曹妃甸供水公司計算機自動化控制系統的應用研究

紀　征

[摘要]介紹組成曹妃甸供水公司自動化控制系統的軟硬件結構及網絡結構特點，各分站自控功能和應用效果概況。

[關鍵詞]自動化控制系統網絡結構特點自控功能應用效果

中圖分類號：TP2文獻標識碼：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管道向工業區供水，水泵配用電機全部為800kw高壓6kv電機。供電系統采用單術锨隔離開關分段接線，變電站安裝兩臺主變．容量均為2500KVA，變壓器二次電壓為6kv，6kv開關柜裝于變電站一層，采用單母線分段接線。全廠設一套自動化監控裝置，上位機設在電氣值班室，運行人員平時在中央值班室監控全廠設備。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、系統構成

(一)概述

該網絡拓撲結構為總線型結構，硬件系統是采用工業以太網的控制網絡。每個分控站配備1套PLC系統和1臺監控計算機。中央控制室配備2臺工控機和1個服務器。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據交換外，各分控站之間以及分控站和中控室之間通過高速數據通道DH+(DataHighway Plus)進行通訊。

本系統包括生產過程自動采集和控制系統、全長閉路監控系統。網絡系統采用集工控、管理、閉路監控于一體的10／100Mbit／s光纖以太網通訊，并組成環網提高系統可靠性，同時通過軟件實現設備的彈性分組，使處于網絡任意位置的設備，根據不同功能分別處于同一物理區段。

本取水泵站，一期設一套可編程序控制器PLC，位于變配電間，一期自動控制系統由監控管理計算機、可編程序控制器(PLCI)、現場儀表構成。

(二)硬件系統

1．監控管理計算機。設監控管理計算機二套，兩套計算機可分擔不同功能，故障時可互為備用。監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、電氣參數及主要設備的運行狀態信息。據此對現場數據進行分析、處理、貯存、建立健全各類數據庫，對各工藝參數作出趨勢曲線，并能在線診斷各種故障、報警、記錄。通過簡單的鍵盤操作，可進行系統功能組態、在線修改、設置控制參數和給下位機下達指令。

監控管理計算機的顯示器可顯示全廠的動態工藝流程圖、動態參數表、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器根據泵站的運行情況修正某些參數設定值，使系統始終工作在最佳狀態。報警系統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備和現場儀表的數據采集工作并通過總線實時傳送給監控管理計算機。通過對PLC的編程，實現取水泵站的控制功能。

PLC系統采用歐姆龍的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，程序內存大于60K步，程序存儲器袋保護開關，鋰電池保護程序，快閃存儲保護數據。LD指令的處理速度：20ns。

(2)I／O模塊的數據I／O表統計并可根據實際情況作適當調整，但必須有30％的備用點數，以便今后擴展用。數字量輸入、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、MB網通訊處理器等。

(4)電源模塊按系統所需的容量增加100％的備用容量。

3．通訊。取水泵站內部過程控制系統級的采用以光纖為介質的100／10Mbit／s以太網通訊。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工藝環節而設置的，可對工藝環節的各參數進行采集，并加以順序或邏輯及PID控制。在各分站都設置了手動／自動切換操作功能，使整個監控網絡可實行三級控制，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，負責泵房內全部設備的自動控制和數據采集。

變配電間子站PLC2置于變配電二樓，負責送水泵及35kv、6kv及數據采集。

加氯間子站PLC3置于加氯間控制室，負責加氯間內部全部設備的自動控制和數據采集。

5．全廠閉路監控系統。為進一步完善調度管理，對主要工段、工況、工藝設備、電氣、自控設備隨時隨地的觀測，并通過局域網隨時在不同計算機上瀏覽，使經營管理能及時了解掌握現場情況，提前發現隱患及時處理，以保證取水泵站正常運行，同時也能精簡人員，在廠區及構筑物內的關鍵部位設置閉路電視監控系統。該系統具有技術先進，穩定可靠，經濟實用，擴展靈活等特點。監控中心位于中心控制室，內設視頻工控機二臺，帶以太網卡，主輔監視器一臺。

(三)軟件結構

兩個軟件平臺：一個是在PLC處理器中運行的梯形圖軟件logix5，另一個是在監控計算機中運行的人機接口監控軟件RSView32。服務器上安裝Windows2000Server，SQL Server數據庫軟件。

三、控制說明

(一)監控要求

1．全部工藝設備及儀表的運行狀態信號、模擬量均能在中控室監控管理計算機上檢測，當設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設定值均可在中控室監控管理計算機上設定修改。

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備均可在中控監控管理計算機上通過軟按鍵手動啟動。

(二)進水口預警系統

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

(三)泵房真空泵系統的控制

該系統設二臺真空泵及相應的電磁閥。在啟動某臺水泵之前，首先檢測泵池液位，當泵池液位高于設定水位(28.62米)時，則不許啟動真空泵而直接送水泵電機，當泵池液位等于或低于設定水位時，則首先啟動真空泵系統，先打開相應的送水真空泵管路電動閥，在啟動真空泵，當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，同時關閉送水泵電磁閥，延時一點時間(時間可設定)，按同樣方法啟動下一臺送水泵。

(四)加氯控制

該系統為一點加氯，加氯點分別位于兩組進水池前，設三臺加氯機，二用一各每一前池對應四臺送水泵，每臺送水泵后設流量計。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比例控制系統，以輸出量控制加氯機的流量。

控制還能夠實現切換加氯氣瓶、漏氯報警和開啟漏出氯氣的中和設各。

(五)送水泵控制

設八臺送水泵(一期四臺，三用一備，并且2臺水泵帶有變頻調節裝置)分二組。每組有一臺泵配有變頻裝置，PLC接受管網的4～20mA壓力信號于給定值進行比較，按照PID閉環調節算法通過變頻，改變電機轉速，調節送水量，同時根據用戶端的流量總和確定管網的需水量，制定合理的專家處理系統或模糊神經網絡控制系統。在編程過程中水泵的運行調節應遵循下列原則：

(1)保證管網壓力恒定。

(2)為避免泵的頻繁啟停，允許管網壓力存在5％的誤差。

(3)保證每臺水泵的投運次數及運行時間基本均等。

(4)當管網壓力低于正常值時(可在監控管理計算機上設定)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實現泵閥連鎖，開順序：先開泵后開相應的電動閥，關順序：先關閥后關泵。

取水泵房分控站在全自動控制方式下，能根據水位、出廠水流量和進水量決定水泵的開啟臺數。4臺水泵(3用1備)采用自然順序建立循環隊列，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

該系統由后臺管理機通過以太網實現與全廠的控制系統通訊，在中控室只監視電力系統的運行狀態，不遙控。監視信號在監控管理計算機上顯不。

四、光纖數據傳輸

傳輸一路視頻兩路雙向數據光放射機／接收機，利用波分復用原理，將一路視頻信號、兩路雙向數據信號通過一根單?；蚨嗄９饫w實現雙向遠距離傳輸，最大可將標準一路視頻信號、兩路雙向數據信號不失真無中繼的傳輸60km，它利用鎖相調頻技術，不需增益補償，專業的設計可與多種控制系統兼容，具有很大的光動態范圍。

其特點為可通過一根光纜傳輸高質量的一路視頻信號、兩路雙向數據信號；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；采用視頻鎖相調頻技術、免調試：帶APC電路，輸出光功率恒定，動態范圍大且具有RS232／RS422／RS485／TTL多種數據接口，另外，還支持多種數據格式。

五、組態控制

1、工控機?？刂浦行臋z測計算機采用一臺高性能IPC(工控機)。

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

iFIX是Intellution Dynamicsl業自動化軟件解決方案家族中的HMI／SCADA軟件組件，專為Windows 2000／NT而設計，并能夠更準確的監視和控制他們生產過程的所有環節。它還可以實時收集數據并且將重要的信息傳輸到整個組織中的操作員及各級經理，同時通過容易理解的畫面將數據反映出來。其特點包括：過程可視化：實時和歷史趨勢；監控；數據采集和數據管理；用戶綜合報表：報警和報警管理：Intellution WorkSpaceTM開發環境；內置VHA；Microsoft SOL Server等。

IFIX是開放式的，并運用了Microsoft一系工業標準技術，例如COM／DCOM、ActiveX、BVA、Windows 2000／NT和90PC。

六、自動化儀表設計

配合計算機自控系統，在取水泵站各個工藝流程設置了與工藝流程適應的必要參數監測儀表系統，各儀表監測到的4～20mA標準信號，先送到PLC，通過總線送到監控管理計算機。全部儀表均采用帶現場顯示的智能型儀表。

1、分別在兩路出水總管裝設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，并將數據送至PLC。并設余氯儀用于檢測出水余氯值。

2、分別在送水泵出口設壓力變送器。

3、泵池安裝超聲波液位計用于監視泵池液位。

4、變電站在高壓進線及變壓器設智能電量變送器。

高壓監測系統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和監控管理計算機上監測。

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、網絡結構特點

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+網上實現數據通信。

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

3、由于ZK1、ZK2的2臺工控機均在以太網上，通過相互拷貝與粘貼，可以做到2臺計算機互為備用，增大系統的運行可靠性。又由于此2臺計算機均在DH+網上，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據。與一分站的通信仍延用無線數據傳輸實現通信。

4、將ZK1、ZK2的2臺工控機設置為RSVIEW32 OPC服務器，而將服務器設置為RSVIEW32 OPC客戶機。服務器從ZK1或ZK2取得數據。若是設定ZK1為OPC服務器，如果ZK1發生故障，則只要在服務器的節點上將ZK1改變為ZK2即可。

八、應用效果

該計算機自動控制系統從一期試運行以來，一直穩定運行，效果明顯。

1、大大提高了出廠水質。自控系統對穩定水質起到了關鍵作用，出廠水濁度穩定在標準以下，余氯值也非常穩定，達到了國家飲用水標準。

2、節約了能耗，降低了藥耗。

3、提高了勞動生產率，大大節約了人力資源。

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