基于現(xiàn)場總線的水廠水處理控制系統(tǒng)

　　概述
　　自來水廠水生產(chǎn)系統(tǒng)是一個多變量（如流量、溫度、壓力等）多任務(wù)（如水的輸送、投藥/加氯控制、格柵與排泥控制、濾池控制、出水泵起/?？刂?、壓力控制、數(shù)據(jù)管理等）多設(shè)備（如電機、閥門、泵等）并具有時變性、耦合性和隨機性的復(fù)雜非線性系統(tǒng)。圖1表示了凈水生產(chǎn)工藝流程。國內(nèi)現(xiàn)有的自來水廠水生產(chǎn)系統(tǒng)大部分采用落后的常規(guī)儀表和后動操作。近年來，也有采用DCS技術(shù)的計算機控制，取代了常規(guī)儀表和手動操作，在實現(xiàn)水生產(chǎn)的分散自動控制和集中監(jiān)控方面，取得了一定的進展。但基于DCS的系統(tǒng)存在一些重要缺陷，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的DCS系統(tǒng)是自封閉式的集散系統(tǒng)，難以實現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)與外界之間的依靠交互和共享，使 自動化系統(tǒng)成為"信息孤島"；另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場底層傳感器和數(shù)據(jù)采集器之間采用一對一物理連線和模擬信號傳輸導(dǎo)致大范圍布線，給現(xiàn)場施工帶來很大麻煩，同時，信號傳輸?shù)目垢蓴_能力也較差。隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是開放系統(tǒng)互連協(xié)議（OSI）的制定和TCP/IP協(xié)議的廣泛應(yīng)用，工控領(lǐng)域也不斷產(chǎn)生先進的控制模式，逐步形成了以網(wǎng)絡(luò)集成自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)。現(xiàn)場總線（FIELDBUS）就是順應(yīng)這一形勢發(fā)展起來的新技術(shù)。基于現(xiàn)場總線技術(shù)，我們針對某水廠設(shè)計了現(xiàn)場總線水生產(chǎn)系統(tǒng)，它以PROFIBUS現(xiàn)場總線為核心，以智能設(shè)備PLC為控制主體，以IPC-610工控機和PC機為系統(tǒng)編程、組態(tài)、維護、監(jiān)控和管理的一體化工作平臺。較好地解決了傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)中存在的問題，實現(xiàn)了水生產(chǎn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信與計算機控制系統(tǒng)以及工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)的集成。
　　　　　　　　　　　　　　　　
　　現(xiàn)場總線技術(shù)
　　現(xiàn)場總線是20世紀80年代中期在國際上發(fā)展起來的一種先進的控制技術(shù)。目前國際上流行的現(xiàn)場總線主要有過程現(xiàn)場總線PROFIBUS、基金會現(xiàn)場總線FF、LonWorks總線、CAN總線等，世界上許多自動化技術(shù)生產(chǎn)商都推出了支持某種主流現(xiàn)場總線標準的產(chǎn)品。PROFIBUS是由Siemens等80家公司聯(lián)合制定的標準規(guī)范。近年來，PROFIBUS在眾多的現(xiàn)場總線應(yīng)用中占居首位，已廣泛應(yīng)用于加工制造自動化、過程自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域。
　　PROFIBUS是一個多種協(xié)議并存的現(xiàn)場總線技術(shù)，不同協(xié)議的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)透明傳輸，這使得PROFIBUS成為連接過去、現(xiàn)場和未來的一種十分有效的現(xiàn)場總線技術(shù)。所以，在水廠網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計中，PROFIBUS成為當然的選擇。
　　
　　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　現(xiàn)場總線技術(shù)的核心是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)是一個實時網(wǎng)絡(luò)，信息處理要滿足實時性、完整性、一致性和可靠性的要求?；谒a(chǎn)系統(tǒng)的特點，系統(tǒng)采用了企業(yè)局域網(wǎng)（Enterprise LAN）和現(xiàn)場總線的集成化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了從現(xiàn)場測控到水廠內(nèi)部信息管理系統(tǒng)的集成結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了從現(xiàn)場測控到水廠內(nèi)部信息管理系統(tǒng)的集成以及與水廠外部信息交互的集成。
　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　
　　整個系統(tǒng)中的管理工作站、生產(chǎn)調(diào)度工作站、監(jiān)控工程師站、監(jiān)控操作員站和數(shù)據(jù)管理服務(wù)器構(gòu)成系統(tǒng)的生產(chǎn)和調(diào)度、計劃和管理、決策支持信息網(wǎng)絡(luò)層。該層網(wǎng)上傳遞的是管理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較大，但實時性要求不是很高，所以采用以太網(wǎng)。為提高系統(tǒng)可靠性，防止由于通信電纜故障引起的數(shù)據(jù)丟失和失控現(xiàn)象，采用以工業(yè)以太網(wǎng)方式互連，使系統(tǒng)具有冗余功能。通過網(wǎng)絡(luò)能將水廠決策、計劃、管理、經(jīng)營和調(diào)度等所有功能信息進行有效地集成，使水廠各個職能部門和車間成為一個統(tǒng)一的整體。同時通過網(wǎng)絡(luò)也可以訪問水源地的源水信息，實現(xiàn)大范圍的數(shù)據(jù)共享。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中各計算機的主要功能是：生產(chǎn)調(diào)度工作站的功能是實現(xiàn)水廠各車間生產(chǎn)調(diào)度自動化，并自動生成水生產(chǎn)安排業(yè)務(wù)單；管理工作站的作用是對系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的管理，生成水廠管理所必需的各種統(tǒng)計信息報表并打??；數(shù)據(jù)管理服務(wù)器選用大型數(shù)據(jù)庫SQL Server2000來完成對數(shù)據(jù)的管理，數(shù)據(jù)庫提供標準SQL查詢，并通過ODBC或DDE或其它數(shù)據(jù)庫連接；監(jiān)控工程師站的作用是完成對系統(tǒng)工藝參數(shù)的設(shè)定和修改、報警上下限的設(shè)定、設(shè)備的組態(tài)以及系統(tǒng)運行、生產(chǎn)、報警歷史資料的顯示和查詢等功能；監(jiān)控操作員站的作用是完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)存儲與交換及顯示等功能。　
　　現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)層傳遞的是實時數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量少，但實時性強。所以，現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)選用PROFIBUS。
　　主控PLC之間可以通過PROFIBUS-FMS互連，同時也與以太網(wǎng)互連，主控PLC與分控PLC控制單元通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線相連。各分控PLC可以獨立工作。采用PROFIBUS-DP能使分控PLC、變頻器、軟啟動器、各種智能傳感器和外圍I/O設(shè)備等同主控PLC或計算機聯(lián)網(wǎng)。PROFIBUS-FMS用于現(xiàn)場控制單元網(wǎng)絡(luò)的通信任務(wù)。
　　PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要由通信處理器CP（Communication Processor）和網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)組成。通信處理器用于總線網(wǎng)絡(luò)和點到點通信，通RS485接口使系統(tǒng)與其它廠商的總線系統(tǒng)互連，并能使系統(tǒng)中的主要現(xiàn)場設(shè)備，如變頻器、軟啟動器等實現(xiàn)即插即用。另外，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還應(yīng)包括工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)，它由工業(yè)攝像機、鏡頭、云臺、視頻矩陣切換器、工業(yè)監(jiān)視器、室外解碼器和錄像機等硬件設(shè)備配以多媒體軟件組成，完成對水生產(chǎn)工藝過程的重要工位進行監(jiān)視管理。
　　系統(tǒng)功能描述
　　基于PROFIBUS設(shè)計的水處理網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要具有如下功能：
　　１、格柵與排泥控制
　　格柵間有4臺格柵機，由一臺輸入點數(shù)為32、輸出點數(shù)為16的SIEMENS S7-300PLC來控制，控制方式有自動和手動。在自動方式下，系統(tǒng)根據(jù)PLC中設(shè)定的定時值以及格柵前后水位差來自動控制格柵機的動作。吸砂機的工作狀態(tài)也由PLC檢測和控制。沉淀池PLC根據(jù)水濁度高低，設(shè)定吸泥機運行周期時間和運行方式，濁度高時，雙程吸泥，運行時間長；濁度低時，單程吸泥，運行時間短。
　　２、投藥加氯控制
　　　投藥/加氯控制系統(tǒng)的輸入輸出點數(shù)較多，選用一臺輸入點數(shù)為192、輸出點數(shù)為192的SIEMENS S7-400 PLC來控制。
　　投藥間有混凝劑加計量泵8臺，助凝劑投加計量泵8臺。每臺計量泵均用一臺交流變頻調(diào)速器驅(qū)動，兩種投加計量均為6臺工作、2臺備用。6臺計量泵對應(yīng)6組反應(yīng)池，一對一投加混凝劑和助凝劑。投藥控制是水廠水處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它是一個大延時強耦合的非線性系統(tǒng)，在技術(shù)上有一定難度。我們設(shè)計了自學習模糊控制算法，系統(tǒng)根據(jù)PLC采集的原水溫度、濁度、PH值等參數(shù)的大小，經(jīng)自學習模糊控制器調(diào)整后，由PLC控制交流變頻調(diào)速器的工作狀態(tài)改變計量泵的頻率和沖程，以此控制計量泵的頻率和沖程，以此控制計量泵投藥量的大小，控制效果較好。加氯間有7臺真空式V型槽加氯機，其中4臺負責進水管處的前加氯，其余3臺加氯機作為消毒加氯（后加氯）用，消毒加氯采用流量、余氯復(fù)合閉環(huán)控制方式（2臺工作，1臺備用），向2個濾池出水管處加氯消毒。另外，投藥/加氯主控PLC還要擔負投藥間的干粉溶解、加氯間的氯氣瓶切換、漏氣報警和安全控制等任務(wù)。
　
　?。?、濾池控制
　　濾池控制是水廠自動控制系統(tǒng)中最主要的控制環(huán)節(jié)，按其過程可以分為過濾過程控制和反沖過程控制。由于濾池個數(shù)多且每個濾池I/O點數(shù)較少，選用25臺輸入輸出點數(shù)均為16的SIEMENS S7-300 PLC來控制。在過濾過程中，各濾池的PLC能根據(jù)對應(yīng)濾池的水位、阻塞值以及運行時間自動調(diào)節(jié)各凈水閥開啟度并使各濾池水位保持恒定。當阻塞值或濾池運行時間超設(shè)定值時，濾池PLC向反沖洗PLC發(fā)出反沖洗請求，當請求被允許之后，濾池進入反沖洗過程。在反中洗過程中，反沖洗PLC需要控制反沖洗水的流量、反沖洗氣的壓力，并與對應(yīng)濾池PLC配合控制反沖洗時間、漂洗時間以及反沖洗過程中有關(guān)閥門的開啟與關(guān)閉。
　?。础⑺萌嚎刂?
　　制作好的凈水要通過水泵輸入到水管道中。出水泵房共有8臺容量大小不等的水泵。系統(tǒng)用了一臺輸入點數(shù)為48、輸出點數(shù)為16的SIEMENS S7-300 PLC來控制。根據(jù)管網(wǎng)壓力和生產(chǎn)調(diào)度的要求系統(tǒng)能自動完成開泵和關(guān)泵過程。由于在開閥或關(guān)閥時，管網(wǎng)壓力會突然變大或變小，為了避免因此而造成的誤動作，系統(tǒng)設(shè)計時，對開閥或關(guān)閥指令進行記憶，在一定時間內(nèi)系統(tǒng)自動停止開關(guān)閥門，等到管網(wǎng)壓力穩(wěn)定后自動繼續(xù)開關(guān)閥門。同時，系統(tǒng)對閥門、機械、電路等多種故障具有監(jiān)控報警功能。
　?。?、其他功能
　　系統(tǒng)除了具有以上控制功能外，還具有生產(chǎn)計劃與調(diào)度、信息管理與決策支持等管理功能，以及視頻監(jiān)視功能等。
　　結(jié)論與展望
　　基于現(xiàn)場總線的水生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)能有產(chǎn)地進行工作，與傳統(tǒng)的方法相比，其最大的特點是造價低、功能強、結(jié)構(gòu)靈活實用、可靠性高、安裝調(diào)試簡單且開發(fā)和維護費用低，根據(jù)不同的現(xiàn)場情況與用戶要求，系統(tǒng)可以擴展為不同的模式。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實現(xiàn)了現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)、自動控制系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡(luò)的有效無縫集成，從本質(zhì)上完成現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場設(shè)備互連、通信線供電、統(tǒng)一組態(tài)、開放式互連網(wǎng)絡(luò)等功能。
　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將為工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)的全面自動化和遠程控制提供強大的基礎(chǔ)．