摘要： 隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC控制技術(shù)得以不斷擴展和完善，其功能遠遠超出了邏輯控制和順序控制的范疇，具備了模擬控制、過程控制以及遠程通信等功能。PLC支持多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線，易于組成工程控制網(wǎng)。佛山北江水廠自控系統(tǒng)實施中采用了施耐德電氣公司的高端PLC——Quantum，采用符合Ethernet/ IP標(biāo)準(zhǔn)的100Mb / s全雙工交換式光纖自愈工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)方式，大大提高工程的生產(chǎn)率。
關(guān)鍵詞：PLC 工業(yè)以太網(wǎng) 透明就緒
1 前言
隨著電子技術(shù)特別是計算機技術(shù)的進步,我國自來水行業(yè)的自動化應(yīng)用有了飛速的發(fā)展,目前國內(nèi)主流的水廠一般都采用基于高端PLC的集散型控制系統(tǒng)。
Quantum作為施耐德電氣最高端PLC系列提供了一個規(guī)模可變的模塊化結(jié)構(gòu)的，能夠非常容易地實現(xiàn)從單一機架到工廠級體系機構(gòu)配置，滿足最高性能品質(zhì)應(yīng)用的要求。透明工廠技術(shù)提供的集成Web服務(wù)器功能使Quantum能通過標(biāo)準(zhǔn)Web瀏覽器為數(shù)據(jù)庫信息，過程圖標(biāo)，過程診斷等提供儲存與服務(wù)功能。
在水廠采用基于透明就緒技術(shù)的施耐德高端PLC產(chǎn)品在保證了工程質(zhì)量的情況下還提高了整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和易維護性。在項目中取得了良好的效果。
2項目簡介
佛山北江水廠項目,建成后日處理能力為110萬立方米, 首期規(guī)模為30萬立方米/日，北江水廠首期工程將于今年12月底建成通水，它將有效解決三水區(qū)中北部區(qū)域日益突出的供水供、需矛盾，促進三水區(qū)中北部區(qū)域社會經(jīng)濟建設(shè)快速發(fā)展，滿足居民生活水平提高的需求。今后，北江水廠將在三水二橋與西江水廠串通，形成雙水源供水，互為備用，確保佛山市飲用水安全。
3 透明就緒
透明就緒通過采用通用的通訊協(xié)議，TCP/IP,Modbus,Web為自動化的解決方案提供了新的自由度，從1998年首次推出以來已經(jīng)有超過30萬套的自動化設(shè)備采用了透明就緒方案
透明就緒采用三層的結(jié)構(gòu)方式。首先在廠區(qū)范圍內(nèi)布置一套以太網(wǎng),用于車間子站與中心監(jiān)控室及其他子站的通訊。在水廠采用以太網(wǎng)結(jié)構(gòu),不僅能緊跟世界科技發(fā)展的潮流,而且有很好的性價比,更重要的是與水司的辦公自動化網(wǎng)絡(luò)、調(diào)度網(wǎng)絡(luò)等均能很好地結(jié)合。以太網(wǎng)的介質(zhì)建議采用光纖,因為其抗干擾性強,通訊距離長,升級方便。其次以車間為單位設(shè)立子站,配置PLC連接底層I/O,監(jiān)控子站范圍內(nèi)儀表、設(shè)備的運行及生產(chǎn)過程,并負(fù)責(zé)與廠級上位機的通訊,還可以通過網(wǎng)絡(luò)觀察其他子站的情況。第三層也就是子站的底層, I/O采用基于工業(yè)現(xiàn)場總線方式的智能I/O系統(tǒng)，通過工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)將前端I/O單元分散到工業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備和儀表附近,這樣不但大大削減了現(xiàn)場到I/O之間一一對應(yīng)的信號電纜,節(jié)約了自控系統(tǒng)的安裝費用,將信號受干擾的可能性降至最低,還使用戶以后的維護、擴展十分方便。
4工藝流程及設(shè)計要求
4.1工藝流程
水廠主廠區(qū)內(nèi)主要工藝構(gòu)筑物有：曝氣池、加氯間、普通快濾池、清水池、二級泵站等。由原水泵打來的原水首先進入曝氣池溶氧，目的是去除水中二氧化碳，提高水中PH值，保證水中錳離子的氧化反應(yīng)速度。待加氯消毒后進入快濾池進行過濾，以去除原水中的鐵、錳離子和懸浮雜質(zhì)，然后經(jīng)過后加氯排入清水池，由送水泵房送入城市輸水管網(wǎng)。濾池要定時進行反沖洗，以除去濾料表面的雜質(zhì)。
4.2控制要求
根據(jù)工藝流程及構(gòu)筑物的地理分布，自動化控制系統(tǒng)主要完成加氯間、凈水車間和送水泵房的管理和工藝流程的自動控制。系統(tǒng)采用“集中監(jiān)測，分散控制”的方式，由廠級中央監(jiān)控工作站、現(xiàn)場分散控制站和生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備組成全廠工業(yè)控制統(tǒng)。自動檢測的主要工藝參數(shù)有：進水濁度、HP值、電導(dǎo)率，進水流量、壓力，反沖洗水泵閥門開啟位置、運行狀態(tài)，濾池出水濁度，濾池單池水頭損失（差壓），清水池液位等，水廠總出水流量、壓力、濁度、PH值、余氯等。
檢測的電氣參數(shù)有：配電系統(tǒng)的電壓、電流、有功／有功電能、無功／無功電能等。
4.3通信網(wǎng)絡(luò)要求
通信系統(tǒng)分管理級和控制級，管理級選用100M工業(yè)以太網(wǎng)，通信介質(zhì)為光纖。控制級選用工業(yè)網(wǎng)，通過專用屏蔽電纜進行通信。
4.4硬件要求
系統(tǒng)采用PLC+PC的方式進行控制。PLC完成具體的控制和監(jiān)測，PC機利用組態(tài)軟件實現(xiàn)監(jiān)控、報警、統(tǒng)計和報表打印等功能。
4.5 軟件要求
全廠生產(chǎn)管理層和生產(chǎn)過程監(jiān)控層采用施耐德電氣的 Vejio Citect 編制出便于管理和監(jiān)控的軟件界面，生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備層采用Unitypro程序設(shè)計出符合生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)的過程控制軟件。
5 設(shè)計任務(wù)分析
從水廠生產(chǎn)實際情況和在自控系統(tǒng)中的作用來看，水廠自控系統(tǒng)由生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備層、生產(chǎn)過程監(jiān)控層和全廠生產(chǎn)管理層三個層次組成
生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備層包括加氯間、凈水車間和送水泵房的微型PLC和相關(guān)電機和儀表設(shè)備。生產(chǎn)過程監(jiān)控層由PLC控制系統(tǒng)及其控制網(wǎng)絡(luò)組成，它主要完成過程控制、狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集、故障報警處理等功能，是自控系統(tǒng)的核心部分，包含有凈水車間PLC分站和送水泵房PLC分站。
全廠生產(chǎn)管理層包括中央控制室、廠長室，主要負(fù)責(zé)全廠生產(chǎn)過程狀態(tài)的監(jiān)視和故障報警、生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析以及報表生成等，必要時可以參與遠程控制。
6 系統(tǒng)設(shè)計
6.1 設(shè)計原則
遵循先進性、實用性、可靠性、經(jīng)濟性、開放性的原則，滿足供水工程生產(chǎn)管理和水處理工藝對自動化控制的要求。實現(xiàn)“集中監(jiān)控和管理、分散控制、數(shù)據(jù)共享”，以保證整個水廠的運行協(xié)調(diào)、一致。
6.2系統(tǒng)配置圖
水廠自控系統(tǒng)的配置情況如圖所示。
6.3硬件配置和防雷措施
本系統(tǒng)PLC配置如下：
整個系統(tǒng)由4套冗余的Quantum 140CPU67160設(shè)備加上34套內(nèi)置以太網(wǎng)和Modbus的M340- BMXP342020構(gòu)成。．之所以選擇Quantum和Modicon M340，主要是考慮在滿足控制要求的基礎(chǔ)上的經(jīng)濟性和適用性。Quantum性能較高，且由于采用了熱冗余技術(shù)，能對大型水廠的連續(xù)生產(chǎn)帶來充分的保證，而M340價格較低，又在不降低整體控制系統(tǒng)質(zhì)量的情況下節(jié)省了投資。M340主要用來執(zhí)行邏輯控制，而送水泵房、加氯間以及每格濾池和所執(zhí)行的邏輯控制比較少，因此采用M340完全適用。本系統(tǒng)采用單獨的接地防雷措施，接地電阻小于1歐姆，并且該接地與其他電氣設(shè)備的接地的間隔距離符合規(guī)范要求。
6.4中央監(jiān)控系統(tǒng)
該控制室為整個系統(tǒng)的中央控制室，負(fù)責(zé)全廠各工況的集中控制、監(jiān)視和管理，通過以太網(wǎng)和現(xiàn)場控制操作站進行信息交換。通過施耐德電氣的Vejio Citect的冗余服務(wù)器，能更穩(wěn)定的為操作人員提供各凈水車間、清水池、送水泵站及相關(guān)配套設(shè)備的工藝流程及進廠、出廠水的各項工藝、電氣等參數(shù)并負(fù)責(zé)打印各種報表、輸出數(shù)據(jù)等。同時由于透明就緒技術(shù)的采用，上位機同時可以提供遠程監(jiān)控各PLC現(xiàn)場分站，實時接收PLC采集的各種數(shù)據(jù)，建立全廠檢測參數(shù)數(shù)據(jù)庫，處理并顯示各種數(shù)據(jù)等功能。
6.5現(xiàn)場監(jiān)控分站
現(xiàn)場監(jiān)控分站由凈水車間監(jiān)控站和送水泵房監(jiān)控站組成。現(xiàn)場監(jiān)控分站采用了施耐德電氣的XBTG系列觸摸屏，既充分體現(xiàn)人交互界面的人性化，同時也保證了嚴(yán)酷情況下設(shè)備的可靠性。
6.6現(xiàn)場設(shè)備控制單元
1 設(shè)計中采用施耐德電氣最新型的Modicon M340作為現(xiàn)場設(shè)備控制單元。M340由電源模塊、通信模塊、數(shù)字量輸入／輸出模塊、模擬量輸入／輸出模塊等構(gòu)成，通過總線方式控制閥門的啟閉，采集閥門及水泵、儀表的運行狀態(tài)和參數(shù)。凈水車間的每格濾池都有一個獨立的M340，每個M340配備觸摸屏作為顯示和操作的界面，對該濾池的工況進行監(jiān)控。同時設(shè)置一個公共的監(jiān)控，對每格濾池的反沖洗泵及閥門等進行管理和控制。主要監(jiān)控設(shè)備：濾池進水閥、出水閥、排水閥、反沖進水閥、反沖洗泵、16個濾池。
主要參數(shù)顯示：每格濾池水位、水頭損失。
控制內(nèi)容：每格濾池運行控制；反沖洗控制。
2 送水泵房PLC控制4套水泵機組和出水閥門的運行，對4臺送水泵的電機的運行進行監(jiān)控，對水泵電機定子溫度、用電量進行監(jiān)測。監(jiān)測送水泵房變電系統(tǒng)及出廠水水質(zhì)、流量、壓力、清水池和吸水井液位等。
3加氯間M340負(fù)責(zé)加氯設(shè)備的自動控制以及漏氯中和裝置和風(fēng)機的運轉(zhuǎn)等，并做相應(yīng)的調(diào)節(jié)，根據(jù)出廠水的余氯含量和流量自動控制加氯量，實現(xiàn)加氯和漏氯報警過程的監(jiān)測及自動控制，操作員亦能人工操作手動控制。
主要監(jiān)控設(shè)備：加氯機，漏氯中和裝置，軸流風(fēng)機。
控制內(nèi)容：控制加氯量，并根據(jù)漏氯報警器的狀態(tài)起動氯中和裝置，定時運行軸流風(fēng)機等。
6.7通訊網(wǎng)絡(luò)
對于一個自動化工程，特別對于中大規(guī)模控制系統(tǒng)來講，選擇網(wǎng)絡(luò)是非常重要的。首先，網(wǎng)絡(luò)必須是開放的，以方便不同設(shè)備的集成及未來系統(tǒng)規(guī)模的擴展；其次，針對不同網(wǎng)絡(luò)層次的傳輸性能要求，選擇網(wǎng)絡(luò)的形式；再次綜合考慮系統(tǒng)成本、設(shè)備兼容性、現(xiàn)場環(huán)境適用性等具體問題，確定不同層次所使用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。
凈水車間、送水泵房、中央控制室之間采用100M工業(yè)以太網(wǎng)連接，傳輸介質(zhì)為光纖。PLC與濾池、加氯間，以及PLC與被控設(shè)備之間采用工業(yè)網(wǎng)連接，傳輸介質(zhì)為屏蔽銅芯電纜。
6.8軟件設(shè)置
采用Unitypro和Vijeo Citect對整個水廠自動化控制系統(tǒng)的管理和維護進行組態(tài)，上位機的軟件實現(xiàn)以下功能：動態(tài)流程畫面顯示：動態(tài)顯示全廠工藝流程圖和各工藝單元流程圖。
動態(tài)數(shù)據(jù)顯示：動態(tài)顯示各種模擬信號、開關(guān)信號、各類累計量信號的數(shù)值和范圍清單。
趨勢曲線：顯示各主要工藝參數(shù)變化曲線，各種模擬量的歷史曲線、即時曲線圖。報表打印：即時報表、日報表、月報表、年報表。
控制調(diào)節(jié)功能：在動態(tài)流程圖和細部詳圖上能進行各種被控工藝參數(shù)設(shè)定值的調(diào)整。
報警功能：故障發(fā)生時中控室及相應(yīng)PLC發(fā)出聲響報警，控制軟件自動彈出相應(yīng)故障點詳圖，顯示故障現(xiàn)象，并提示參考解決方案。
數(shù)據(jù)庫管理功能：能建立生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫、操作信息庫、故障信息庫。
數(shù)據(jù)處理功能：能利用實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)、計算主要生產(chǎn)指標(biāo)。并進行配水電耗和單位配水電耗的成本分析和計算。
在線修改：能在線修改程序。
7 性能分析
7.1系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和壽命周期
本系統(tǒng)組件的設(shè)計符合真正的工業(yè)等級，滿足國內(nèi)、國際的安全標(biāo)準(zhǔn)。并且易配置、易接線、易維護、隔離性好，結(jié)構(gòu)堅固，抗腐蝕，能適應(yīng)較寬的溫度變化范圍。系統(tǒng)具備良好的電磁兼容性，能夠承受工業(yè)環(huán)境的嚴(yán)格要求，平均壽命大于15年。
7.2系統(tǒng)的先進性與經(jīng)濟性
本控制系統(tǒng)有一套完整的自我診斷功能，可以在系統(tǒng)運行中自動診斷出任何一個部件出現(xiàn)的故障，并且在監(jiān)控軟件中及時、準(zhǔn)確地反映出故障狀態(tài)、故障時間、故障地點以及相關(guān)信息。在系統(tǒng)發(fā)生故障后，PLC的狀態(tài)能夠返回到系統(tǒng)根據(jù)工藝要求預(yù)先設(shè)置的狀態(tài)上。系統(tǒng)運行后可以方便、快捷、準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的運行，大大節(jié)約了人力資源，提高了生產(chǎn)效率。
7.3擴展性和兼容性
本系統(tǒng)采用目前比較先進的主流產(chǎn)品，具有很強的兼容性。為了保證在今后的擴建和改造時滿足控制要求，在設(shè)計時充分考慮了系統(tǒng)的擴展能力，在滿足現(xiàn)有功能要求的基礎(chǔ)上，保留有PLC的系統(tǒng)冗余。
8 結(jié)論
隨著該自動化系統(tǒng)的建成，水廠生產(chǎn)自動化將形成以生產(chǎn)過程的信息采集、信息集成和信息傳遞為主，并與企業(yè)的生產(chǎn)工藝調(diào)度、生產(chǎn)水質(zhì)監(jiān)控、自動投加藥等技術(shù)密切結(jié)合的生產(chǎn)自控信息網(wǎng)絡(luò)。促使水廠在生產(chǎn)、營銷和辦公等方面廣泛利用計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，全方位優(yōu)化企業(yè)，形成規(guī)范的、現(xiàn)代的信息化管理系統(tǒng)。從而降低生產(chǎn)成本和費用，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益和行業(yè)競爭力。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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