力自動設定
peishuiguanwangdeyalisunshidaxiaosuizhegongshuiliangdebianhuaerbutong，gongshuiliangyuedayalisunshiyeyueda。liledadaojimanzuyonghuduishuiyawendingdeyaoqiuyounengshixianjienengjianghaodemubiao，womengenjuchushuiliang、出水壓力及各測壓點壓力測量值，采用模糊控製的方法對出水壓力進行自動設定。
4.6 豐富的畫麵顯示功能
在計算機操作站顯示的畫麵有工藝流程主畫麵、工藝流程分畫麵、高低壓供電監控畫麵、設備操作畫麵、趨勢圖、調用菜單畫麵、報警畫麵、報表畫麵、防盜報警畫麵。操作人員通過調用這些畫麵可以全麵地了解水廠的運行情況，並且很方便地對設備操作。
4.7 故障診斷與報警處理功能
在各設備的操作畫麵中都列出其起動條件狀態，如：上電情況、通訊狀態、故障狀態、就地/遠程狀態、熱繼狀態等。記錄報警發生時的有關信息，如：故障標簽名稱、報警信息、故障報警時間、確認報警時間等，並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智能馬達控製器提供了多重設備保護功能,如：過載、失速及堵轉、欠載、欠壓、過壓、電壓不平衡等保護。
4.9 報表功能
本係統輸出的報表有以下五種，即輸水工藝參數日報表、配水工藝參數日報表、輸水工藝參數月報表、配水工藝參數月報表、水廠工藝參數年報表。
4.10 遠程監控功能
采用基於客戶/服務器HMI組態軟件RSView32 ADS，實現了對水廠的遠程監控。操作人員可在中央控製室對生產過程進行監控、公司經理、廠長、工程師坐在辦公室甚至在家裏也可以監控水廠的運行情況。
5、 結束語
本係統在該水廠已穩定運行三年多，運行結果表明羅克韋爾自動化的PLC基於SCADA係統能充分滿足對水廠控製係統的要求，對水廠的安全運行、提高供水質量、節能降耗、優化管理等方麵起到了至關重要的作用。
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