PLC与ModbuS的实现及在自来水厂控制系统中的应用

摘 要面对日益增长的供水需求和日益繁杂的供水网络,自来水厂面临着如何实现满意供水,节省成本及提高水处理及水输送效率等诸多课题。本文在阐述自来水厂取水、净水及供水等主要工艺环节的基础上,探讨以PLC为基础的通过ModbuS网络协议实现自来水厂各工艺流程的集中管理功能的控制系统在自来水厂水处理过程中的应用,期望这种结合计算机通讯技术、工业控制技术为一体的控制系统可以满足当下发展的各种需要。

关键词PLC;ModbuS;自来水厂

中图分类号TP27文献标识码A文章编号1673-9671-(2009)112-0011-01

随着供水市场化程度的不断发展,至2008年底,全国城市供水普及率已超过95%,全国供水综合生产能力也达到了28000万立方米/天。与此同时,面对日益增长的供水需求和日益繁杂的供水管道,自来水厂面临着如何利用现代化科技手段实现实现满意供水,节省成本及提高水处理及水输送效率等诸多课题。而结合计算机通讯技术、工业控制技术为一体的,以PLC为基础的通过ModbuS网络协议实现自来水厂各工艺流程的集中管理功能的控制系统正是迎合这种需求而产生的现代信息技术系统。

1自来水厂自动化控制的基本组成单元与通讯协议选择

伴随着自动化技术的发展和进步,自来水厂的自动化技术也在不断的提高。当下的水处理控制系统不仅要求水处理过程自动化,而且要较长时间的保持生产过程处于最优的生产状态。控制系统除了符合供水的工艺流程、保障正常的供水需求之外,还应具有良好的扩展能力和升级空间,保证数据信息准确及时输送,具有远程遥控和遥测等控制功能。因此当下自来水厂控制系统的设计应该谨慎选择设备,利用先进的电脑和控制器,采用高效率的控制算法,谱以设计良好的人机界面,通过合适的网络协议组建稳定的网络系统。其中,控制器和通信协议的正确选择是关键之一。本文拟以可编程程序控制器PLC (Programmable Logic Controller)为基础组成元件,采用 ModbuS网络协议来搭建该控制系统。

PLC是结合了自动化控制技术和计算机通讯技术,以微处理器为基础组成的一种工业自动控制装置,在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络各方面都有显著运用,具有高可靠性,强抗干扰性,多功能性,编程简单,维护方便等特点,在自来水厂中的应用越来越广泛, 发挥着越来越大的作用。PLC不但能够提高自来水厂自动化水平,加快生产速度,降低生产成本,而且还可以提高供水质量。当前,系统的控制部分以PLC为核心,负责现场模拟量、开关量的采集、实际控制信号的输出及对上位机的数据通讯。

通讯系统是自动化系统的基础,通讯系统的性能可靠性直接决定了自动化系统的性能可靠性。通讯系统的设计是自动化系统成败和性能优劣的关键。从整个供水系统硬件实现中可以很清晰的看到,整个系统中的设备数量众多,种类繁杂。对于这些型号、厂家各异的设备,如何在我们己经建立的通讯网络上使其正常、高效的工作,将数据准确、及时的传输,这就需要使用正确的通讯协议。通讯协议是指为了可靠地传输和接收信息,通讯双方必须遵守共同认可的通讯规则。目前,主要的通讯协议共有4种标准,分别为:EtherNet /IP、IDA和Modbus TCP/IP、ProfiNet、FFHSE,这4种标准目前暂不能完全兼容,但其中EtherNet/IP、IDA和ModbusTCP/IP、ProfiNet3个标准正朝着统一的方向发展。ModbuS协议是由Modicon公司1978年开发的,其最早是为 ModiconPLC和其它自动控制设备的集成而设计的,具有PLC的结构特点。现己成为智能型设备之间建立主从式或客户机一服务器通讯标准之一。在工业自动化领域中,它是一个国际化、标准化、实际地开放式和最广泛使用的网络通讯协议。

ModbuS协议规定了一个与基础通讯层无关的简单协议数据单元(PDU),网络上的ModbuS协议映射能够在应用数据单元(AOU)上引入一些附加域。启动ModbuS事务处理的客户机创建PDU,其中的功能码向服务器指示将执行哪种操作,功能码后面是含有请求和响应参数的数据域。在ModbuS 网络上使用通讯时,这个通讯协议可以让每一台控制器知道它本身的设备地址,识别寻址的数据,从而判断应该运算的数据类型,读取出数据,并使用ModbusS通讯协议将此信息传送出去。透过 ModbusS通讯协议,控制器相互之间、控制器经由网络和其它设备之间便可以实现数据交换。

2自来水厂控制系统的设计与实现

自来水厂处理自来水的工艺过程一般包括水泵顺利取水、通过混凝剂的制备与投放达到混凝、沉淀、过滤、利用供水管道送水等。且近年来,由于供水的需要和技术的进步,人们对供水系统的监控越来越关注。当下,自来水厂自动化应用最多的是将工业电脑和PLC 组成控制系统, 系统中一般PLC可以简化为取水系统PLC1、净水系统PLC2、供水系统PLC3,监控系统PLC4,通过控制系统对各种水处理设备和实时参数进行检测,进行实时数据交换及各站点之间的数据交换,进而实现对处理过程的自动控制。以下重点阐述PLC、ModbuS在取水系统、供水系统、监控系统中的运用。

2.1取水系统PLC1

取水自控系统PLC1控制原理如图1所示,由水位传感器→PLC→水泵机组等构成一个环闭系统。PLC主要用于采集数据参数,主要包括水源的PH 值、流量、温度、浊度等,接受并执行来自中央计算机的正确指令和参数变更,更加重要的是将原水泵及吸水井的运行状态及其参数传送至运算计算机进行分析。ModbuS协议可以保证网络数据的稳定可靠、经济、不失真,满足响应速度的需要,有利于远程控制的实现。

2.2供水系统PLC3

供水系统PLC3的目的主要是实现对送水泵的控制,接受并执行来自中央计算机的正确指令和参数。在程序控制设计中,一旦进入小流量值域,系统将自动进入休眠状态。只有压力传感器检测到供水管网压力降低至程序设定的最低值时,系统才自动苏醒并进行供水。确保供水压力恒定是程序设计的关键。PLC3控制原理如图2所示,由压力传感器→PLC→变频器→水泵机组构成一个闭环系统。该系统中PLC主要检测的参数包括变电所总电流、有功功率、电压、分路电流、有功功率、总电路开关、分路开关运行状态、时间记录、出厂水阀开度、超开/ 超关限位、出厂水阀开关限位等。

2.3 监控系统PLC4

监控系统PLC4由监控中心和各个水源监测点组成,主要目的是方便自来水厂对供水各环节数据进行采集和必要监控,是自来水控制系统的关键环节。由监控中心采集和控制各个水源监测点的数据,比如各个水源监测点的水位、压力、流量、浊度、余氯、泵频等各种数据,目的是实现水压、水源流量的数据传送,水压阀门开关的自动控制以及降低设备故障率和提高对控制系统的反应时间。目前的实践中,主要是在全城的输配水管末梢、主要输配水管、易故障区域的输配水管节点上安装远程端站设备。设备包括传感器、可编程控制器PLC和远程传输的电台。

PLC主要工作原理是:首先,传感器将水压、水流量等物理状态转换成对应的电流信号,输入PLC;其次,PLC将输入信号转换成特定常量保存在内部缓冲模块的固定位置;第三,PLC将缓区的数据读出,通过电台和天线发送定向/全向信号,向位于公司总部的监控中心输送数据;第四,监控中心接收到信号后,转化为对应数据包,将数据包发送到监控主机,经过主机内的监控软件处理,最终以合适的形式显示在监控屏幕上,供操作人员分析使用。

3 总结

目前,我国城市供水系统在发展中存在诸多问题,严重制约了经济的发展和人民生活的提高。依托现代化技术手段对自来水生产过程进行控制和管理,提高供水设备运行效率和可靠性,节省宝贵的水资源,是技术发展的必然趋势,是自来水厂取得长足发展的关键。随着自动化控制技术的应用以及自来水厂的技术升级,PLC控制技术等一系列自动化控制技术必将在自来水处理工程中得到广泛的应用。

参考文献

[1]吴中俊,黄永红.可编程序控制器原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2003.

[2]尤博文.南京市自来水厂的自控系统总体建设规划与标准[J].中国给水排水,2006,18:56.

[3]路康,孔汉,闫文科.基于Modbus协议的变频器-PLC[J].通讯控制技术,2007,2:52.

作者简介:

梁远锦(1981-),男, 在读控制工程专业工程硕士,助理电子工程师,现任职广州市自来水公司自动化技术员,从事自来水厂自控系统设计及研究工作。