1 引言
自来水公司要安全、稳定、可靠地管理好遍布全城的供水管网,保证为居民随时提供高质量的生活用水及为工厂企业可靠地提供生产用水。供水调度SCADA控制系统的主要目的是解决自来水公司对供水各环节的数据采集和监控。随着现代城市建设规模的日益发展,城市供水区域和供水管网规模也随之急剧扩大,迫切需要纳入监控,旧的管理手段已不能适应,必须引入先进的管理方式,利用先进的计算机技术和通信技术,使分布在广阔区域内的各种供水设施相互协调、安全可靠、高效经济地运行,并及时准确地反馈各种信息。这一问题的提出,使得SCADA系统,即监控和数据采集系统,应用于供水行业,具体就是城市供水调度系统——指采用计算机、通信、控制、显示等技术,结合给水工艺、数理统计、现代控制等理论,应用各种设备对城市供水体系进行数据采集及处理,并实施控制、以达到保障供水、优化调度的智能化应用系统。近十多年来水处理SCADA系统建设中形成了几种模式[1],如PC+PLC模式,PC+单片机模式,PC+RTU模式等,本系统采用PC＋PLC的模式组成两级水处理计算机控制系统。
2 自来水厂自动化系统总体方案
在自来水厂的改建过程中,结合集散控制系统思想采用三层通信网络结构[2][3],整个自动控制系统可分为三大部分来规划设计:公司管理中心部分、城市管网测压控制部分、水厂生产现场控制部分,基于SCADA系统自动控制网络结构部分示意图如图1。
2.1 公司管理中心
随着企业越来越走向信息化,公司管理中心在企业的生产和管理中扮演着越来越重要的作用。在实施获取生产现场数据的基础上,公司领导能及时进行生产调度、调整经营决策等一系列举措。
公司管理中心对全场的生产情况进行监视和管理,由于管理中心与水厂现场生产部分传输的数据量大,因而建立局域网(LAN)连接,采用100Mbps以太网。而且这也有利于系统的扩展,当自来水公司还要建立其它分水分厂时,分水厂便可通过局域网与公司管理中心相连,而不影响其它任何部分,需要时管理中心还可以和Internet互联。管理中心硬件可配置如下:两台奔腾Ⅳ主机,一用一备;大屏幕投影仪,能连续播放动态影像,对全厂的工艺及各个子站的生产情况进行放大显示; HP激光打印机、UPS各一台;RTL8139(A)PCI Fast Ethernet Adapter以太网卡一块; TDX-868/C无线数传电台和一根定向天线。
2.2 城市管网控制
城市管网压力监测可及时将城市管网的运行情况反馈到水厂,使水厂能及时调整供水压力和输水量,是保证恒压安全供水的重要组成部分,并能节约用水用电。由于测量点的地理位置的分散性及离水厂较远,通常采用无线传输监测方式。自来水厂可根据送水的具体分布情况设计多个测压点,每个测量点设置为:S7－200型PLC、TDX-868/C无线数传电台和一根定向天线。TDX-868/C输出功率为5W-10W,工作频率在230MHz频率段,信道速率为1200/2400/4800bps,支持三种调制方式:FSK、MSK、GMSK,传数距离范围5Km-25Km ,提供TTL/RS232/RS485用户选择接口,收发频率既可同频也可异频,天线接口为 TNC-50KY,9V-12V直流电源供电。通过压力表测量的压力数据由TDX-868/C通过定向天线直接发送带水厂的公司管理中心进行监视,无线传送速率由管理中心设定。
2.3 自来水厂生产现场控制
水厂生产现场是整个自动控制的核心部分,基于PROFIBUS通信分为三层来设计实现 [4]:中央控制层、中间子站层、现场设备层。
1．中央控制层硬件配置主要如下:2台工控机 ,一台热备冗余,每台工控机主板的扩展槽都配置三块PROFIBUS-FMS 通信网卡和一块RTL8139(A) PCI Fast Ethernet Adapter,用于与公司管理中心通信;一台UPS 电源,一台打印机。监控软件选用组态王 ,支持很多种工业通信网络和总线,PROFIBUS便是其中最明显的一种。PROFIBUS技术为设备层提供了PROFIBUS-DP和-PA技术,为车间层提供了PROFIBUS-FMS技术。PROFIBUS-FMS是车间级现场总线,主要用于车间级设备监控。主要完成车间生产设备状态及生产过程监控、车间级生产管理、车间底层设备及生产信息集成。车间级现场总线具有传输数据量大、应用层信息规范完整等特点,对网络实时性要求不高。PROFIBUS-DP是设备层现场总线, 用于控制器与现场控制设备之间的通信总线。
2．中间子站控制层该层共设三个子工作站:滤池子站、加氯加药及平流沉淀池子站、泵房子站,每个子站均以Siemens 公司的S7－300系列 PLC 作为主机,它是一种中规模的可编程序控制器,具有可靠性高、功能齐全、编程指令丰富、存储容量大、采用模块结构、配置灵活等特点。该层采用的是PROFIBUS-FMS通信协议,每个站都配置了一块CP343-5通信处理模块,该模块提供如下通信服务:PG/OP通信、PROFIBUS－FMS、S7通信、S5兼容通信(发送／接受)。CPU均带集成的MPI接口,具有中到大容量存储器和PROFIBUS－DP主/从接口,可用于大规模的1/0配置和建立分布式I/O结构,需要时可向下扩展PROFIBUS－DP网络。此外,每个站都配置显示操作面板HMI,分别对每个站的重要参数进行显示和控制组态,HMI与PLC间采用MPI通信电缆进行连接。
3．现场设备层。现场设备层主要是各种现场测量仪器、变送器、执行器和传感器,主要包括:变频器、软启动器、液位变送器、压力传感器、温度计、PH仪、浊度分析仪、流量计、水射器、计量泵、SCU仪、PCU仪和余氯分析仪等,按所具有的功能可分为智能型和传统型,对带PROFIBUS接口的智能型现场产品,如远程分布式I/O和变频器,挂接在 PROFIBUS-DP 总线上的现场控制器能方便地在现场控制各种检测器件和驱动设备,而且PROFIBUS-DP总线是面向节点的,加入或撤销节点设备不影响网络的工作,最后由中央控制室来对现场控制器集中监控。
3 SCADA系统拟实现的功能
3.1 中央控制室
水厂中央控制室要求实现对整个水处理工艺流程进行实时动态模拟显示,工作人员能够在操作画面上直观地看到工艺流程,能及时发现异常现象。操作人员可直接从监控系统主画面上看到整个系统的运行状态,及各流程的参数实施显示,并能在中央控制室对现场设备进行控制。
(1) 监视功能 系统以组态王为操作平台,全中文化的图形化操作界面监视整个系统的运行状态,提供现场图片、工艺流程图、实时曲线图、平面布置图,设备操作动画效果图等以形象直观的动态图形方式显示设备的运行情况和生产情况。可根据实际需要提供丰富的图库,绘制平面图或流程图并嵌以动态数据,显示图中各监控点状态,提供修改参数或发出指令的操作指示。可提供多种途径查看设备状态,如通过平面图或流程图,通过下拉式菜单或十个特殊功能键进行常用功能操作,以单击鼠标的方式可逐级细化地查看设备状态及有关参数。系统软件能提供一个多任务的操作环境,使得用户可同时运行多个应用程序,在运行多个实时监控程序的同时可同时运行如Word或Excel软件,也可浏览Internet网页。通过使用工业标准的软件来支持并行访问和系统监控操作。
(2) 控制功能 能在中央站通过对图形的操作即可对现场设备进行控制,如设备的ON/OFF控制;通过选择操作可进行运行方式的设定,如选择现场手动方式或自动运行方式;通过交换式菜单可方便地修改工艺参数。对系统的操作权限有严格的管理,以保障系统的操作安全。对操作人员以通行字的方式进行身份的鉴别和管制。软件能自动对每个用户产生一个登录/关闭时间、系统运行记录报告。5至60分钟用户自定义的自动关闭时间,以防操作员突然离开时的系统安全。
(3) 先进的报警功能 当系统出现故障或现场的设备出现故障及监控的参数越限时,系统均产生报警信号,报警信号始终出现在显示屏最下端,并且设置有报警记录界面供仔细查询。系统设置有声光报警,操作员必须进行确认报警信号才能解除,所有报警多将记录到报警汇总日志表中,供操作人员查看。报警共分4个优先级别,报警可设置实时报警打印,也可按时或随时打印。
(4) 综合管理功能
系统对有研究与分析价值、应长期进行保存的数据,建立历史文件数据库,并形成棒状图、曲线图等显示和查询功能。系统提供一系列汇总报告,作为系统运行状态监视、管理水平评估、运行参数进一步优化及作为设备管理自动化的依据,如设备运行时数据汇总报告,记录每天、每周、每月各种设备的能量消耗及其积算值,为合理使用设备提供依据。
3.2 投药间子站的监控功能
投药间子站的设备全部由PLC2来控制,对投矾加氯过程进行自动控制,包括:电动搅拌器、提升泵、计量泵、加氯机及漏氯回收装置等设备的功能控制,并监控该系统的相关参数。
加矾系统的2套计量泵1用1备,当正在使用的计量泵出现故障,PLC系统会自动切换。根据贮矾池液位的高低,PLC1控制搅拌机定时搅拌,防止药液沉淀影响浓度。每个矾池出矾管线上的三通电动球阀由PLC控制。PLC面板上系统本身显示每个矾池的干运行情况,根据液位PLC系统自动选择,切换矾池。当2个矾池处于干运行时,投药系统停止。在全自动模式下,计量泵通过其两个参数(频率和冲程)来调节投矾量。计量泵的频率由进水的流量来控制,泵的频率随着流量的变化而调整,计量泵的冲程则由SCD值控制,当源水浊度出现变化时,SCD检测到相应电信号后传送到PLC1,PLC1经过PID调节器的运算后向计量泵发出调整冲程命令,此过程中的流量、频率、冲程、SCD的数据通过组态王在上位机上动态的显示出来,便于操作人员监控。
滤前加氯按比例投加,滤后加氯采用流量与余氯信号双因子控制投加。加氯机所需的流量信号由PLC1系统输入,余氯信号由余氯分析仪在线检测。滤前加氯机投加的控制流量取自源水流量与回收流量之和,再减去反应沉淀池排泥用水量。滤后加氯机的控制流量为滤前加氯机的控制流量减去滤池反冲用水量。氯库装有电子秤和自动切换单元,同时装有泄漏报警仪,通过检测泄漏报警信号经PLC系统可自动启动氯气回收装置,并且PLC系统会自动关闭所有加氯系统等待处理。
另外,为使中控室能实现对投矾加氯系统的集中控制,PLC1除对本站设备进行监控外,并把本站投矾加氯运行过程及状态等信息传送到中控室。
3.3 滤池子站的监控功能
12格滤池的设备全部由PLC2来控制。滤池为集中控制,即12个滤格的过滤与反冲洗控制集中到一个PLC2上来实现。V型滤池在全自动模式下运行时,12格滤池的正常过滤及排队反冲洗过程由PLC2根据程序进行自动控制。本子站为使中控室能实现对滤池系统的集中控制,PLC2除对本站设备进行监控外,并将本站十二格滤池的运行状态、每个池的过滤时间和液位、滤后水浊度、两台风机及、水泵的运行状态、反冲洗贮水池的水位、刮泥机的运行状态、反冲洗流等信息传送到中控室。
3.4 清水泵子站的监控功能
清水泵子站由PLC3控制变频电机的频率和污水回收池水泵及出口蝶阀起停、运转,并监视所有高压柜和每台水泵及系统的运行工况和相关的参数。
该站采用变频恒压供水控制系统,出水管网上的出口压力信号送入供水控制器,由控制器根据其控制决策来决定各泵的运行状态。本子站为使中控室能实现对清水泵站的自动控制,PLC3除对本站设备进行监控外,并将监示的所有高压柜和每台水泵及系统的运行工况和相关的参数信息传送到中控室。
4 组态的实现
工业控制组态软件在工业界有着相当广泛的应用,此类软件允许用户在图形界面下对控制系统的各种采样点、过程输出点、设备、生产车间、控制回路、文件报警、生产报表、控制策略、网络设备和生产工艺画面进行定义与组态。
本系统中选用组态王软件在屏幕上建立可视化图形、操作平台、数据表格等,将微型计算机变成控制系统的综合工作站。上位机通过无线通讯或现场总线从下位机的PLC中采集数据,实时地反映整个系统(本地站,无线电远程站)的状态,把整个水厂的配电、工艺设备的运行状态参数和水压、流量、余氯工艺参数采集到中央数据仓库中,进行集中的处理,辅助实时调度决策,把动态监控的命令和数据下达到控制的设备,进而支持优化调度,合理地调配利用水资源;调配清水泵站的流量与压力;分配不同区域的供水量;保证用户对水量、水压、水质的要求;保证供水系统安全可靠运行;最大限度地降低供水成本。
组态王把每一台与之通讯的设备看作是外部设备,为实现组态王和外部设备的通讯,组态王内置了大量设备的驱动作为组态王和外部设备的通讯接口,在开发过程中只需根据工程浏览器提供的“设备配置向导”,一步步完成连接过程即可实现组态王和相应外部设备驱动的连接。在运行期间,组态王就可通过驱动接口和外部设备交换数据,包括采集数据和发送数据/指令。每一个驱动都是一个 COM对象,这种方式使驱动和组态王构成一个完整的系统,既保证了运行系统的高效率,也使系统有很强的扩展性。
组态王要与各PLC子站间通过PROFIBUS－FMS进行总线数据传递,必须组态好变量标签与待传送过程数据存储地址的对应关系。各PLC子站首先必须完成现场总线配置,为各自所使用的各子站的CPU编上地址,并给各模块分配地址范围,然后必须为现场设备传送到PLC信号模块的每一个信号分配好PLC地址和对应的I/O暂存地址,PLC的所有编程操作均以I/O暂存地址为基础,如直接对I/O口操作,或者把对I/O口操作后取得的中间数据存储在其它的中间寄存器中。而模块的I/O地址分配在PLC子站中是由PLC的编程控制软件为STEP7通过硬件组态来完成的。STEP7 v5.0作为57—300的编程控制软件,必须完成项目创建、网络通信数据组态、硬件及模板参数组态和可编程模板程序的编制等任务。
所建立的项目与组态王中间层各PLC 子站之间的通信时通过变量标签来进行数据传递的,变量标签时刻设地址的变量,对应内部或外部过程数据。为与外部设备进行通信,首先必须组态用于该设备的通道,即在外部设备和亚控组态王间生成的逻辑接口的驱动器,从而通过数据管理器在外部设备和组态王间建立一个在线运行口。
在完成硬件及模板参数组态后,便可根据输入/输出量及地址表进行可编程模板程序的编制,所有的硬件组态数据及程序通过工程管理工具下的“PLC”菜单下载到相应的PLC中,并就网络的连通状况进行测试,测试通过后便说明所有的变量标签—地址对应没有差错。
根据水处理过程对监控系统的实际需要,开发相应的监控画面如流程体画面、报警画面、流量和液位趋势图画面、PID调节画面、退出和登录画面、变频控制参数画面、投矾量和监控数据显示画面等。
5 结束语
自来水厂根据水厂水处理工艺要求和的水厂的建设布局情况,采用PC+PLC构建SCADA系统。SCADA系统解决了管理中心与工艺环节的PLC、仪表进行通讯,快速采集实时数据;对实测数据及状态进行直观逼真的展示(如动画、报表、趋势等),进行多种报警及预警检测,并采用多种方式实现报警通知。对已发生的故障实现直观的事故追忆;可存储的大量历史数据,实现专业的优化计算与分析;提供多种开放性接口,便于其它第三方系统调用数据,进行相关分析;在Internet网络或局域网中将实时、历史、报警等数据以集成的方式进行发布,使用户可在IE中实现浏览。整个SCADA系统在水厂的应用对于供调度中心及有关部门在分析和决策时提供依据,提高工作效率,保证供水质量,满足日益增长的用水量的需求。
参考文献:
[1] 吕金波.净配水厂计算机监控系统模式探讨[C].中国电工技术学会水工业电工专委会第一届第二次年会暨技术交流会论文集。2000:127～133.
[2] 孟明群.水厂集散控制系统[J].上海水务,2000,4(2):18～20.
[3] 李伟,朱晓荣;田湾核电站BOP淡水厂SCADA系统[J];控制工程;2004(3):264～266.
[4] 杨超.浅析计算工业控制“四遥”系统及在自来水行业中的应用[C].中国电工技术学会水工业电工专委会第一届第二次年会暨技术交流会《论文集》。2000:139～146.
作者简介:雷红玲(1975-),女,讲师,研究方向:信息与自动控制。