曹妃甸供水公司計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

紀(jì)　征

[摘要]介紹組成曹妃甸供水公司自動(dòng)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(diǎn)，各分站自控功能和應(yīng)用效果概況。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TP2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671-7597(2009)0610011-02

一、引言

曹妃甸供水公司額定供水能力8200萬(wàn)m³／年(22.5萬(wàn)／d)。四臺(tái)泵全部接入一個(gè)匯總管道，然后通過(guò)兩條dn1200mm管道向工業(yè)區(qū)供水，水泵配用電機(jī)全部為800kw高壓6kv電機(jī)。供電系統(tǒng)采用單術(shù)锨隔離開(kāi)關(guān)分段接線(xiàn)，變電站安裝兩臺(tái)主變．容量均為2500KVA，變壓器二次電壓為6kv，6kv開(kāi)關(guān)柜裝于變電站一層，采用單母線(xiàn)分段接線(xiàn)。全廠(chǎng)設(shè)一套自動(dòng)化監(jiān)控裝置，上位機(jī)設(shè)在電氣值班室，運(yùn)行人員平時(shí)在中央值班室監(jiān)控全廠(chǎng)設(shè)備。泵房、加氯間、變電站各安裝一臺(tái)PLC。PLC與上位機(jī)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(jī)采用iFIX組太軟件。

二、系統(tǒng)構(gòu)成

(一)概述

該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線(xiàn)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(gè)分控站配備1套PLC系統(tǒng)和1臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)。中央控制室配備2臺(tái)工控機(jī)和1個(gè)服務(wù)器。除一分站取水泵房的PLC站與中控室的管理計(jì)算機(jī)之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)電臺(tái)進(jìn)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(guò)高速數(shù)據(jù)通道DH+(DataHighway Plus)進(jìn)行通訊。

本系統(tǒng)包括生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)采集和控制系統(tǒng)、全長(zhǎng)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(shí)通過(guò)軟件實(shí)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(dòng)控制系統(tǒng)由監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)、可編程序控制器(PLCI)、現(xiàn)場(chǎng)儀表構(gòu)成。

(二)硬件系統(tǒng)

1．監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)。設(shè)監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)二套，兩套計(jì)算機(jī)可分擔(dān)不同功能，故障時(shí)可互為備用。監(jiān)測(cè)管理計(jì)算機(jī)面向操作人員，通過(guò)PLC采集整個(gè)泵站的工藝參數(shù)、電氣參數(shù)及主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息。據(jù)此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、貯存、建立健全各類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)各工藝參數(shù)作出趨勢(shì)曲線(xiàn)，并能在線(xiàn)診斷各種故障、報(bào)警、記錄。通過(guò)簡(jiǎn)單的鍵盤(pán)操作，可進(jìn)行系統(tǒng)功能組態(tài)、在線(xiàn)修改、設(shè)置控制參數(shù)和給下位機(jī)下達(dá)指令。

監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)的顯示器可顯示全廠(chǎng)的動(dòng)態(tài)工藝流程圖、動(dòng)態(tài)參數(shù)表、記錄趨勢(shì)曲線(xiàn)、自動(dòng)生成各類(lèi)報(bào)表，并通過(guò)打印機(jī)定時(shí)打印出來(lái)。操作人員可隨時(shí)利用鍵盤(pán)或鼠標(biāo)器根據(jù)泵站的運(yùn)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(bào)警系統(tǒng)的各種故障在中心控制室進(jìn)行聲、光報(bào)警，并能將故障分類(lèi)打印。

2．可編程序控制器(PLC)。PLCI面向工藝過(guò)程，完成對(duì)取水泵站的主要電氣設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)據(jù)采集工作并通過(guò)總線(xiàn)實(shí)時(shí)傳送給監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)。通過(guò)對(duì)PLC的編程，實(shí)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(chǔ)器袋保護(hù)開(kāi)關(guān)，鋰電池保護(hù)程序，快閃存儲(chǔ)保護(hù)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(jì)并可根據(jù)實(shí)際情況作適當(dāng)調(diào)整，但必須有30％的備用點(diǎn)數(shù)，以便今后擴(kuò)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(guò)程控制系統(tǒng)級(jí)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(chǎng)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(duì)工藝環(huán)節(jié)的各參數(shù)進(jìn)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(dòng)／自動(dòng)切換操作功能，使整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可實(shí)行三級(jí)控制，即就地手動(dòng)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(fù)責(zé)泵房?jī)?nèi)全部設(shè)備的自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集。

變配電間子站PLC2置于變配電二樓，負(fù)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(fù)責(zé)加氯間內(nèi)部全部設(shè)備的自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集。

5．全廠(chǎng)閉路監(jiān)控系統(tǒng)。為進(jìn)一步完善調(diào)度管理，對(duì)主要工段、工況、工藝設(shè)備、電氣、自控設(shè)備隨時(shí)隨地的觀(guān)測(cè)，并通過(guò)局域網(wǎng)隨時(shí)在不同計(jì)算機(jī)上瀏覽，使經(jīng)營(yíng)管理能及時(shí)了解掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，提前發(fā)現(xiàn)隱患及時(shí)處理，以保證取水泵站正常運(yùn)行，同時(shí)也能精簡(jiǎn)人員，在廠(chǎng)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(jìn)，穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，擴(kuò)展靈活等特點(diǎn)。監(jiān)控中心位于中心控制室，內(nèi)設(shè)視頻工控機(jī)二臺(tái)，帶以太網(wǎng)卡，主輔監(jiān)視器一臺(tái)。

(三)軟件結(jié)構(gòu)

兩個(gè)軟件平臺(tái)：一個(gè)是在PLC處理器中運(yùn)行的梯形圖軟件logix5，另一個(gè)是在監(jiān)控計(jì)算機(jī)中運(yùn)行的人機(jī)接口監(jiān)控軟件RSView32。服務(wù)器上安裝Windows2000Server，SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)軟件。

三、控制說(shuō)明

(一)監(jiān)控要求

1．全部工藝設(shè)備及儀表的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)、模擬量均能在中控室監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)上檢測(cè)，當(dāng)設(shè)備故障時(shí)分別在中控室和PLC子站報(bào)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(jì)算機(jī)上設(shè)定修改。

3．按照I／O表的編程要求進(jìn)行編程，全部要求自動(dòng)控制的設(shè)備均可在中控監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)上通過(guò)軟按鍵手動(dòng)啟動(dòng)。

(二)進(jìn)水口預(yù)警系統(tǒng)

進(jìn)水口設(shè)PH計(jì)、濁度計(jì)、溶氧儀等檢測(cè)儀表，當(dāng)儀表檢測(cè)的水質(zhì)高于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警裝置，操作人員根據(jù)情況酌情處理。信號(hào)傳送至供水廠(chǎng)。

(三)泵房真空泵系統(tǒng)的控制

該系統(tǒng)設(shè)二臺(tái)真空泵及相應(yīng)的電磁閥。在啟動(dòng)某臺(tái)水泵之前，首先檢測(cè)泵池液位，當(dāng)泵池液位高于設(shè)定水位(28.62米)時(shí)，則不許啟動(dòng)真空泵而直接送水泵電機(jī)，當(dāng)泵池液位等于或低于設(shè)定水位時(shí)，則首先啟動(dòng)真空泵系統(tǒng)，先打開(kāi)相應(yīng)的送水真空泵管路電動(dòng)閥，在啟動(dòng)真空泵，當(dāng)PLC接受到真空罐高液位信號(hào)(抽真空完成信號(hào))后，在啟動(dòng)送水泵電機(jī)，同時(shí)關(guān)閉送水泵電磁閥，延時(shí)一點(diǎn)時(shí)間(時(shí)間可設(shè)定)，按同樣方法啟動(dòng)下一臺(tái)送水泵。

(四)加氯控制

該系統(tǒng)為一點(diǎn)加氯，加氯點(diǎn)分別位于兩組進(jìn)水池前，設(shè)三臺(tái)加氯機(jī)，二用一各每一前池對(duì)應(yīng)四臺(tái)送水泵，每臺(tái)送水泵后設(shè)流量計(jì)。PLC將每四臺(tái)(一期二臺(tái))流量計(jì)的流量進(jìn)行累加，并將累計(jì)值之通過(guò)D0模塊輸送給加氯機(jī)。同時(shí)在監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)上顯示出水余氯值，并帶有高低限報(bào)警。

前加氯采用與源水流量成正比例的開(kāi)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(gè)前饋一反饋閉環(huán)比例控制系統(tǒng)，以輸出量控制加氯機(jī)的流量。

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

(五)送水泵控制

設(shè)八臺(tái)送水泵(一期四臺(tái)，三用一備，并且2臺(tái)水泵帶有變頻調(diào)節(jié)裝置)分二組。每組有一臺(tái)泵配有變頻裝置，PLC接受管網(wǎng)的4～20mA壓力信號(hào)于給定值進(jìn)行比較，按照PID閉環(huán)調(diào)節(jié)算法通過(guò)變頻，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)送水量，同時(shí)根據(jù)用戶(hù)端的流量總和確定管網(wǎng)的需水量，制定合理的專(zhuān)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(guò)程中水泵的運(yùn)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(tái)水泵的投運(yùn)次數(shù)及運(yùn)行時(shí)間基本均等。

(4)當(dāng)管網(wǎng)壓力低于正常值時(shí)(可在監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)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(shí)確定并解決故障。

(5)由PLC實(shí)現(xiàn)泵閥連鎖，開(kāi)順序：先開(kāi)泵后開(kāi)相應(yīng)的電動(dòng)閥，關(guān)順序：先關(guān)閥后關(guān)泵。

取水泵房分控站在全自動(dòng)控制方式下，能根據(jù)水位、出廠(chǎng)水流量和進(jìn)水量決定水泵的開(kāi)啟臺(tái)數(shù)。4臺(tái)水泵(3用1備)采用自然順序建立循環(huán)隊(duì)列，按隊(duì)列順序依次啟動(dòng)泵，并按先啟動(dòng)先停止、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間少的先啟動(dòng)、累計(jì)運(yùn)行時(shí)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(tái)管理機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與全廠(chǎng)的控制系統(tǒng)通訊，在中控室只監(jiān)視電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，不遙控。監(jiān)視信號(hào)在監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)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(jī)／接收機(jī)，利用波分復(fù)用原理，將一路視頻信號(hào)、兩路雙向數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)一根單?；蚨嗄９饫w實(shí)現(xiàn)雙向遠(yuǎn)距離傳輸，最大可將標(biāo)準(zhǔn)一路視頻信號(hào)、兩路雙向數(shù)據(jù)信號(hào)不失真無(wú)中繼的傳輸60km，它利用鎖相調(diào)頻技術(shù)，不需增益補(bǔ)償，專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)可與多種控制系統(tǒng)兼容，具有很大的光動(dòng)態(tài)范圍。

其特點(diǎn)為可通過(guò)一根光纜傳輸高質(zhì)量的一路視頻信號(hào)、兩路雙向數(shù)據(jù)信號(hào)；最大傳輸距離可達(dá)60kin：?jiǎn)蚊蚨嗄９ぷ鞣绞?；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(dòng)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(jī)?？刂浦行臋z測(cè)計(jì)算機(jī)采用一臺(tái)高性能IPC(工控機(jī))。

2、組態(tài)軟件。通用組態(tài)軟件，Ifix和INTOUCH組態(tài)軟件在我國(guó)均有廣泛應(yīng)用通用工業(yè)自動(dòng)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(wèn)題，是用戶(hù)能根據(jù)自己的控制對(duì)象和控制目的的任意組態(tài)，完成最終的自動(dòng)化控制工程。

iFIX是Intellution Dynamicsl業(yè)自動(dòng)化軟件解決方案家族中的HMI／SCADA軟件組件，專(zhuān)為Windows 2000／NT而設(shè)計(jì)，并能夠更準(zhǔn)確的監(jiān)視和控制他們生產(chǎn)過(guò)程的所有環(huán)節(jié)。它還可以實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)并且將重要的信息傳輸?shù)秸麄€(gè)組織中的操作員及各級(jí)經(jīng)理，同時(shí)通過(guò)容易理解的畫(huà)面將數(shù)據(jù)反映出來(lái)。其特點(diǎn)包括：過(guò)程可視化：實(shí)時(shí)和歷史趨勢(shì)；監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理；用戶(hù)綜合報(bào)表：報(bào)警和報(bào)警管理：Intellution WorkSpaceTM開(kāi)發(fā)環(huán)境；內(nèi)置VHA；Microsoft SOL Server等。

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

六、自動(dòng)化儀表設(shè)計(jì)

配合計(jì)算機(jī)自控系統(tǒng)，在取水泵站各個(gè)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(cè)儀表系統(tǒng)，各儀表監(jiān)測(cè)到的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，先送到PLC，通過(guò)總線(xiàn)送到監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)。全部?jī)x表均采用帶現(xiàn)場(chǎng)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(shí)差流量計(jì)和壓力變送器，用于流量計(jì)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(cè)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(jì)用于監(jiān)視泵池液位。

4、變電站在高壓進(jìn)線(xiàn)及變壓器設(shè)智能電量變送器。

高壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要通過(guò)智能電量變送器將以下信號(hào)通過(guò)通訊總線(xiàn)送往PLCI和監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)上監(jiān)測(cè)。

1#進(jìn)線(xiàn)柜：分／合閘、故障、電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率。

2#進(jìn)線(xiàn)柜：分／合閘、故障、電流、電壓、有功功率、無(wú)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(diǎn)

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

2、中控室的2臺(tái)工控機(jī)中插入以太網(wǎng)卡(型號(hào)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(jī)1臺(tái)，ZK1、ZK2工控機(jī)、兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間均通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信。

3、由于ZK1、ZK2的2臺(tái)工控機(jī)均在以太網(wǎng)上，通過(guò)相互拷貝與粘貼，可以做到2臺(tái)計(jì)算機(jī)互為備用，增大系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。又由于此2臺(tái)計(jì)算機(jī)均在DH+網(wǎng)上，此2臺(tái)機(jī)器中又安裝了Logix5梯形圖軟件，進(jìn)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(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)通信。

4、將ZK1、ZK2的2臺(tái)工控機(jī)設(shè)置為RSVIEW32 OPC服務(wù)器，而將服務(wù)器設(shè)置為RSVIEW32 OPC客戶(hù)機(jī)。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(diǎn)上將ZK1改變?yōu)閆K2即可。

八、應(yīng)用效果

該計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)從一期試運(yùn)行以來(lái)，一直穩(wěn)定運(yùn)行，效果明顯。

1、大大提高了出廠(chǎng)水質(zhì)。自控系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定水質(zhì)起到了關(guān)鍵作用，出廠(chǎng)水濁度穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)以下，余氯值也非常穩(wěn)定，達(dá)到了國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

2、節(jié)約了能耗，降低了藥耗。

3、提高了勞動(dòng)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(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)維護(hù)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(gè)檔次。