SCADA系統在水處理中的應用

1 引言

廣東省恩平市水處理廠是廣東省恩平重點工程項目,它的勝利竣工通水使恩平市人民喝上了放心優質的自來水，出廠水達到了歐共體標準。通過建立一套完整的SCADA系統,整個水處理廠的自動控制系統、并綜合考慮與無線電調度系統、公司企業內部網絡的銜接,建立自控系統、調度系統、企業內部網（Intranet）系統三位一體的綜合管理與控制系統。實現了整個水處理生產過程的自動控制,通過無線電調度系統在城市管網壓力的檢測，可以實現城市管網調度，同時將水處理廠的生產運行數據和管線監測數據實時送回公司內部網絡。在公司內部網上任何一個終端在授權情況下能監視水處理廠的運行和城市管網壓力情況。通過該系統的使用,動態掌握水處理廠和城市管網壓力的運行情況,做到心中有數、合理調度、降低了生產成本、提高生產效率、提高了公司的生產管理水平。
　　
2 SCADA系統構成

2.1 系統總體結構

如圖1所示, 恩平水處理廠SCADA系統由水處理廠的自動控制系統, 城市管網測壓點,供水集團公司辦公大樓內部網構成。以太網用于系統的管理層, ControlNet網和無線通訊用于各PLC控制器及計算機操作站之間的控制層通訊。管理層與控制層通過基于客戶/服務器HMI組態軟件RSView32活動顯示系統（Active Display System,ADS）服務器實現信息交互。ControlNet網采用屏蔽同軸電纜進行通訊,具有連接方便、通訊距離遠的特點,是PLC通訊廣泛應用穩定的工業網絡。無線通訊采用具有SCADA功能的DF1主從通訊協議,PLC通過其標準RS232與數傳電臺實現無線通訊,通訊速率可達960Obps。

2.2 水處理廠自控系統組成

根據水處理廠設備分類和控制要求水處理廠自控系統包括:取水泵站PLC1、加藥站PLC2、濾池站PLC3（包括公共反沖洗）、送水泵站PLC4和中心控制室組成。水處理廠自控系統由管理層、控制管理層、現場控制層三層組成,控制系統結構采用集散型控制系統。以便于實:” 集中管理、分散控制” 的三級控制。指揮權集中,控制權分散,注重功能分散,以求控制靈活,提高整個系統的可靠性。PLC1用于監控取水泵房取水泵運行和操作的，包括檢測泵運行溫度、電量參數，以及原水的pH、濁度、溫度等水質參數。PLC2加藥站用于監控加礬計量泵、石灰泵以及加氯機的運行和操作的，包括檢測加藥混合后水質的SCD、pH、余氯，通過反饋，PLC PID調節設備的加藥量實現自動控制。這樣使水能達到更好的沉淀和殺毒消菌的效果，并且保證水的pH。這是制水廠最關鍵的控制環節。PLC3是控制濾池自動恒水位過濾、自動公共反沖洗的。PLC4是監控送水泵房送水泵運行和操作的。包括檢測泵運行溫度、電量參數，以及出廠水的pH、濁度、余氯、壓力、流量等參數。保證城市供水量和水質。水處理廠的PLC通過屏蔽同軸電纜在全廠組成一個ControlNet網，水處理廠中心控制室配置兩臺HMI操作站, 互為熱備，是由兩臺各裝有一塊1784KTCX15卡的電腦運行RSView32系統做成了人機界面，監測和控制整個制水廠的生產和運行情況以及監測城市管網的壓力情況。配置打印機打印報警、生產報表和曲線等。

2.3 城市管網測壓點組成

在SCADA系統中,用于城市管網壓力監測的PLC5-PLC12采用最為經濟可靠的微型可編程控制器MicroLogix 1000，采集監測點的參數數據并作為SCADA系統的DF1從站。

2.4 公司監視站的組成

公司監視站包括供水集團公司大樓內部網絡和裝有1784PCIC卡的SCADA系統的服務器電腦。由于制水中心控制室和供水集團公司大樓相距較遠,采用了同軸電纜組成的ControlNet網相連，裝有1784PCIC卡服務器電腦安裝了RSView32及RSView32 ADS為監控組態軟件,用于監視制水廠和城市管網的壓力實時數據，也實現了公司內部網絡與控制網絡的通訊。從而,通過ControlNet網、無線電調度系統、公司內部網絡將水處理自控系統、城市管網調度系統和公司內部網絡聯成了一體化網絡。在經理室和有關職能部門配置監視終端,作為系統的客戶機和公司網絡上的其他任何終端一樣只需安裝ADS工作站或者Web Browser,在授權的情況下均可以監視制水廠和城市管網壓力的運行情況。系統具有Internet/Intranet接口,可方便實現在任何地點、任何時候通過撥號上網的方式監視生產運行情況,即遠程監視。

2.5 系統軟件的組成

系統軟件是整個系統的核心,直接關系到整個系統的成敗。系統軟件主要包括操作系統、監控軟件平臺等。制水廠中控室操作站采用Windows NT操作系統和RSView32人機監控組態軟件。供水集團公司大樓ADS服務器電腦安裝Windows 2000 Server作為內部網上的獨立服務器，運行RSView32人機監控組態軟件和RSView32 ADS Server。RSView32是羅克韋爾自動化軟件公司采用開放的技術,以MFC（微軟基礎級）、DCOM（分布元件對象）組件技術為基礎的人機監控軟件,是第一個在圖形顯示中利用ActiveX、VBA、OPC的HMI產品,提供了監視、控制和數據采集等全部功能,是一個使用方便、可擴展性強、監控性能高的監控組態軟件。RSView32 ADS將RSView32 HMI軟件擴展為客戶/服務器結構。ADS服務器不僅可以在現場,而且可以通過國際互聯網在世界任何地方接入。客戶端可以采用ADS Station軟件或Internet Explorer作為監控軟件平臺。系統安全策略利用Windows 2000和RSView32提供的雙重安全功能,Windows 2000在內部網絡系統層負責管理操作人員或系統管理員的登錄,而RSView32通過設置不同的安全級別在應用層對各用戶的操作權限進行控制,從而保證系統的正常操作,防止越權操作。
　　
3 SCADA系統協議

ControlNet網是A-B公司新推出的全新的工業控制網絡，是一個開放的高速確定性網絡，他可用于傳輸對時間有苛刻要求的信息，通信速率可達到5Mbps。提供實時的控制和對等的通信服務。采用生產者/客戶方式，將傳統的網絡針對不同站點需多次發送該為一次發送多點共享，減少了網絡發送次數，從而使網絡實時、有效。用RSNETworx軟件完成ControlNet的網絡組態。由于歷史的原因我們采用的是SLC5/03 PLC，所以要上ControlNet網每個PLC機架上加了1747-SCNR通信模塊，在送水泵站PLC4上另外還加了塊1747-KFC15通信模塊，以滿足1784KTCX15和1784PCIC卡與PLC cpu的通信，關于詳細的配置我將在另一篇文章中介紹。

A-B公司的SLC5/03、SLC5/04和MicroLogix 1000可編程控制器具有內置的多功能標準RS232接口通道0,該接口的系統方式支持DFl通訊協議。DF1協議是A-B公司PLC系統廣泛支持的通訊,包括各系列PLC及裝有RSLinx通訊軟件的計算機均支持DF1協議,通過該協議可以構成基于PLC的調度系統。恩平城市管網調度系統采用點對多點半雙工通訊模式,PLC4作為主站采用DFl半雙工主通訊方式,其他PLC5- PLC12控制器作為從站采用DFl半雙工從通訊方式,主站PLC采用對各站輪詢方式實現數據交換。
　　
4 SCADA系統功能與特點

4.1 集中管理、分散控制

在制水廠中心控制室能集中對全系統各種設備和生產運行數據進行監視和控制。能實現三級控制。即:就地手動控制,分站PLC控制,中控室集中控制。在控制室具有自動控制和遠程手動控制（遙控）兩種方式。

（1）就地手動控制:就是能在就地通過控制箱或柜上的按鈕或控制器對設備進行手動控制。

（2）分站PLC控制:就是各分站PLC執行自己的控制程序,處理該站現場I/O信號。在與中心控制室脫機或通訊出現故障時各分站能獨立利用自己的PLC進行控制及PLC之間的通訊。

（3）中控室集中控制:就是在中心控制室能對全廠生產過程和城市管網壓力進行監測控制和數據處理,對所控設備進行自動或遙控控制。在自動控制方式下能對制水廠的相關設備進行聯動控制,如開泵過程為先開泵后開閥,停泵過程為先關閥后停泵。若吸水井水位高于泵軸,直接開泵;若吸水井水位低于泵軸,開泵之前先抽真空,真空形成后,停真空泵,開泵（泵閥聯動）；通過閉環反饋PID對進行自動投加處理；以及濾池的PID恒水位自動過濾，自動進行反沖洗等…在遙控方式下能對各控制設備進行獨立控制。

4.2 通訊能力強

水處理整個PLC組成一個ControlNet網絡。無線電通訊速率可達960Obps。DF1輪詢時間可以根據實際需要在監控畫面上設定,以達到數據的實時有效。公司采用10OM以態網,保證了整個系統可以快速穩定和可靠的運行。

4.3 系統可擴展性和開放性強

該系統采用的硬件和軟件都是符合國際標準,世界流行應用廣泛的產品,例如:監控系統是基于微軟公司的WindowsNT、2000或9X平臺,支持各種規范的協議如OPC、ODBC、ActiveX、DDE等。為過程控制系統與管理信息系統交互信息,實現管理控制一體化提供了接口基礎。

4.4 豐富的畫面顯示功能

計算機操作站顯示的畫面有管網監控圖、制水廠各個分站的動態模擬圖、高壓配電圖、設備操作畫面、趨勢圖、報警畫面等。操作人員通過調用這些畫面可以全面的掌握整個系統的運行情況,并且很方便地對設備進行操作。

4.5 報警和保護處理功能

系統記錄設備和軟件報警發生時的有關信息,如故障標簽名稱、報警信息、故障報警時間等,并可以對報警信息進行管理。系統還提供了對重要設備的保護功能,如過載、超溫及三相電流不平衡等保護。

4.6 報表功能

本系統輸出報表有生產日志、生產日報表、月報表、季度報表、年報表與管網壓力報表等。

4.7 遠程監視功能

采用基于客戶/服務器HMI組態軟件RSView32 ADS,實現對整個系統的遠程監視。操作人員可在中心控制室對生產過程進行監控,公司領導在辦公室甚至出差在外也可以監視查詢制水廠及城市管網壓力的運行情況,及時掌握生產情況以便更快作出決策和調度,提高生產效率。
　　

5 綜合使用效果與實際存在問題

恩平水處理廠自2001年11月調試完畢，正式投如使用以來，系統運行比較穩定，自動化控制效果良好。通過整個SCADA系統在水處理廠良好運行，做到了心中有數、合理調度、降低了生產成本、提高生產效率、提高了公司的生產管理水平。

但是由于特定的原因我們采用的是SLC5/03 PLC，而沒有選用A-B的ControlLogix5000系列 PLC,雖然每個機架上加了1747-SCNR通信模塊組成了一個ControlNet網，但是電腦上的1784KTCX15和1784PCIC卡是沒有辦法直接和SLC5/03 PLC CPU通信的。為了解決這個問題我們在送水泵站PLC4上另外還加了塊1747-KFC15通信模塊，這樣送水泵站SLC5/03 PLC CPU通過RS232串口可以先和1747-KFC15通信，電腦上的1784KTCX15和1784PCIC卡通過ControlNet網和1747-KFC15進行通信，從而解決了1784KTCX15和1784PCIC卡與SLC5/03 PLC CPU的通信的問題，由于只有一塊1747-KFC15通信模塊，對于其他的取水、加藥和濾池站的SLC5/03 PLC，我們通過ControlNet網，先把要處理的PLC地址傳送到各自的1747-SCNR通信模塊M地址中，然后把取水、加藥和濾池站1747-SCNR的M數據傳到送水泵站1747-SCNR上，這樣再把所有的送水泵站1747-SCNR上的傳送來的M地址送到送水泵站SLC5/03 PLC CPU上，從而實現了對整個水處理廠的各個分站的監控。雖然問題是解決了，也存在不足之處，SLC5/03 PLC CPU通過RS232串口和1747-KFC15通信的速率最大只能設到19200bps,這樣電腦上的1784KTCX15和1784PCIC卡與SLC5/03 PLC CPU最多也只能是19200bps，而ControlNet網是一個開放的高速確定性網絡，通信速率可達到5Mbps。這樣，ControlNet網的高速、實時、有效難以體現出來了。
　　
以下給出一些控制畫面圖：

　　


　　
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