基于現場總線的水廠水處理控制系統
概述
自來水廠水生產系統是一個多變量（如流量、溫度、壓力等）多任務（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/停控制、壓力控制、數據管理等）多設備（如電機、閥門、泵等）并具有時變性、耦合性和隨機性的復雜非線性系統。圖1表示了凈水生產工藝流程。國內現有的自來水廠水生產系統大部分采用落后的常規儀表和后動操作。近年來，也有采用DCS技術的計算機控制，取代了常規儀表和手動操作，在實現水生產的分散自動控制和集中監控方面，取得了一定的進展。但基于DCS的系統存在一些重要缺陷，一方面傳統的DCS系統是自封閉式的集散系統，難以實現設備之間以及系統與外界之間的依靠交互和共享，使 自動化系統成為"信息孤島"；另一方面傳統DCS系統的現場底層傳感器和數據采集器之間采用一對一物理連線和模擬信號傳輸導致大范圍布線，給現場施工帶來很大麻煩，同時，信號傳輸的抗干擾能力也較差。隨著計算機技術、通信技術和控制技術的迅猛發展，特別是開放系統互連協議（OSI）的制定和TCP/IP協議的廣泛應用，工控領域也不斷產生先進的控制模式，逐步形成了以網絡集成自動化系統為基礎的企業信息系統。現場總線（FIELDBUS）就是順應這一形勢發展起來的新技術。基于現場總線技術，我們針對某水廠設計了現場總線水生產系統，它以PROFIBUS現場總線為核心，以智能設備PLC為控制主體，以IPC-610工控機和PC機為系統編程、組態、維護、監控和管理的一體化工作平臺。較好地解決了傳統DCS系統中存在的問題，實現了水生產現場網絡通信與計算機控制系統以及工業電視監視系統的集成。
現場總線技術
現場總線是20世紀80年代中期在國際上發展起來的一種先進的控制技術。目前國際上流行的現場總線主要有過程現場總線PROFIBUS、基金會現場總線FF、LonWorks總線、CAN總線等，世界上許多自動化技術生產商都推出了支持某種主流現場總線標準的產品。PROFIBUS是由Siemens等80家公司聯合制定的標準規范。近年來，PROFIBUS在眾多的現場總線應用中占居首位，已廣泛應用于加工制造自動化、過程自動化、樓宇自動化等領域。
PROFIBUS是一個多種協議并存的現場總線技術，不同協議的數據在系統內透明傳輸，這使得PROFIBUS成為連接過去、現場和未來的一種十分有效的現場總線技術。所以，在水廠網絡控制系統設計中，PROFIBUS成為當然的選擇。
系統網絡結構設計
現場總線技術的核心是網絡技術。控制系統的計算機網絡是一個實時網絡，信息處理要滿足實時性、完整性、一致性和可靠性的要求。基于水生產系統的特點，系統采用了企業局域網（Enterprise LAN）和現場總線的集成化結構，實現了從現場測控到水廠內部信息管理系統的集成結構，實現了從現場測控到水廠內部信息管理系統的集成以及與水廠外部信息交互的集成。
整個系統中的管理工作站、生產調度工作站、監控工程師站、監控操作員站和數據管理服務器構成系統的生產和調度、計劃和管理、決策支持信息網絡層。該層網上傳遞的是管理數據，數據量較大，但實時性要求不是很高，所以采用以太網。為提高系統可靠性，防止由于通信電纜故障引起的數據丟失和失控現象，采用以工業以太網方式互連，使系統具有冗余功能。通過網絡能將水廠決策、計劃、管理、經營和調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一的整體。同時通過網絡也可以訪問水源地的源水信息，實現大范圍的數據共享。系統網絡中各計算機的主要功能是：生產調度工作站的功能是實現水廠各車間生產調度自動化，并自動生成水生產安排業務單；管理工作站的作用是對系統實時數據和歷史數據的管理，生成水廠管理所必需的各種統計信息報表并打印；數據管理服務器選用大型數據庫SQL Server2000來完成對數據的管理，數據庫提供標準SQL查詢，并通過ODBC或DDE或其它數據庫連接；監控工程師站的作用是完成對系統工藝參數的設定和修改、報警上下限的設定、設備的組態以及系統運行、生產、報警歷史資料的顯示和查詢等功能；監控操作員站的作用是完成系統的數據采集與處理、數據存儲與交換及顯示等功能。
現場控制網絡層傳遞的是實時數據，數據量少，但實時性強。所以，現場控制網絡選用PROFIBUS。
主控PLC之間可以通過PROFIBUS-FMS互連，同時也與以太網互連，主控PLC與分控PLC控制單元通過PROFIBUS-DP現場總線相連。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設備等同主控PLC或計算機聯網。PROFIBUS-FMS用于現場控制單元網絡的通信任務。
PROFIBUS網絡設備主要由通信處理器CP（Communication Processor）和網絡介質組成。通信處理器用于總線網絡和點到點通信，通RS485接口使系統與其它廠商的總線系統互連，并能使系統中的主要現場設備，如變頻器、軟啟動器等實現即插即用。另外，該網絡結構還應包括工業電視監視系統，它由工業攝像機、鏡頭、云臺、視頻矩陣切換器、工業監視器、室外解碼器和錄像機等硬件設備配以多媒體軟件組成，完成對水生產工藝過程的重要工位進行監視管理。
系統功能描述
基于PROFIBUS設計的水處理網絡控制系統主要具有如下功能：
１、格柵與排泥控制
格柵間有4臺格柵機，由一臺輸入點數為32、輸出點數為16的SIEMENS S7-300PLC來控制，控制方式有自動和手動。在自動方式下，系統根據PLC中設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。吸砂機的工作狀態也由PLC檢測和控制。沉淀池PLC根據水濁度高低，設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/加氯控制系統的輸入輸出點數較多，選用一臺輸入點數為192、輸出點數為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速器驅動，兩種投加計量均為6臺工作、2臺備用。6臺計量泵對應6組反應池，一對一投加混凝劑和助凝劑。投藥控制是水廠水處理的關鍵環節，它是一個大延時強耦合的非線性系統，在技術上有一定難度。我們設計了自學習模糊控制算法，系統根據PLC采集的原水溫度、濁度、PH值等參數的大小，經自學習模糊控制器調整后，由PLC控制交流變頻調速器的工作狀態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、余氯復合閉環控制方式（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。
３、濾池控制
濾池控制是水廠自動控制系統中最主要的控制環節，按其過程可以分為過濾過程控制和反沖過程控制。由于濾池個數多且每個濾池I/O點數較少，選用25臺輸入輸出點數均為16的SIEMENS S7-300 PLC來控制。在過濾過程中，各濾池的PLC能根據對應濾池的水位、阻塞值以及運行時間自動調節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定值時，濾池PLC向反沖洗PLC發出反沖洗請求，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閥門的開啟與關閉。
４、水泵群控制
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。系統用了一臺輸入點數為48、輸出點數為16的SIEMENS S7-300 PLC來控制。根據管網壓力和生產調度的要求系統能自動完成開泵和關泵過程。由于在開閥或關閥時，管網壓力會突然變大或變小，為了避免因此而造成的誤動作，系統設計時，對開閥或關閥指令進行記憶，在一定時間內系統自動停止開關閥門，等到管網壓力穩定后自動繼續開關閥門。同時，系統對閥門、機械、電路等多種故障具有監控報警功能。
５、其他功能
系統除了具有以上控制功能外，還具有生產計劃與調度、信息管理與決策支持等管理功能，以及視頻監視功能等。
結論與展望
基于現場總線的水生產網絡控制系統能有產地進行工作，與傳統的方法相比，其最大的特點是造價低、功能強、結構靈活實用、可靠性高、安裝調試簡單且開發和維護費用低，根據不同的現場情況與用戶要求，系統可以擴展為不同的模式。現場總線控制系統實現了現場通信網絡、自動控制系統和計算機網絡的有效無縫集成，從本質上完成現場通信網絡、現場設備互連、通信線供電、統一組態、開放式互連網絡等功能。
現場總線控制系統將為工業企業生產的全面自動化和遠程控制提供強大的基礎。
自來水廠水生產系統是一個多變量（如流量、溫度、壓力等）多任務（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/停控制、壓力控制、數據管理等）多設備（如電機、閥門、泵等）并具有時變性、耦合性和隨機性的復雜非線性系統。圖1表示了凈水生產工藝流程。國內現有的自來水廠水生產系統大部分采用落后的常規儀表和后動操作。近年來，也有采用DCS技術的計算機控制，取代了常規儀表和手動操作，在實現水生產的分散自動控制和集中監控方面，取得了一定的進展。但基于DCS的系統存在一些重要缺陷，一方面傳統的DCS系統是自封閉式的集散系統，難以實現設備之間以及系統與外界之間的依靠交互和共享，使 自動化系統成為"信息孤島"；另一方面傳統DCS系統的現場底層傳感器和數據采集器之間采用一對一物理連線和模擬信號傳輸導致大范圍布線，給現場施工帶來很大麻煩，同時，信號傳輸的抗干擾能力也較差。隨著計算機技術、通信技術和控制技術的迅猛發展，特別是開放系統互連協議（OSI）的制定和TCP/IP協議的廣泛應用，工控領域也不斷產生先進的控制模式，逐步形成了以網絡集成自動化系統為基礎的企業信息系統。現場總線（FIELDBUS）就是順應這一形勢發展起來的新技術。基于現場總線技術，我們針對某水廠設計了現場總線水生產系統，它以PROFIBUS現場總線為核心，以智能設備PLC為控制主體，以IPC-610工控機和PC機為系統編程、組態、維護、監控和管理的一體化工作平臺。較好地解決了傳統DCS系統中存在的問題，實現了水生產現場網絡通信與計算機控制系統以及工業電視監視系統的集成。
現場總線技術
現場總線是20世紀80年代中期在國際上發展起來的一種先進的控制技術。目前國際上流行的現場總線主要有過程現場總線PROFIBUS、基金會現場總線FF、LonWorks總線、CAN總線等，世界上許多自動化技術生產商都推出了支持某種主流現場總線標準的產品。PROFIBUS是由Siemens等80家公司聯合制定的標準規范。近年來，PROFIBUS在眾多的現場總線應用中占居首位，已廣泛應用于加工制造自動化、過程自動化、樓宇自動化等領域。
PROFIBUS是一個多種協議并存的現場總線技術，不同協議的數據在系統內透明傳輸，這使得PROFIBUS成為連接過去、現場和未來的一種十分有效的現場總線技術。所以，在水廠網絡控制系統設計中，PROFIBUS成為當然的選擇。
系統網絡結構設計
現場總線技術的核心是網絡技術。控制系統的計算機網絡是一個實時網絡，信息處理要滿足實時性、完整性、一致性和可靠性的要求。基于水生產系統的特點，系統采用了企業局域網（Enterprise LAN）和現場總線的集成化結構，實現了從現場測控到水廠內部信息管理系統的集成結構，實現了從現場測控到水廠內部信息管理系統的集成以及與水廠外部信息交互的集成。
整個系統中的管理工作站、生產調度工作站、監控工程師站、監控操作員站和數據管理服務器構成系統的生產和調度、計劃和管理、決策支持信息網絡層。該層網上傳遞的是管理數據，數據量較大，但實時性要求不是很高，所以采用以太網。為提高系統可靠性，防止由于通信電纜故障引起的數據丟失和失控現象，采用以工業以太網方式互連，使系統具有冗余功能。通過網絡能將水廠決策、計劃、管理、經營和調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一的整體。同時通過網絡也可以訪問水源地的源水信息，實現大范圍的數據共享。系統網絡中各計算機的主要功能是：生產調度工作站的功能是實現水廠各車間生產調度自動化，并自動生成水生產安排業務單；管理工作站的作用是對系統實時數據和歷史數據的管理，生成水廠管理所必需的各種統計信息報表并打印；數據管理服務器選用大型數據庫SQL Server2000來完成對數據的管理，數據庫提供標準SQL查詢，并通過ODBC或DDE或其它數據庫連接；監控工程師站的作用是完成對系統工藝參數的設定和修改、報警上下限的設定、設備的組態以及系統運行、生產、報警歷史資料的顯示和查詢等功能；監控操作員站的作用是完成系統的數據采集與處理、數據存儲與交換及顯示等功能。
現場控制網絡層傳遞的是實時數據，數據量少，但實時性強。所以，現場控制網絡選用PROFIBUS。
主控PLC之間可以通過PROFIBUS-FMS互連，同時也與以太網互連，主控PLC與分控PLC控制單元通過PROFIBUS-DP現場總線相連。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設備等同主控PLC或計算機聯網。PROFIBUS-FMS用于現場控制單元網絡的通信任務。
PROFIBUS網絡設備主要由通信處理器CP（Communication Processor）和網絡介質組成。通信處理器用于總線網絡和點到點通信，通RS485接口使系統與其它廠商的總線系統互連，并能使系統中的主要現場設備，如變頻器、軟啟動器等實現即插即用。另外，該網絡結構還應包括工業電視監視系統，它由工業攝像機、鏡頭、云臺、視頻矩陣切換器、工業監視器、室外解碼器和錄像機等硬件設備配以多媒體軟件組成，完成對水生產工藝過程的重要工位進行監視管理。
系統功能描述
基于PROFIBUS設計的水處理網絡控制系統主要具有如下功能：
１、格柵與排泥控制
格柵間有4臺格柵機，由一臺輸入點數為32、輸出點數為16的SIEMENS S7-300PLC來控制，控制方式有自動和手動。在自動方式下，系統根據PLC中設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。吸砂機的工作狀態也由PLC檢測和控制。沉淀池PLC根據水濁度高低，設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/加氯控制系統的輸入輸出點數較多，選用一臺輸入點數為192、輸出點數為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速器驅動，兩種投加計量均為6臺工作、2臺備用。6臺計量泵對應6組反應池，一對一投加混凝劑和助凝劑。投藥控制是水廠水處理的關鍵環節，它是一個大延時強耦合的非線性系統，在技術上有一定難度。我們設計了自學習模糊控制算法，系統根據PLC采集的原水溫度、濁度、PH值等參數的大小，經自學習模糊控制器調整后，由PLC控制交流變頻調速器的工作狀態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、余氯復合閉環控制方式（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。
３、濾池控制
濾池控制是水廠自動控制系統中最主要的控制環節，按其過程可以分為過濾過程控制和反沖過程控制。由于濾池個數多且每個濾池I/O點數較少，選用25臺輸入輸出點數均為16的SIEMENS S7-300 PLC來控制。在過濾過程中，各濾池的PLC能根據對應濾池的水位、阻塞值以及運行時間自動調節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定值時，濾池PLC向反沖洗PLC發出反沖洗請求，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閥門的開啟與關閉。
４、水泵群控制
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。系統用了一臺輸入點數為48、輸出點數為16的SIEMENS S7-300 PLC來控制。根據管網壓力和生產調度的要求系統能自動完成開泵和關泵過程。由于在開閥或關閥時，管網壓力會突然變大或變小，為了避免因此而造成的誤動作，系統設計時，對開閥或關閥指令進行記憶，在一定時間內系統自動停止開關閥門，等到管網壓力穩定后自動繼續開關閥門。同時，系統對閥門、機械、電路等多種故障具有監控報警功能。
５、其他功能
系統除了具有以上控制功能外，還具有生產計劃與調度、信息管理與決策支持等管理功能，以及視頻監視功能等。
結論與展望
基于現場總線的水生產網絡控制系統能有產地進行工作，與傳統的方法相比，其最大的特點是造價低、功能強、結構靈活實用、可靠性高、安裝調試簡單且開發和維護費用低，根據不同的現場情況與用戶要求，系統可以擴展為不同的模式。現場總線控制系統實現了現場通信網絡、自動控制系統和計算機網絡的有效無縫集成，從本質上完成現場通信網絡、現場設備互連、通信線供電、統一組態、開放式互連網絡等功能。
現場總線控制系統將為工業企業生產的全面自動化和遠程控制提供強大的基礎。
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