关键词：自动控制;PLC;以太网;监控组态;升级改造
Abstract：This article introduced the Shenyang development zone water purification plants of the actual works，from the cost savings，rational use of the 2nd existing industrial Ethernet， and monitoring software based on the configuration of the water plant automation control system of composition and design of the structure， analysis and design with the hardware， communications networks，software design and other aspects of the system。
Key words：Automatic Control; PLC; Ethernet;monitoring configuration; upgrading
1 引言
沈阳开发区水厂座落在沈阳开发区产业集群区，一期于2001年5月建成投产，分为主厂区和深水井区。主厂区占地面积近2万平方米，设计规模为6万米3/日，主要靠人为手动控制，没有上自动控制系统。二期坐落主厂区于2007年12月建成投产，随着自动化控制技术高度发展和网络技术的日益成熟，新一代的水厂控制系统必然会取代以往的比较简单的控制方式，以方便进行大规模集中控制。以下是针对沈阳开发区水厂的一期PLC自动化控制系统的设计要求及设计方案。
2 工艺流程及设计要求
2.1 控制要求
根据工艺流程及构筑物的地理分布，自动化控制系统主要完成加氯间、净水车间和送水泵房的管理和工艺流程的自动控制。系统采用“集中监测, 分散控制”的方式, 由厂级中央监控工作站、现场分散控制站和生产现场设备组成全厂工业控制系统。
自动检测的主要工艺参数有：进水浊度、PH值、电导率，进水流量、压力，反冲洗水泵阀门开启位置、运行状态，滤池出水浊度，滤池单池水头损失（差压），清水池液位等，水厂总出水流量、压力、浊度、PH值、余氯等。
检测的电气参数有：配电系统的电压、电流、有功/有功电度、无功/无功电度等。
2.2 通讯网络要求
通讯系统分管理级和控制级，管理级选用100M工业以太网，通讯介质为光纤。控制级选用工业网，通过专用屏蔽电缆进行通讯。
2.3 硬件要求
系统采用PLC+PC的方式进行控制。PLC完成具体的控制和监测，PC机利用组态软件实现监控、报警、统计和报表打印等功能。
2.4 软件要求
全厂生产管理层和生产过程监控层采用组态软件编制出便于管理和监控的软件界面，生产现场设备层采用PLC的梯形图程序设计出符合生产工艺环节的过程控制软件。
3 设计任务分析
从水厂生产实际情况和在自控系统中的作用来看，水厂自控系统由生产现场设备层、生产过程监控层和全厂生产管理层三个层次组成。
图1 水厂自控系统组成
生产现场设备层包括加氯间、净水车间和送水泵房的微型PLC和相关电机和仪表设备。
生产过程监控层由PLC控制系统及其控制网络，它主要实现对生产现场设备层受控对象的控制、状态监视、数据采集、故障报警处理等功能，是自控系统的核心部分，包含有净水车间PLC1分站和送水泵房PLC2分站。
全厂生产管理层包括中心控制室、厂长室，主要负责全厂生产过程状态的监视和掌握以及故障报警、生产数据分析和报表生成等，必要时可以参与远程控制。
4 系统设计
4.1 设计原则
遵循先进性、实用性、可靠性、经济性、开放性的原则，满足供水工程生产管理和水处理工艺对自动化控制的要求。实现“集中监控和管理、分散控制、数据共享”，以保证整个水厂的运行协调、一致。
4.2 系统配置图
图2水厂自控系统配置
4.3 硬件配置
上位机选用研华P4工控机，打印机为HP1320黑白激光打印机，投影仪为日立3180型，PLC主站选用GE Fanuc 90-30系列,从站选用GE VermaxE05，触摸屏用台湾WEINVIEW MT510TV。
5 具体设计
5.1 中央监控系统
由4#、5#、6#三台上位机、一台打印机、一台投影仪组成，带有操作显示终端。由于二期工程已有一台打印机、两台工控机和一台投影仪，只需一台工控机。
该控制室为整个系统的中心控制室，负责全厂各工况的集中控制、监视和管理，通过以太网和现场控制操作站进行信息交换，具有多种画面功能，便于集中监视管理。4#上位机主要监控二期的净水车间、清水池、送水泵站及相关配套设备的工艺流程及进厂、出厂水的各项工艺、电气等参数，并负责打印各种报表、输出数据等。与公司调度管理系统预留通讯接口，可对与水厂供水范围内的管网系统中的各类设备状态、工艺过程参数进行实时检测与监控。通过厂内实时通信网与各现场站通讯，提供给操作人员、管理人员良好的进行运行管理的人机界面，并且在此可完成实时和定时的记录报表打印。6#上位机主要监控一期的净水车间、清水池、送水泵站及相关配套设备的工艺流程及进厂、出厂水的各项工艺、电气等参数，并负责打印各种报表、输出数据等，5#上位机作为热备。当主站由于故障不能通讯时，备站立即接管所有功能;当主站恢复正常时，首先要将故障期间系统需存储的历史趋势数据、报警记录等从备站补回，然后再将所有控制功能自动切换到主站，由主站继续控制整个系统，备站重新回到热备状态，并连续地以主站为数据源同步更新所有数据。
中央监控计算机选择运行速度快、性能稳定的计算机，监控软件选择组态灵活、功能强大、界面人性化且在给排水行业内获得了成功运用的软件包。
中央监控系统主要功能:
远程监控各PLC现场子站，实时接收PLC采集的各种数据，建立全厂检测参数数据库;处理并显示各种数据。
监测全厂工艺流程和各细部的动态模拟图形。
从检测项目中，按需要显示历史记录和趋势分析曲线。
重要设备主要参数的工况及事故报警、打印制表。
编制和打印生产日、月、年统计报表。
在投影屏上实时显示工艺流程及各种设备的工作状态、报警。
对各种数据实时存储。
5.2 现场监控系统
由净水车间监控站和送水泵房监控站组成。
净水车间监控站：负责管理PLC1分站。设在净水间控制室，主要由1#、2#两台上位机、一台打印机组成，带有操作显示终端，1#上位机主要实现净水车间的电控设备、工艺流程中的自动控制和主要参数的自动检测、监视等，并负责打印各种报表、输出数据等。2#上位机主要负责净水车间各项电控设备及工艺流程主要参数的自动检测、监视等。两台上位机互为热备。
送水泵房监控站：负责管理PLC2分站。设在送水泵房控制室，由3#上位机、一台打印机组成，带有操作显示终端，对工艺、水质、电气主要参数和状态进行自动检测和监视，对水泵、阀门进行操作控制和监视，根据出水压力参与水泵的变频调速控制等。
5.3 现场设备控制单元
是最贴近被控现场的控制设备。设计中采用微型PLC作为现场设备控制单元，通过工业现场总线接口与现场控制站进行数据交换。微型PLC由电源模块、通讯模块、数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块等构成，通过总线方式控制阀门的启闭，采集阀门及水泵、仪表的运行状态和参数。
⑴ 净水车间的滤池微型PLC控制系统负责检测滤池的液位和水头损失，并对每个滤池的电动阀门进行控制。同时设置一个公共的PLC1，对每格滤池工作所需的反冲洗泵及阀门等进行反冲洗的管理和控制，并向滤池发出反冲洗指令。每格滤池都有一个独立的微型PLC，对该格滤池的工况进行监控。每个微型PLC配备触摸屏作为显示和操作的界面，显示滤池的工作情况和在必要时进行就地操作。
⑵ PLC1分站负责采集反冲洗水泵等设备的运行状态和出口压力，并做相应的调节，实现过滤及反冲洗过程的监测及自动控制，操作员亦能人工操作手动控制。
① 实现的控制功能：
主要功能：每格滤池反冲洗周期，每格滤池水位监测、水头损失监测、反冲洗泵出口压力。
主要监控设备：滤池进水阀、出水阀、排水阀、反冲进水阀、反冲洗泵、12个滤池。
② 主要工况的监测：
每格滤池的工况：运行启动、停用、请求冲洗、冲洗、故障。
每格滤池4个阀门的工况：全开位、全关位、出水阀位、故障。
主要参数显示：每个滤池水位、水头损失。
③ 控制内容：
每格滤池运行控制：滤池在过滤过程中，PLC根据滤池液位，调节滤池出水阀的开度，保证池内液位在过滤过程中保持恒定。
反冲洗控制：
滤池PLC在控制滤池进行过程的同时，还在判断滤池是否需要冲洗，滤池冲洗的条件有三个：
① 过滤周期：操作人员根据工艺上提出的要求，在PLC上设定滤池的最大过滤时间，在滤池开始过滤时，滤池PLC开始计时，并将实际的过滤时间与设定值进行比较，若两值相等，滤池PLC向公共PLC发出冲洗请求。
② 水头损失值：在PLC设定滤池的最大水头损失值，当滤池过滤时，水头损失传感器连续测定该格滤池的水头损失值，PLC将其与设定值进行比较，若该值大于设定值，那么滤池PLC向公共PLC发出冲洗请求。
③ 强制方式：由操作人员根据现场需要，在滤池PLC上进行功能键操作，强制滤池PLC向公共PLC发出冲洗请求。
⑶ PLC2通过控制5套水泵机组和出水阀门的操作，对5台送水泵的电机的运行进行监控，对水泵电机定子温度、用电量进行监测，根据水厂要求的水量，绘制水泵并联运行时的特性曲线，监测送水泵房变电系统及出厂水水质、流量、压力、清水池和吸水井液位等。该站负责监控送水泵房变配电站系统及送水泵房内设备。
⑷ 加氯间微型PLC负责加氯设备的自动控制以及漏氯中和装置和风机的运转等，并做相应的调节，根据出厂水的余氯含量和流量自动控制加氯量，实现加氯和漏氯报警过程的监测及自动控制，操作员亦能人工操作手动控制。
主要监控设备：加氯机，漏氯中和装置，轴流风机。
控制内容：采集余氯分析仪数据，控制加氯量，并根据漏氯报警器的状态启动氯中和装置，定时运行轴流风机等。
5.4 通讯网络
对于一个自动化工程，特别是对于中大规模控制系统来讲，选择网络非常重要的。首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展;其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式;再次综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。根据本厂已有的工业以太网一期工程改造采用：
净水车间、送水泵房、中心控制室之间采用100M工业以太网连接，传输介质为光纤。PLC1与滤池、加氯间，以及PLC2与被控设备之间采用普通工业网连接，传输介质为屏蔽铜芯电缆。
5.5 软件设计
采用强大功能的组态软件进行整个水厂自动化控制系统的管理和维护，上位机的软件实现以下功能：
动态流程画面显示：动态显示全厂工艺流程图和各工艺单元流程图，并能在流程图上选择弹出多级细部详图。
动态数据显示：各种模拟信号、开关信号、各类累计量信号的数值和范围清单，通过滑标、按钮、开关、信号灯、颜色、百分比、填充等手段实时生动地表示出来。
趋势曲线：显示各主要工艺参数变化曲线，各种模拟量的历史曲线、即时曲线图，并能在一幅图形上对比显示多种参数。
报表打印：即时报表、日报表、月报表、年报表。
控制调节功能：在动态流程图和细部详图上能进行各种被控工艺参数设定值的调整，并能进行手动、自动切换及各设备的工况控制。
报警功能：故障发生时中控室及相应PLC发出声响报警，控制软件自动弹出相应故障点详图，显示故障现象，并提示参考解决方案，中控室有语言提示，同时打印报警和故障记录文件。
安全功能：按不同操作级别分级加密。并记录操作人员工号和所有操作信息。
数据库管理功能：能建立生产数据库、操作信息库、故障信息库。
数据处理功能：能利用实时数据和历史数据、计算主要生产指标。并进行配水电耗和单位配水电耗的成本分析和计算。
在线修改：能在线修改程序。
为了方便工程师调试与二期选用相同的组态软件Cimplicity6.0。
6 性能分析
6.1 系统的可靠性、稳定性和寿命周期
本系统组件的设计符合真正的工业等级，满足国内、国际的安全标准。并且易配置、易接线、易维护、隔离性好，结构坚固，抗腐蚀，能适应较宽的温度变化范围。系统具备良好的电磁兼容性，能够承受工业环境的严格要求，平均寿命大于15年。
6.2 系统的先进性与经济性
本控制系统有一套完整的自我诊断功能，可以在系统运行中自动诊断出任何一个部件出现的故障，并且在监控软件中及时、准确地反映出故障状态、故障时间、故障地点以及相关信息。在系统发生故障后，I/O的状态能够返回到系统根据工艺要求预先设置的状态上。
系统运行后可以方便、快捷、准确地控制生产各环节的运行，大大节约了人力资源，提高了生产效率。
6.3 扩展性和兼容性
本系统采用目前比较先进的主流产品，具有很强的兼容性。为了保证在今后的扩建和改造时满足控制要求，在设计时充分考虑了系统的扩展能力，在满足现有功能要求的基础上，保留有20%的系统冗余。
7 结束语
随着该自动化系统的建成，水厂生产自动化将形成以生产过程的信息采集、信息集成和信息传递为主，并与企业的生产工艺调度、生产水质监控、自动投加药等技术密切结合的生产自控信息网络。促使水厂在生产、营销和办公等方面广泛利用计算机和网络技术，全方位优化企业，形成规范的、现代的信息化管理系统。从而降低生产成本和费用，提高企业的经济效益和行业竞争力。
参考文献：
[1] GE 90-30 plc使用手册。
[2] GE cimplicity软件入门。
[3] 路林吉、王坚、江龙康.可编程控制器原理及应用[M] ,北京:清华大学出版社,2002年
[4] 王卫星编著.可编程控制器原理及应用[M] ,北京:中国水利水电出版社，2002年
作者简介：张凤众，男，1974年生，沈阳建筑大学信息与控制工程学院，硕士，讲师，主要研究智能控制系统。
