基于西門子PLCS7-300的自來水廠自動控制系統的研究與設計

孫智宗

（遵義市匯泓供水有限公司，貴州 遵義 563000）

0 引 言

我國自來水廠自動控制系統起步較晚但發展很快，從60年代簡單的水位自動控制發展到70年代采用熱工儀表和集中巡檢裝置。80年代后，隨著國家工業水平的快速提高及外資的大量引進，國外先進的自動化控制技術與設備進入我國，使我國自來水廠自動控制水平快速提高。

但我國自來水廠自動控制系統還存在較多問題。例如，普遍采用可靠性高、維護簡便的檢測儀表和在線分析儀表，但多數儀表都是國外進口設備，使用和維護方面存在較多問題；系統應用狀況復雜，多種控制方式、各種類型及不同等級的自動控制系統并存。基于此，本文將針對自來水廠自動控制系統實際運行中存在的問題，采用自頂向下的設計方法，利用西門子PLCS7-300實現污水處理自動控制。

1 自來水廠自動控制系統的模式選擇

根據自來水廠實際情況和工藝要求，自動控制系統的模式如表1所示。其中，PC+PLC的模式應用最廣，主要是基于如下特點。自來水廠一般都設有中控室，控制環境和條件較好，可以采用高性能計算機作為管理和操作監控站；操作系統安全性較高且具有分散高效的特點；可結合自來水廠的實際工藝流程和建筑物分散的特點，組成靈活的通信網絡；系統軟硬件資源豐富，性能穩定、兼容和擴展能力強[1]。

表1 自來水廠自動控制系統的模式對比

根據實際情況，PC+PLC的模式設計簡便、運行穩定可靠且成本低廉，對系統運行、維護和操作人員的要求也不高，符合自來水廠目前的生產運營狀況，故本文將采用該模式。

2 自來水廠自動控制系統的總體架構

根據自來水廠環境條件、工藝流程及設備較為集中的特點，自動控制系統采用基于西門子PLCS7-300的分布式結構。此結構中西門子PLCS7-300子站單元為用戶提供了良好的人機操作界面、參數采集及設備控制功能，且其聯網能力也使各站點間能方便快捷地進行狀態信息和控制參數的傳遞。具體地，自來水廠自動控制系統由如下3層架構組成[2]。

（1）站級設備層

該層主要由控制柜及配套的UPS電源、西門子PLCS7-300、光纖通信工業網絡交換機、斷路器、避雷器、繼電器及隔離器等構成，同時配置一套操作顯示屏。

站級設備層的主要功能如下：實現設備間的聯動邏輯控制，根據工藝要求來完成設備的反饋控制和過程控制；實現所轄區域內各設備的信號實時檢測、數據采集和自動控制；當中控室計算機或人機界面發生故障時，無論任何情況都不會對西門子PLCS7-300的自動控制和檢測功能產生影響，且確保現場設備的運行狀態不會發生改變；各設備間相對獨立運行，當測量控制單元或現場控制站發生故障時，不會對其上級、下級或同級的其他控制站控制單元的正常運行產生影響；現場控制子站設置觸摸屏作為就地操作終端，操作人員可對該控制站監控范圍內的設備實施就地集中控制，或在中央控制室授權后可就地更改設定本站的工藝控制參數。

（2）通信網絡層

通信網絡層采用工業以太網，通信協議為TCP/IP，通信速率為10/100 Mb/s；環型網絡連接，中心交換機設置于中控室，端口富裕量100%；通信介質采用多模光纖（50/125 μm）。

（3）中心監控層

中心監控層由光電轉換器、兩套中控計算機、報表打印機、事故報警打印機、網絡交換機、操作臺及不間斷電源等構成。其中，作為中控室人機交互接口的兩套中控操作站計算機互為熱備用，正常情況下兩套中控計算機同時工作并不斷執行同步操作，應用數據同時保存；當其中一套中控計算機發生故障時，另一套中控計算機正常運行，故障計算機所丟失的數據可等故障消除后從正常運行的計算機中補回。

中心監控層的主要功能如下：事故記錄、報警及報警打印；選擇或修改控制參數及控制方式；對現場西門子PLCS7-300所采集到的設備運行狀態及工藝參數進行實時讀取；對生產工藝主要流程和各生產環節子流程畫面進行實時、動態的顯示；遠程控制各西門子PLCS7-300站和設備單元；對日報、月報和年度報表進行打印；數據回歸和趨勢分析；構建全廠檢測和控制綜合數據庫，記錄和存儲主要設備運行狀況和重要工藝參數[3]。

3 自來水廠自動控制系統的實時性指標和可靠性指標

3.1 自來水廠自動控制系統的實時性指標

（1）中控室監控計算機

為滿足自動控制系統數據采集、控制功能、人機接口和系統通信的時間要求，中控室監控計算機的實時性指標應滿足如下要求：人機接口調用畫面時間（90%畫面）控制在1 s內，調用其他畫面時間控制在2 s內，實時數據顯示的刷新周期控制在5 s內，動態顯示數據刷新時間控制在2 s內；重要遙測傳送時間控制在2 s內，遙控、遙調命令傳送時間控制在2 s內，遙信變位傳送時間控制在1 s內，全系統實時數據掃描周期控制在2～5 s內；雙機自動切換時間應確保實時任務不中斷；打印報表輸出周期可按實際情況進行調整；事件順序分辨率控制在3 ms內；計算機監控系統與標準時間誤差控制在1 ms內[4]。

（2）現場西門子PLCS7-300控制站

現場西門子PLCS7-300控制站的實時性指標應滿足如下要求：控制命令響應時間應控制在1 s內，接受命令到執行控制響應時間應控制在1 s內；報警點采集周期、模擬點采集周期及指示（狀態）點采集周期應控制在1 s內，事件順序分辨率應控制在1 ms內[5]。

3.2 自來水廠自動控制系統的可靠性指標

自來水廠自動控制系統的可靠性指標如表2所示[6]。

4 結 論

利用PLC構建控制系統，結合組態軟件按照“分散控制，集中監測”的原則構建成自來水廠自動控制系統，結合以人機界面來提升操作友好度，并安裝上位機的監控組態軟件來控制監視整個系統的運行狀況。這種自動控制才是目前的發展方向。

本文構建的基于西門子PLCS7-300的自動控制系統，中控室可對整個水處理過程進行閉環控制；計算機可從各個現場PLC子站采集數據，記錄各個設備動作記錄及設備報警，還可以提供歷史曲線供查閱；一旦自來水廠設備發生難以及時解決的故障，下面每一臺設備都可以單獨手動操作，從而不影響整個系統的運行。

表2 自動控制系統的可靠性指標