常山縣城鄉供水一體化一期工程自動控制系統研究

【摘 要】本文結合筆者多年工作的經驗，以常山縣城鄉供水一體化一期工程自動控制系統為研究對象，就其設計進行了深入的研究，謹供大家作參考之用。

【關鍵詞】自動控制系統；站點設置；選型設計；系統特點

1 前言

常山縣城鄉供水一體化一期工程自動控制系統按分散控制，集中管理的原則設置，全廠設一處中央控制室，管理全廠生產過程，各工藝單體設置基于PLC的控制設備，處理局部的數據采集和控制任務。

自動化系統采用由可編程控制器（PLC）與工業控制計算機構成分散集中控制系統，該系統集控制、數據采集功能為一體，完成整個凈水廠的過程控制、工藝流程顯示、設備運行狀態的監測及故障報警。

自動化系統建成完整的廠區光纖冗余以太環網，實現各單體的自動化控制，并有與管理調度系統接口。PLC控制器通過采集現場儀表的生產實時數據和控制設備的狀態信息，根據現場工藝的要求，實現凈水處理的過程控制、順序控制、連鎖控制、設備的開機、停機等各種操作，完成凈水處理的自動控制。現場控制站的PLC控制器通過工業以太網與上位機交換數據，接收上位機的控制命令，實現遠程控制。

2 設計說明

按照控制對象的功能、設備所在地理位置劃分，在反沖洗泵房、加藥間、脫水機房分別設置PLC控制站，各PLC控制站與中央控制室之間以光纜環網相互連接，在水廠每個濾格各設一個PLC控制子站，通過現場總線與反沖洗泵房PLC通訊。

在管網沿線測壓點、各閘門處，采用可靠廉價GPRS移動通訊技術采集與傳輸數據，實現集中控制和管理，實現全廠運行自動化。

根據所有被監控設備的運行狀態以及全廠各關鍵節點的工藝參數，建立全廠實時運行數據庫和歷史資料數據庫，用于運行優化和設備維護指導。

同時中央控制室預留與水廠MIS系統連接的接口以便使生產過程與辦公自動化系統互連，共享數據。

3 系統總體設計

3.1 站點的設置

常山縣城鄉供水工程共設置3座PLC控制站及4座濾池PLC子站、7個源水管網沿線閘門及測壓點PLC子站、4個城區管網測壓點PLC子站。

3.2 控制方式設計

主要的工藝設備設中央控制、就地控制、現場控制三層控制模式。中央控制由水廠中央控制室完成，具有最低的控制優先級；就地控制由各個PLC控制站完成；現場控制則在設備或儀表的現場控制箱、按鈕箱、變送器等上操作完成，具有最高的控制優先級。

中央控制層設有“自動/手動”的兩種控制方式，其中手動控制由操作人員在中央控制室內的工作站上進行設定和控制。

就地控制設有“遠動/自動”的兩種控制方式，其中遠動方式是由中央控制室遠程控制，自動方式是由就地的PLC控制站實行自動控制，

現場控制層設有“遠動/本地”的兩種控制方式，其中遠動方式是由該設備或儀表所聯接的PLC控制站遠程控制，本地方式是由操作人員在現場的控制箱、按鈕箱或變送器上進行手動操作和設定。

當中央控制室監控設備或通信發生故障時，就地控制級可降級行使對所在單體的控制功能，維持污水廠的正常生產。

當現場PLC站發生故障時，現場設備可通過“遠動/本地”選擇開關切換實現手動操作。

當PLC數據通訊網絡出現故障時，現場PLC控制站根據最后接收到的數據仍可繼續工作。

3.3 人機界面的設置

在濾池子站設計采用觸摸屏人機界面終端。觸摸屏采用和PLC同一進口品牌，為西門子品牌，且采用TFT真彩產品。保證系統的統一性和很好的兼容性。

3.4 控制網絡的設計

基于整個網絡系統的整體構架，控制網絡設計采用二層網絡結構：即控制層和現場總線層。二層網絡基于完全開放的、成熟的、先進的技術。

二層網絡設計一致的應用層，信息的共享、訪問避免任何特殊的編程和特殊的網關設備。網絡保持功能的集成。在任何一級網絡上，都能夠在同一介質上實現系統透明瀏覽、編程組態、實時控制、數據采集和系統診斷。網絡上一般性的信息訪問不影響系統實時控制性能。

3.5 閥門控制子站設計

每個閥門及測壓點配1個控制箱，箱內按控制5臺電動閥門的電器配備制作，箱面安裝壓力顯示儀表；

箱內PLC用西門子300雙通訊口產品，箱內預留閥門井排污泵三相插座及維護單相插座、凝露檢測除霜加熱裝置；

配置三相電源防雷器及壓力信號防雷器；

每個閥門及測壓點與水廠中控室的通訊方式為：GPRS與VPN互備方式。

3.6 測壓點設計

每個測壓點配1個控制箱，箱面安裝壓力顯示儀表；

箱內PLC用西門子200產品，箱內預留維護單相插座、凝露檢測除霜加熱裝置；

箱內配置單相電源防雷器及壓力信號防雷器；

每個測壓點與水廠中控室的通訊方式為：GPRS與電信光纖互備方式。

4 PLC系統選型設計

4.1 PLC控制器的具體選型

本方案推薦SIEMENS公司的S7系列PLC（S7-400S7系列的大型PLC系統與S7-300S7系列的中型PLC系統）組成。

I/O點數預留有20%余量，PLC機架必須20%的槽位余量。

主站CPU選擇西門子S7412-2DP，包括CPU在內的所有I/O模塊及通訊模塊均具有帶電插拔功能。

遠程控制子站及原水閘門控制站采用西門子CPU314C-2DP產品。

城區管網監控站采用西門子S7-200產品。

4.2 S7-400系列PLC系統特點：

S7-400自動化系統采用模塊化設計。它所具有的模板的擴展和配置功能使其能夠按照每個不同的需求靈活組合。

功能強大的PLC，適用于中高性能控制領域；解決方案滿足最復雜的任務要求；功能分級的CPU以及種類齊全的模板，總能為其自動化任務找到最佳的解決方案；實現分布式系統和擴展通訊能力都很簡便，組成系統靈活自如；用戶友好性強，操作簡單，免風扇設計；隨著應用的擴大，系統擴展無任何問題

擴展：最多有21個擴展單元(EU)都可以連接到中央控制器(CC)；通過接口模板連接(IM)；集中式擴展；用EU進行分布式擴展；用ET200進行遠程擴展。

功能：高速指令處理；用戶友好的參數設置；口令保護；系統功能；用戶友好的操作員控制和監視功能（HMI）已集成在SIMATIC的操作系統中；CPU的診斷功能和自測試智能診斷系統連續地監視系統功能并記錄錯誤和系統的特殊事件；模式選擇開關。

通訊：SIMATICS7-400作為DP主站，可通過集成在SIMATICS7-400CPU上的PROFIBUS-DP接口（選件）。

通過多點接口（MPI）的數據通訊：多點接口（MPI）通訊接口集成在SIMATICS7-400的CPU中，它的用途很廣泛：編程和參數設置；控制與監視以及；靈活的配置選擇；作為DP主站；在同等通訊伙伴間建立簡單的網絡結構；多種連接能力：MPI支持最多32個站點的同時連接；通訊連接，S7-400CPU可同時建立最多64個站的連接；最多32個MPI節點，數據傳輸率最大為12Mbit/s。

4.3 S7-300系列PLC系統特點：

集成接口：直接集成在CPU內的接口，可使用現有的總線技術來建立一個高性能的通信環境。

多接點接口MPI：對于和PG/PC，HMI系統及其它的SIMATICS7/C7/WinAC自動化系統進行通信而言，通信是一種經濟而又實惠的解決方案。最多可連接125個MPI節點，通信速率為187.5Kbit/s:

在不同的控制器之間傳輸過程數據；用這種方法，例如，一個CPU可以存取第三方控制器的輸入/輸出。

PROFIBUSDP：能將SIMATICS7-300連接到開放式型現場總線PROFIBUSDP(根據EN50170)，因此可建立起較大型的分布式結構系統。這可擴大通信的范圍，從SIMATIC控制器到來自第三方制造商的現場設備均可進行通訊。和已有的SIMATICS5或SIMATIC505系統的通信更是不成問題。

4.4 使用STEP7軟件對分布式I/O模塊進行組態和對集中式I/O模塊進行組態，所使用的方法是相同的，因此能節省工程時間和費用。

以這種方法，S7-300可作為主站或從站。