曹妃甸供水公司計算機自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

紀　征

[摘要]介紹組成曹妃甸供水公司自動化控制系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點，各分站自控功能和應(yīng)用效果概況。

[關(guān)鍵詞]自動化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點自控功能應(yīng)用效果

中圖分類號：TP2文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1671-7597(2009)0610011-02

一、引言

曹妃甸供水公司額定供水能力8200萬m³／年(22.5萬／d)。四臺泵全部接入一個匯總管道，然后通過兩條dn1200mm管道向工業(yè)區(qū)供水，水泵配用電機全部為800kw高壓6kv電機。供電系統(tǒng)采用單術(shù)锨隔離開關(guān)分段接線，變電站安裝兩臺主變．容量均為2500KVA，變壓器二次電壓為6kv，6kv開關(guān)柜裝于變電站一層，采用單母線分段接線。全廠設(shè)一套自動化監(jiān)控裝置，上位機設(shè)在電氣值班室，運行人員平時在中央值班室監(jiān)控全廠設(shè)備。泵房、加氯間、變電站各安裝一臺PLC。PLC與上位機采用以太網(wǎng)通訊。PLC采用歐姆龍CPU，軟件采用歐姆龍的CXONE編程軟件，上位機采用iFIX組太軟件。

二、系統(tǒng)構(gòu)成

(一)概述

該網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為總線型結(jié)構(gòu)，硬件系統(tǒng)是采用工業(yè)以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò)。每個分控站配備1套PLC系統(tǒng)和1臺監(jiān)控計算機。中央控制室配備2臺工控機和1個服務(wù)器。除一分站取水泵房的PLC站與中控室的管理計算機之間通過無線電臺進行數(shù)據(jù)交換外，各分控站之間以及分控站和中控室之間通過高速數(shù)據(jù)通道DH+(DataHighway Plus)進行通訊。

本系統(tǒng)包括生產(chǎn)過程自動采集和控制系統(tǒng)、全長閉路監(jiān)控系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用集工控、管理、閉路監(jiān)控于一體的10／100Mbit／s光纖以太網(wǎng)通訊，并組成環(huán)網(wǎng)提高系統(tǒng)可靠性，同時通過軟件實現(xiàn)設(shè)備的彈性分組，使處于網(wǎng)絡(luò)任意位置的設(shè)備，根據(jù)不同功能分別處于同一物理區(qū)段。

本取水泵站，一期設(shè)一套可編程序控制器PLC，位于變配電間，一期自動控制系統(tǒng)由監(jiān)控管理計算機、可編程序控制器(PLCI)、現(xiàn)場儀表構(gòu)成。

(二)硬件系統(tǒng)

1．監(jiān)控管理計算機。設(shè)監(jiān)控管理計算機二套，兩套計算機可分擔(dān)不同功能，故障時可互為備用。監(jiān)測管理計算機面向操作人員，通過PLC采集整個泵站的工藝參數(shù)、電氣參數(shù)及主要設(shè)備的運行狀態(tài)信息。據(jù)此對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行分析、處理、貯存、建立健全各類數(shù)據(jù)庫，對各工藝參數(shù)作出趨勢曲線，并能在線診斷各種故障、報警、記錄。通過簡單的鍵盤操作，可進行系統(tǒng)功能組態(tài)、在線修改、設(shè)置控制參數(shù)和給下位機下達指令。

監(jiān)控管理計算機的顯示器可顯示全廠的動態(tài)工藝流程圖、動態(tài)參數(shù)表、記錄趨勢曲線、自動生成各類報表，并通過打印機定時打印出來。操作人員可隨時利用鍵盤或鼠標(biāo)器根據(jù)泵站的運行情況修正某些參數(shù)設(shè)定值，使系統(tǒng)始終工作在最佳狀態(tài)。報警系統(tǒng)的各種故障在中心控制室進行聲、光報警，并能將故障分類打印。

2．可編程序控制器(PLC)。PLCI面向工藝過程，完成對取水泵站的主要電氣設(shè)備和現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)采集工作并通過總線實時傳送給監(jiān)控管理計算機。通過對PLC的編程，實現(xiàn)取水泵站的控制功能。

PLC系統(tǒng)采用歐姆龍的CSI系列。配有CPU模塊、電源模塊、通訊處理器、I／O模塊等。

(1)CPU模塊(CSIG-CPU45H)CPU為32位微處理器，程序內(nèi)存大于60K步，程序存儲器袋保護開關(guān)，鋰電池保護程序，快閃存儲保護數(shù)據(jù)。LD指令的處理速度：20ns。

(2)I／O模塊的數(shù)據(jù)I／O表統(tǒng)計并可根據(jù)實際情況作適當(dāng)調(diào)整，但必須有30％的備用點數(shù)，以便今后擴展用。數(shù)字量輸入、輸出模塊為光電隔離型，并可帶電插拔。模擬量輸入、輸出模塊分辨率不低于14位。

(3)通訊模塊包括以太網(wǎng)、MB網(wǎng)通訊處理器等。

(4)電源模塊按系統(tǒng)所需的容量增加100％的備用容量。

3．通訊。取水泵站內(nèi)部過程控制系統(tǒng)級的采用以光纖為介質(zhì)的100／10Mbit／s以太網(wǎng)通訊。泵站與給水廠及管理站。

4．各子站劃分。PLC控制站的分布是根據(jù)工藝環(huán)節(jié)而設(shè)置的，可對工藝環(huán)節(jié)的各參數(shù)進行采集，并加以順序或邏輯及PID控制。在各分站都設(shè)置了手動／自動切換操作功能，使整個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可實行三級控制，即就地手動控制、各分站PLC控制和中控室集中控制。

泵房子站PLC1置于泵房控制室，負責(zé)泵房內(nèi)全部設(shè)備的自動控制和數(shù)據(jù)采集。

變配電間子站PLC2置于變配電二樓，負責(zé)送水泵及35kv、6kv及數(shù)據(jù)采集。

加氯間子站PLC3置于加氯間控制室，負責(zé)加氯間內(nèi)部全部設(shè)備的自動控制和數(shù)據(jù)采集。

5．全廠閉路監(jiān)控系統(tǒng)。為進一步完善調(diào)度管理，對主要工段、工況、工藝設(shè)備、電氣、自控設(shè)備隨時隨地的觀測，并通過局域網(wǎng)隨時在不同計算機上瀏覽，使經(jīng)營管理能及時了解掌握現(xiàn)場情況，提前發(fā)現(xiàn)隱患及時處理，以保證取水泵站正常運行，同時也能精簡人員，在廠區(qū)及構(gòu)筑物內(nèi)的關(guān)鍵部位設(shè)置閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有技術(shù)先進，穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟實用，擴展靈活等特點。監(jiān)控中心位于中心控制室，內(nèi)設(shè)視頻工控機二臺，帶以太網(wǎng)卡，主輔監(jiān)視器一臺。

(三)軟件結(jié)構(gòu)

兩個軟件平臺：一個是在PLC處理器中運行的梯形圖軟件logix5，另一個是在監(jiān)控計算機中運行的人機接口監(jiān)控軟件RSView32。服務(wù)器上安裝Windows2000Server，SQL Server數(shù)據(jù)庫軟件。

三、控制說明

(一)監(jiān)控要求

1．全部工藝設(shè)備及儀表的運行狀態(tài)信號、模擬量均能在中控室監(jiān)控管理計算機上檢測，當(dāng)設(shè)備故障時分別在中控室和PLC子站報警。

2．以上控制中涉及到的全部參數(shù)設(shè)定值均可在中控室監(jiān)控管理計算機上設(shè)定修改。

3．按照I／O表的編程要求進行編程，全部要求自動控制的設(shè)備均可在中控監(jiān)控管理計算機上通過軟按鍵手動啟動。

(二)進水口預(yù)警系統(tǒng)

進水口設(shè)PH計、濁度計、溶氧儀等檢測儀表，當(dāng)儀表檢測的水質(zhì)高于設(shè)定值時，啟動報警裝置，操作人員根據(jù)情況酌情處理。信號傳送至供水廠。

(三)泵房真空泵系統(tǒng)的控制

該系統(tǒng)設(shè)二臺真空泵及相應(yīng)的電磁閥。在啟動某臺水泵之前，首先檢測泵池液位，當(dāng)泵池液位高于設(shè)定水位(28.62米)時，則不許啟動真空泵而直接送水泵電機，當(dāng)泵池液位等于或低于設(shè)定水位時，則首先啟動真空泵系統(tǒng)，先打開相應(yīng)的送水真空泵管路電動閥，在啟動真空泵，當(dāng)PLC接受到真空罐高液位信號(抽真空完成信號)后，在啟動送水泵電機，同時關(guān)閉送水泵電磁閥，延時一點時間(時間可設(shè)定)，按同樣方法啟動下一臺送水泵。

(四)加氯控制

該系統(tǒng)為一點加氯，加氯點分別位于兩組進水池前，設(shè)三臺加氯機，二用一各每一前池對應(yīng)四臺送水泵，每臺送水泵后設(shè)流量計。PLC將每四臺(一期二臺)流量計的流量進行累加，并將累計值之通過D0模塊輸送給加氯機。同時在監(jiān)控管理計算機上顯示出水余氯值，并帶有高低限報警。

前加氯采用與源水流量成正比例的開環(huán)控制方式；后加氯則以濾后水流量作為前饋量，清水池入口余氧值作為反饋量，在PLC中組成一個前饋一反饋閉環(huán)比例控制系統(tǒng)，以輸出量控制加氯機的流量。

控制還能夠?qū)崿F(xiàn)切換加氯氣瓶、漏氯報警和開啟漏出氯氣的中和設(shè)各。

(五)送水泵控制

設(shè)八臺送水泵(一期四臺，三用一備，并且2臺水泵帶有變頻調(diào)節(jié)裝置)分二組。每組有一臺泵配有變頻裝置，PLC接受管網(wǎng)的4～20mA壓力信號于給定值進行比較，按照PID閉環(huán)調(diào)節(jié)算法通過變頻，改變電機轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)送水量，同時根據(jù)用戶端的流量總和確定管網(wǎng)的需水量，制定合理的專家處理系統(tǒng)或模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。在編程過程中水泵的運行調(diào)節(jié)應(yīng)遵循下列原則：

(1)保證管網(wǎng)壓力恒定。

(2)為避免泵的頻繁啟停，允許管網(wǎng)壓力存在5％的誤差。

(3)保證每臺水泵的投運次數(shù)及運行時間基本均等。

(4)當(dāng)管網(wǎng)壓力低于正常值時(可在監(jiān)控管理計算機上設(shè)定)送水泵在維持最低用水量的情況下停部分送水泵，及時確定并解決故障。

(5)由PLC實現(xiàn)泵閥連鎖，開順序：先開泵后開相應(yīng)的電動閥，關(guān)順序：先關(guān)閥后關(guān)泵。

取水泵房分控站在全自動控制方式下，能根據(jù)水位、出廠水流量和進水量決定水泵的開啟臺數(shù)。4臺水泵(3用1備)采用自然順序建立循環(huán)隊列，按隊列順序依次啟動泵，并按先啟動先停止、累計運行時間少的先啟動、累計運行時間多的先停止的原則輪換工作。

(六)35KV、6KV系統(tǒng)

該系統(tǒng)由后臺管理機通過以太網(wǎng)實現(xiàn)與全廠的控制系統(tǒng)通訊，在中控室只監(jiān)視電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，不遙控。監(jiān)視信號在監(jiān)控管理計算機上顯不。

四、光纖數(shù)據(jù)傳輸

傳輸一路視頻兩路雙向數(shù)據(jù)光放射機／接收機，利用波分復(fù)用原理，將一路視頻信號、兩路雙向數(shù)據(jù)信號通過一根單模或多模光纖實現(xiàn)雙向遠距離傳輸，最大可將標(biāo)準一路視頻信號、兩路雙向數(shù)據(jù)信號不失真無中繼的傳輸60km，它利用鎖相調(diào)頻技術(shù)，不需增益補償，專業(yè)的設(shè)計可與多種控制系統(tǒng)兼容，具有很大的光動態(tài)范圍。

其特點為可通過一根光纜傳輸高質(zhì)量的一路視頻信號、兩路雙向數(shù)據(jù)信號；最大傳輸距離可達60kin：單摸或多模工作方式；視頻帶寬5HZ-8HZ、音頻帶寬100HZ-4KHZ=PAL／SHCAM／NTSC多種制式兼容；采用視頻鎖相調(diào)頻技術(shù)、免調(diào)試：帶APC電路，輸出光功率恒定，動態(tài)范圍大且具有RS232／RS422／RS485／TTL多種數(shù)據(jù)接口，另外，還支持多種數(shù)據(jù)格式。

五、組態(tài)控制

1、工控機。控制中心檢測計算機采用一臺高性能IPC(工控機)。

2、組態(tài)軟件。通用組態(tài)軟件，Ifix和INTOUCH組態(tài)軟件在我國均有廣泛應(yīng)用通用工業(yè)自動化組態(tài)軟件能夠很好的解決傳統(tǒng)工業(yè)軟件存在的種種問題，是用戶能根據(jù)自己的控制對象和控制目的的任意組態(tài)，完成最終的自動化控制工程。

iFIX是Intellution Dynamicsl業(yè)自動化軟件解決方案家族中的HMI／SCADA軟件組件，專為Windows 2000／NT而設(shè)計，并能夠更準確的監(jiān)視和控制他們生產(chǎn)過程的所有環(huán)節(jié)。它還可以實時收集數(shù)據(jù)并且將重要的信息傳輸?shù)秸麄€組織中的操作員及各級經(jīng)理，同時通過容易理解的畫面將數(shù)據(jù)反映出來。其特點包括：過程可視化：實時和歷史趨勢；監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理；用戶綜合報表：報警和報警管理：Intellution WorkSpaceTM開發(fā)環(huán)境；內(nèi)置VHA；Microsoft SOL Server等。

IFIX是開放式的，并運用了Microsoft一系工業(yè)標(biāo)準技術(shù)，例如COM／DCOM、ActiveX、BVA、Windows 2000／NT和90PC。

六、自動化儀表設(shè)計

配合計算機自控系統(tǒng)，在取水泵站各個工藝流程設(shè)置了與工藝流程適應(yīng)的必要參數(shù)監(jiān)測儀表系統(tǒng)，各儀表監(jiān)測到的4～20mA標(biāo)準信號，先送到PLC，通過總線送到監(jiān)控管理計算機。全部儀表均采用帶現(xiàn)場顯示的智能型儀表。

1、分別在兩路出水總管裝設(shè)超聲波時差流量計和壓力變送器，用于流量計量和恒壓供水控制，并將數(shù)據(jù)送至PLC。并設(shè)余氯儀用于檢測出水余氯值。

2、分別在送水泵出口設(shè)壓力變送器。

3、泵池安裝超聲波液位計用于監(jiān)視泵池液位。

4、變電站在高壓進線及變壓器設(shè)智能電量變送器。

高壓監(jiān)測系統(tǒng)主要通過智能電量變送器將以下信號通過通訊總線送往PLCI和監(jiān)控管理計算機上監(jiān)測。

1#進線柜：分／合閘、故障、電流、電壓、有功功率、無功功率。

2#進線柜：分／合閘、故障、電流、電壓、有功功率、無功功率。

1#變壓器柜：分／合閘、故障、電流、電壓、溫度、有功功率。

2#變壓器柜：分／合閘、故障、電流、電壓、溫度、有功功率。

七、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點

1、一分站和三分站工控機與PLC的通信采用RS-232C通信方式，而二分站，中控室的2臺工控機(ZKI、ZK2)則通過歐姆龍公司的PKTX卡在DH+網(wǎng)上實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

2、中控室的2臺工控機中插入以太網(wǎng)卡(型號為ALPHA 100／10M自適應(yīng)快速以太網(wǎng)卡)，在中控室裝有D-Link100／10M，24口以太網(wǎng)交換機1臺，ZK1、ZK2工控機、兩臺計算機之間均通過以太網(wǎng)實現(xiàn)通信。

3、由于ZK1、ZK2的2臺工控機均在以太網(wǎng)上，通過相互拷貝與粘貼，可以做到2臺計算機互為備用，增大系統(tǒng)的運行可靠性。又由于此2臺計算機均在DH+網(wǎng)上，此2臺機器中又安裝了Logix5梯形圖軟件，進行必要的管理。RSVIHW32軟件直接采集各分站的數(shù)據(jù)。與一分站的通信仍延用無線數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)通信。

4、將ZK1、ZK2的2臺工控機設(shè)置為RSVIEW32 OPC服務(wù)器，而將服務(wù)器設(shè)置為RSVIEW32 OPC客戶機。服務(wù)器從ZK1或ZK2取得數(shù)據(jù)。若是設(shè)定ZK1為OPC服務(wù)器，如果ZK1發(fā)生故障，則只要在服務(wù)器的節(jié)點上將ZK1改變?yōu)閆K2即可。

八、應(yīng)用效果

該計算機自動控制系統(tǒng)從一期試運行以來，一直穩(wěn)定運行，效果明顯。

1、大大提高了出廠水質(zhì)。自控系統(tǒng)對穩(wěn)定水質(zhì)起到了關(guān)鍵作用，出廠水濁度穩(wěn)定在標(biāo)準以下，余氯值也非常穩(wěn)定，達到了國家飲用水標(biāo)準。

2、節(jié)約了能耗，降低了藥耗。

3、提高了勞動生產(chǎn)率，大大節(jié)約了人力資源。

4、提高了企業(yè)的現(xiàn)代化管理水平。整個自動化控制系統(tǒng)維護方便、快捷，生產(chǎn)信息的傳送速度大大加快、將企業(yè)的管理水平提高了一個檔次。