曹妃甸供水公司计算机自动化控制系统的应用研究

纪　征

[摘要]介绍组成曹妃甸供水公司自动化控制系统的软硬件结构及网络结构特点，各分站自控功能和应用效果概况。

[关键词]自动化控制系统网络结构特点自控功能应用效果

中图分类号：TP2文献标识码：A文章编号：1671-7597(2009)0610011-02

一、引言

曹妃甸供水公司额定供水能力8200万m³／年(22.5万／d)。四台泵全部接入一个汇总管道，然后通过两条dn1200mm管道向工业区供水，水泵配用电机全部为800kw高压6kv电机。供电系统采用单术锨隔离开关分段接线，变电站安装两台主变．容量均为2500KVA，变压器二次电压为6kv，6kv开关柜装于变电站一层，采用单母线分段接线。全厂设一套自动化监控装置，上位机设在电气值班室，运行人员平时在中央值班室监控全厂设备。泵房、加氯间、变电站各安装一台PLC。PLC与上位机采用以太网通讯。PLC采用欧姆龙CPU，软件采用欧姆龙的CXONE编程软件，上位机采用iFIX组太软件。

二、系统构成

(一)概述

该网络拓扑结构为总线型结构，硬件系统是采用工业以太网的控制网络。每个分控站配备1套PLC系统和1台监控计算机。中央控制室配备2台工控机和1个服务器。除一分站取水泵房的PLC站与中控室的管理计算机之间通过无线电台进行数据交换外，各分控站之间以及分控站和中控室之间通过高速数据通道DH+(DataHighway Plus)进行通讯。

本系统包括生产过程自动采集和控制系统、全长闭路监控系统。网络系统采用集工控、管理、闭路监控于一体的10／100Mbit／s光纤以太网通讯，并组成环网提高系统可靠性，同时通过软件实现设备的弹性分组，使处于网络任意位置的设备，根据不同功能分别处于同一物理区段。

本取水泵站，一期设一套可编程序控制器PLC，位于变配电间，一期自动控制系统由监控管理计算机、可编程序控制器(PLCI)、现场仪表构成。

(二)硬件系统

1．监控管理计算机。设监控管理计算机二套，两套计算机可分担不同功能，故障时可互为备用。监测管理计算机面向操作人员，通过PLC采集整个泵站的工艺参数、电气参数及主要设备的运行状态信息。据此对现场数据进行分析、处理、贮存、建立健全各类数据库，对各工艺参数作出趋势曲线，并能在线诊断各种故障、报警、记录。通过简单的键盘操作，可进行系统功能组态、在线修改、设置控制参数和给下位机下达指令。

监控管理计算机的显示器可显示全厂的动态工艺流程图、动态参数表、记录趋势曲线、自动生成各类报表，并通过打印机定时打印出来。操作人员可随时利用键盘或鼠标器根据泵站的运行情况修正某些参数设定值，使系统始终工作在最佳状态。报警系统的各种故障在中心控制室进行声、光报警，并能将故障分类打印。

2．可编程序控制器(PLC)。PLCI面向工艺过程，完成对取水泵站的主要电气设备和现场仪表的数据采集工作并通过总线实时传送给监控管理计算机。通过对PLC的编程，实现取水泵站的控制功能。

PLC系统采用欧姆龙的CSI系列。配有CPU模块、电源模块、通讯处理器、I／O模块等。

(1)CPU模块(CSIG-CPU45H)CPU为32位微处理器，程序内存大于60K步，程序存储器袋保护开关，锂电池保护程序，快闪存储保护数据。LD指令的处理速度：20ns。

(2)I／O模块的数据I／O表统计并可根据实际情况作适当调整，但必须有30％的备用点数，以便今后扩展用。数字量输入、输出模块为光电隔离型，并可带电插拔。模拟量输入、输出模块分辨率不低于14位。

(3)通讯模块包括以太网、MB网通讯处理器等。

(4)电源模块按系统所需的容量增加100％的备用容量。

3．通讯。取水泵站内部过程控制系统级的采用以光纤为介质的100／10Mbit／s以太网通讯。泵站与给水厂及管理站。

4．各子站划分。PLC控制站的分布是根据工艺环节而设置的，可对工艺环节的各参数进行采集，并加以顺序或逻辑及PID控制。在各分站都设置了手动／自动切换操作功能，使整个监控网络可实行三级控制，即就地手动控制、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，负责泵房内全部设备的自动控制和数据采集。

变配电间子站PLC2置于变配电二楼，负责送水泵及35kv、6kv及数据采集。

加氯间子站PLC3置于加氯间控制室，负责加氯间内部全部设备的自动控制和数据采集。

5．全厂闭路监控系统。为进一步完善调度管理，对主要工段、工况、工艺设备、电气、自控设备随时随地的观测，并通过局域网随时在不同计算机上浏览，使经营管理能及时了解掌握现场情况，提前发现隐患及时处理，以保证取水泵站正常运行，同时也能精简人员，在厂区及构筑物内的关键部位设置闭路电视监控系统。该系统具有技术先进，稳定可靠，经济实用，扩展灵活等特点。监控中心位于中心控制室，内设视频工控机二台，带以太网卡，主辅监视器一台。

(三)软件结构

两个软件平台：一个是在PLC处理器中运行的梯形图软件logix5，另一个是在监控计算机中运行的人机接口监控软件RSView32。服务器上安装Windows2000Server，SQL Server数据库软件。

三、控制说明

(一)监控要求

1．全部工艺设备及仪表的运行状态信号、模拟量均能在中控室监控管理计算机上检测，当设备故障时分别在中控室和PLC子站报警。

2．以上控制中涉及到的全部参数设定值均可在中控室监控管理计算机上设定修改。

3．按照I／O表的编程要求进行编程，全部要求自动控制的设备均可在中控监控管理计算机上通过软按键手动启动。

(二)进水口预警系统

进水口设PH计、浊度计、溶氧仪等检测仪表，当仪表检测的水质高于设定值时，启动报警装置，操作人员根据情况酌情处理。信号传送至供水厂。

(三)泵房真空泵系统的控制

该系统设二台真空泵及相应的电磁阀。在启动某台水泵之前，首先检测泵池液位，当泵池液位高于设定水位(28.62米)时，则不许启动真空泵而直接送水泵电机，当泵池液位等于或低于设定水位时，则首先启动真空泵系统，先打开相应的送水真空泵管路电动阀，在启动真空泵，当PLC接受到真空罐高液位信号(抽真空完成信号)后，在启动送水泵电机，同时关闭送水泵电磁阀，延时一点时间(时间可设定)，按同样方法启动下一台送水泵。

(四)加氯控制

该系统为一点加氯，加氯点分别位于两组进水池前，设三台加氯机，二用一各每一前池对应四台送水泵，每台送水泵后设流量计。PLC将每四台(一期二台)流量计的流量进行累加，并将累计值之通过D0模块输送给加氯机。同时在监控管理计算机上显示出水余氯值，并带有高低限报警。

前加氯采用与源水流量成正比例的开环控制方式；后加氯则以滤后水流量作为前馈量，清水池入口余氧值作为反馈量，在PLC中组成一个前馈一反馈闭环比例控制系统，以输出量控制加氯机的流量。

控制还能够实现切换加氯气瓶、漏氯报警和开启漏出氯气的中和设各。

(五)送水泵控制

设八台送水泵(一期四台，三用一备，并且2台水泵带有变频调节装置)分二组。每组有一台泵配有变频装置，PLC接受管网的4～20mA压力信号于给定值进行比较，按照PID闭环调节算法通过变频，改变电机转速，调节送水量，同时根据用户端的流量总和确定管网的需水量，制定合理的专家处理系统或模糊神经网络控制系统。在编程过程中水泵的运行调节应遵循下列原则：

(1)保证管网压力恒定。

(2)为避免泵的频繁启停，允许管网压力存在5％的误差。

(3)保证每台水泵的投运次数及运行时间基本均等。

(4)当管网压力低于正常值时(可在监控管理计算机上设定)送水泵在维持最低用水量的情况下停部分送水泵，及时确定并解决故障。

(5)由PLC实现泵阀连锁，开顺序：先开泵后开相应的电动阀，关顺序：先关阀后关泵。

取水泵房分控站在全自动控制方式下，能根据水位、出厂水流量和进水量决定水泵的开启台数。4台水泵(3用1备)采用自然顺序建立循环队列，按队列顺序依次启动泵，并按先启动先停止、累计运行时间少的先启动、累计运行时间多的先停止的原则轮换工作。

(六)35KV、6KV系统

该系统由后台管理机通过以太网实现与全厂的控制系统通讯，在中控室只监视电力系统的运行状态，不遥控。监视信号在监控管理计算机上显不。

四、光纤数据传输

传输一路视频两路双向数据光放射机／接收机，利用波分复用原理，将一路视频信号、两路双向数据信号通过一根单模或多模光纤实现双向远距离传输，最大可将标准一路视频信号、两路双向数据信号不失真无中继的传输60km，它利用锁相调频技术，不需增益补偿，专业的设计可与多种控制系统兼容，具有很大的光动态范围。

其特点为可通过一根光缆传输高质量的一路视频信号、两路双向数据信号；最大传输距离可达60kin：单摸或多模工作方式；视频带宽5HZ-8HZ、音频带宽100HZ-4KHZ=PAL／SHCAM／NTSC多种制式兼容；采用视频锁相调频技术、免调试：带APC电路，输出光功率恒定，动态范围大且具有RS232／RS422／RS485／TTL多种数据接口，另外，还支持多种数据格式。

五、组态控制

1、工控机。控制中心检测计算机采用一台高性能IPC(工控机)。

2、组态软件。通用组态软件，Ifix和INTOUCH组态软件在我国均有广泛应用通用工业自动化组态软件能够很好的解决传统工业软件存在的种种问题，是用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。

iFIX是Intellution Dynamicsl业自动化软件解决方案家族中的HMI／SCADA软件组件，专为Windows 2000／NT而设计，并能够更准确的监视和控制他们生产过程的所有环节。它还可以实时收集数据并且将重要的信息传输到整个组织中的操作员及各级经理，同时通过容易理解的画面将数据反映出来。其特点包括：过程可视化：实时和历史趋势；监控；数据采集和数据管理；用户综合报表：报警和报警管理：Intellution WorkSpaceTM开发环境；内置VHA；Microsoft SOL Server等。

IFIX是开放式的，并运用了Microsoft一系工业标准技术，例如COM／DCOM、ActiveX、BVA、Windows 2000／NT和90PC。

六、自动化仪表设计

配合计算机自控系统，在取水泵站各个工艺流程设置了与工艺流程适应的必要参数监测仪表系统，各仪表监测到的4～20mA标准信号，先送到PLC，通过总线送到监控管理计算机。全部仪表均采用带现场显示的智能型仪表。

1、分别在两路出水总管装设超声波时差流量计和压力变送器，用于流量计量和恒压供水控制，并将数据送至PLC。并设余氯仪用于检测出水余氯值。

2、分别在送水泵出口设压力变送器。

3、泵池安装超声波液位计用于监视泵池液位。

4、变电站在高压进线及变压器设智能电量变送器。

高压监测系统主要通过智能电量变送器将以下信号通过通讯总线送往PLCI和监控管理计算机上监测。

1#进线柜：分／合闸、故障、电流、电压、有功功率、无功功率。

2#进线柜：分／合闸、故障、电流、电压、有功功率、无功功率。

1#变压器柜：分／合闸、故障、电流、电压、温度、有功功率。

2#变压器柜：分／合闸、故障、电流、电压、温度、有功功率。

七、网络结构特点

1、一分站和三分站工控机与PLC的通信采用RS-232C通信方式，而二分站，中控室的2台工控机(ZKI、ZK2)则通过欧姆龙公司的PKTX卡在DH+网上实现数据通信。

2、中控室的2台工控机中插入以太网卡(型号为ALPHA 100／10M自适应快速以太网卡)，在中控室装有D-Link100／10M，24口以太网交换机1台，ZK1、ZK2工控机、两台计算机之间均通过以太网实现通信。

3、由于ZK1、ZK2的2台工控机均在以太网上，通过相互拷贝与粘贴，可以做到2台计算机互为备用，增大系统的运行可靠性。又由于此2台计算机均在DH+网上，此2台机器中又安装了Logix5梯形图软件，进行必要的管理。RSVIHW32软件直接采集各分站的数据。与一分站的通信仍延用无线数据传输实现通信。

4、将ZK1、ZK2的2台工控机设置为RSVIEW32 OPC服务器，而将服务器设置为RSVIEW32 OPC客户机。服务器从ZK1或ZK2取得数据。若是设定ZK1为OPC服务器，如果ZK1发生故障，则只要在服务器的节点上将ZK1改变为ZK2即可。

八、应用效果

该计算机自动控制系统从一期试运行以来，一直稳定运行，效果明显。

1、大大提高了出厂水质。自控系统对稳定水质起到了关键作用，出厂水浊度稳定在标准以下，余氯值也非常稳定，达到了国家饮用水标准。

2、节约了能耗，降低了药耗。

3、提高了劳动生产率，大大节约了人力资源。

4、提高了企业的现代化管理水平。整个自动化控制系统维护方便、快捷，生产信息的传送速度大大加快、将企业的管理水平提高了一个档次。