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SCADA系统在水处理中的应用 |
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作者：广东顺德科力给排水工程发展公司 刘国宏 |
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广东省恩平市水处理厂使用的SCADA系统以罗克韦尔自动化公司的A-B SLC 500及MicroLogix 1000为可编程控制器，以ControlNet网、DFl无线电通讯方式和以态网为通讯网络，以RSView32及RSView32 ADS为监控组态软件，实现了水处理厂的自动监控和供水管网压力的检测以及整个水厂的管理调度。
广东省恩平市水处理厂是广东省恩平重点工程项目，它的胜利竣工使恩平市民喝上了优质的自来水，出厂水达到了欧共体标准。通过建立一套完整的SCADA系统，并综合考虑与无线电调度系统、公司企业内部网络的衔接而建立的自控系统、调度系统、企业内部网(Intranet)系统三位一体的综合管理与控制系统，实现了整个水处理生产过程的自动控制。通过无线电调度系统在城市管网压力的检测，可以实现城市管网调度，同时将水处理厂的生产运行数据和管线监测数据实时送回公司内部网络。在公司内部网上任何一个终端在授权情况下可监视水处理厂的运行和城市管网压力情况。通过该系统的使用，动态掌握水处理厂和城市管网压力的运行情况，做到心中有数、合理调度、降低了生产成本、提高了生产效率、提高了公司的生产管理水平。
SCADA系统构成
1 系统总体结构
如图1所示， 恩平水处理厂SCADA系统由水处理厂的自动控制系统、 城市管网测压点、供水集团公司办公大楼内部网构成。以太网用于系统的管理层， ControlNet网和无线通讯用于各PLC控制器及计算机操作站之间的控制层通讯。管理层与控制层通过基于客户/服务器HMI组态软件RSView32活动显示系统(Active Display System，ADS)服务器实现信息交互。ControlNet网采用屏蔽同轴电缆进行通讯，具有连接方便、通讯距离远的特点，是PLC通讯广泛应用的、稳定的工业网络。无线通讯采用具有SCADA功能的DF1主从通讯协议，PLC通过其标准RS232与数传电台实现无线通讯，通讯速率可达960Obps。
2.水处理厂自控系统组成
制水厂布置图
根据水处理厂设备分类和控制要求，水处理厂自控系统包括：取水泵站PLC1、加药站PLC2、滤池站PLC3（包括公共反冲洗）、送水泵站PLC4和中心控制室组成。水处理厂自控系统由管理层、控制管理层、现场控制层三层组成，控制系统结构采用集散型控制系统，以便于实现“集中管理，分散控制"的三级控制。指挥权集中、控制权分散、注重功能分散，以求控制灵活，提高整个系统的可靠性。PLC1用于监控取水泵房取水泵运行和操作的，包括检测泵运行温度、电量参数，以及原水的pH、浊度、温度等水质参数。PLC2加药站用于监控加矾计量泵、石灰泵以及加氯机的运行和操作的，包括检测加药混合后水质的SCD、pH、余氯，通过反馈，PLC PID调节设备的加药量实现自动控制。这样使水能达到更好的沉淀和杀毒消菌的效果，并且保证水的pH。这是制水厂最关键的控制环节。PLC3是控制滤池自动恒水位过滤、自动公共反冲洗的。PLC4是监控送水泵房送水泵运行和操作的。包括检测泵运行温度、电量参数，以及出厂水的pH、浊度、余氯、压力、流量等参数，保证城市供水量和水质。水处理厂的PLC通过屏蔽同轴电缆在全厂组成一个ControlNet网。
水处理厂中心控制室配置两台HMI操作站， 互为热备，是由两台各装有一块1784KTCX15卡的电脑运行RSView32系统做成了人机界面，监测和控制整个制水厂的生产和运行情况以及监测城市管网的压力情况。配置打印机打印报警、生产报表和曲线等。
3 城市管网测压点组成
在SCADA系统中，用于城市管网压力监测的PLC5-PLC12采用最为经济可靠的微型可编程控制器MicroLogix 1000，采集监测点的参数数据并作为SCADA系统的DF1从站。
4 公司监视站的组成
公司监视站包括供水集团公司大楼内部网络和装有1784PCIC卡的SCADA系统的服务器电脑。由于制水中心控制室和供水集团公司大楼相距较远，采用了同轴电缆组成的 ControlNet网相连，装有1784PCIC卡，服务器电脑安装了RSView32及RSView32 ADS为监控组态软件，用于监视制水厂和城市管网的压力实时数据，也实现了公司内部网络与控制网络的通讯。从而，通过ControlNet网、无线电调度系统、公司内部网络将水处理自控系统、城市管网调度系统和公司内部网络联成了一体化网络。在经理室等有关职能部门配置了监视终端，作为系统的客户机和公司网络上的其他任何终端一样只需安装ADS工作站或者Web Browser，在授权的情况下均可以监视制水厂和城市管网压力的运行情况。系统具有Internet/Intranet接口，可方便实现在任何地点、任何时候通过拨号上网的方式监视生产运行情况，即远程监视。
5 系统软件的组成
系统软件是整个系统的核心，直接关系到整个系统的成败。系统软件主要包括操作系统、监控软件平台等。制水厂中控室操作站采用Windows NT操作系统和RSView32人机监控组态软件。供水集团公司大楼ADS服务器电脑安装Windows 2000 Server作为内部网上的独立服务器，运行RSView32人机监控组态软件和RSView32 ADS Server。RSView32是罗克韦尔自动化软件公司采用开放的技术，以MFC(微软基础级)、DCOM(分布元件对象)组件技术为基础的人机监控软件，这个在图形显示中利用ActiveX、VBA、OPC的HMI产品，提供了监视、控制和数据采集等全部功能，是一个使用方便、可扩展性强、监控性能高的监控组态软件。RSView32 ADS将RSView32 HMI软件扩展为客户/服务器结构。ADS服务器不仅可以在现场，而且可以通过国际互联网在世界任何地方接入。客户端可以采用ADS Station软件或Internet Explorer作为监控软件平台。系统安全策略利用Windows 2000和RSView32提供的双重安全功能，Windows 2000在内部网络系统层负责管理操作人员或系统管理员的登录，而RSView32通过设置不同的安全级别在应用层对各用户的操作权限进行控制，从而保证系统的正常操作，防止越权操作。
SCADA系统协议
ControlNet网是罗克韦尔自动化公司新推出的全新的工业控制网络，是一个开放的高速确定性网络，他可用于传输对时间有苛刻要求的信息，通信速率可达到5Mbps，提供实时的控制和对等的通信服务。采用生产者/客户方式，将传统的网络针对不同站点需多次发送更改为一次发送多点共享，减少了网络发送次数，从而使网络实时、有效。用RSNETworx软件完成ControlNet的网络组态。由于历史的原因我们采用的是SLC5/03 PLC，所以要上ControlNet网每个PLC机架上增加了1747-SCNR通信模块，在送水泵站PLC4上另外还增加了1747-KFC15通信模块，以满足1784KTCX15和1784PCIC卡与PLC cpu的通信。
罗克韦尔自动化公司的A-B SLC5/03、SLC5/04和MicroLogix 1000可编程控制器具有内置的多功能标准RS232接口通道，该接口的系统方式支持DFl通讯协议。DF1协议是A-B公司PLC系统广泛支持的通讯，各系列PLC及装有RSLinx通讯软件的计算机均支持DF1协议，通过该协议可以构成基于PLC的调度系统。恩平城市管网调度系统采用点对多点半双工通讯模式，PLC4作为主站采用DFl半双工主通讯方式，其他PLC5- PLC12控制器作为从站采用DFl半双工从通讯方式，主站PLC采用对各站轮询方式实现数据交换。
SCADA系统功能与特点
1 集中管理、分散控制
在制水厂中心控制室能集中对全系统各种设备和生产运行数据进行监视和控制。能实现三级控制。即：就地手动控制，分站PLC控制，中控室集中控制。在控制室具有自动控制和远程手动控制(遥控)两种方式。
（1） 就地手动控制：就地通过控制箱或柜上的按钮或控制器对设备进行手动控制。
（2） 分站PLC控制：各分站的PLC执行自己的控制程序，处理该站现场I/O信号。在与中心控制室脱机或通讯出现故障时各分站能独立利用自己的PLC进行控制及PLC之间的通讯。
（3） 中控室集中控制：就是在中心控制室对全厂生产过程和城市管网压力进行监测控制和数据处理，对所控设备进行自动或遥控控制。在自动控制方式下能对制水厂的相关设备进行联动控制，如开泵过程为先开泵后开阀，停泵过程为先关阀后停泵。若吸水井水位高于泵轴，直接开泵;若吸水井水位低于泵轴，开泵之前先抽真空，真空形成后，停真空泵，开泵(泵阀联动)；通过闭环反馈PID对进行自动投加处理；以及滤池的PID恒水位自动过滤，自动进行反冲洗等，在遥控方式下能对各控制设备进行独立控制。
2 通讯能力强
制水厂工艺流程监视图
水处理的整个PLC组成一个ControlNet网络。无线电通讯速率可达960Obps。DF1轮询时间可以根据实际需要在监控画面上设定，以达到数据的实时有效。公司采用10OM以太网，保证了整个系统可以快速稳定和可靠地运行。
3 系统可扩展性和开放性强
该系统采用的硬件和软件都是符合国际标准、世界范围内应用广泛的产品，例如：监控系统是基于微软公司的WindowsNT、2000或9X平台，支持各种规范的协议如OPC、ODBC、ActiveX、DDE等。为过程控制系统与管理信息系统交互信息实现管理控制一体化提供了接口基础。
4 丰富的画面显示功能
计算机操作站显示的画面有管网监控图、制水厂各个分站的动态模拟图、高压配电图、设备操作画面、趋势图、报警画面等。操作人员通过调用这些画面可以全面的掌握整个系统的运行情况，并且很方便地对设备进行操作。
5 报警和保护处理功能
系统记录设备和软件报警发生时的有关信息，如故障标签名称、报警信息、故障报警时间等，并可以对报警信息进行管理。系统还提供了对重要设备的保护功能，如过载、超温及三相电流不平衡等保护。
6 报表功能
本系统输出报表有生产日志、生产日报表、月报表、季度报表、年报表与管网压力报表等。
7 远程监视功能
基于客户/服务器HMI组态软件RSView32 ADS，可实现对整个系统的远程监视。操作人员可在中心控制室对生产过程进行监控，公司领导甚至出差在外也可以监视和查询制水厂及城市管网压力的运行情况，及时掌握生产情况，以便更快作出决策和调度，提高生产效率。
使用效果与实际存在问题
恩平水处理厂自2001年11月调试完毕，正式投入使用以来，系统运行比较稳定，自动化控制效果良好。
但是由于特定的原因我们采用的是SLC5/03 PLC，而没有选用A-B的ControlLogix5000系列 PLC，虽然每个机架上增加了1747-SCNR通信模块组成了一个ControlNet网，但是电脑上的1784KTCX15和1784PCIC卡是没有办法直接和SLC5/03 PLC CPU通信的。为了解决这个问题我们在送水泵站PLC4上另外还加了增块1747-KFC15通信模块，这样送水泵站SLC5/03 PLC CPU通过RS232串口可以先和1747-KFC15通信，电脑上的1784KTCX15和1784PCIC卡通过ControlNet网和1747-KFC15进行通信，从而解决了1784KTCX15和1784PCIC卡与SLC5/03 PLC CPU的通信的问题，由于只有一块1747-KFC15通信模块，对于其他的取水、加药和滤池站的SLC5/03 PLC，我们通过ControlNet网，先把要处理的PLC地址传送到各自的1747-SCNR通信模块M地址中，然后把取水、加药和滤池站1747-SCNR的M数据传到送水泵站1747-SCNR上，这样再把所有的送水泵站1747-SCNR上的传送来的M地址送到送水泵站SLC5/03 PLC CPU上，从而实现了对整个水处理厂的各个分站的监控。虽然问题是解决了，也存在不足之处，SLC5/03 PLC CPU通过RS232串口和1747-KFC15通信的速率最大只能设到19200bps，这样电脑上的1784KTCX15和1784PCIC卡与SLC5/03 PLC CPU最多也只能是19200bps，而ControlNet网是一个开放的高速确定性网络，通信速率可达到5Mbps。这样，ControlNet网的高速、实时和有效性难以体现出来。(end)
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(3/21/2005) |
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