1、施耐德透明就緒網(wǎng)絡(luò)在佛山北江水廠中的應(yīng)用張衛(wèi)東（佛山市水業(yè)集團(tuán)有限公司 佛山市德訊水務(wù)信息技術(shù)有限公司，廣東 佛山528000）摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC控制技術(shù)得以不斷擴(kuò)展和完善，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了邏輯控制和順序控制的范疇，具備了模擬控制、過(guò)程控制以及遠(yuǎn)程通信等功能。PLC支持多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線，易于組成工程控制網(wǎng)。佛山北江水廠自控系統(tǒng)實(shí)施中采用了施耐德電氣公司的高端PLCQuantum，采用符合Ethernet/ IP標(biāo)準(zhǔn)的100Mb / s全雙工交換式光纖自愈工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)方式，大大提高工程的生產(chǎn)率。關(guān)鍵詞：PLC 工業(yè)以太網(wǎng) 透明就緒 1 前言隨著電子技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,

2、我國(guó)自來(lái)水行業(yè)的自動(dòng)化應(yīng)用有了飛速的發(fā)展,目前國(guó)內(nèi)主流的水廠一般都采用基于高端PLC的集散型控制系統(tǒng)。Quantum作為施耐德電氣最高端PLC系列提供了一個(gè)規(guī)模可變的模塊化結(jié)構(gòu)的，能夠非常容易地實(shí)現(xiàn)從單一機(jī)架到工廠級(jí)體系機(jī)構(gòu)配置，滿足最高性能品質(zhì)應(yīng)用的要求。透明工廠技術(shù)提供的集成Web服務(wù)器功能使Quantum能通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)Web瀏覽器為數(shù)據(jù)庫(kù)信息，過(guò)程圖標(biāo)，過(guò)程診斷等提供儲(chǔ)存與服務(wù)功能。在水廠采用基于透明就緒技術(shù)的施耐德高端PLC產(chǎn)品在保證了工程質(zhì)量的情況下還提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和易維護(hù)性。在項(xiàng)目中取得了良好的效果。2項(xiàng)目簡(jiǎn)介佛山北江水廠項(xiàng)目,建成后日處理能力為110萬(wàn)立方米, 首期規(guī)模為

3、30萬(wàn)立方米/日，北江水廠首期工程將于今年12月底建成通水，它將有效解決三水區(qū)中北部區(qū)域日益突出的供水供、需矛盾，促進(jìn)三水區(qū)中北部區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展，滿足居民生活水平提高的需求。今后，北江水廠將在三水二橋與西江水廠串通，形成雙水源供水，互為備用，確保佛山市飲用水安全。3 透明就緒透明就緒通過(guò)采用通用的通訊協(xié)議，TCP/IP,Modbus,Web為自動(dòng)化的解決方案提供了新的自由度，從1998年首次推出以來(lái)已經(jīng)有超過(guò)30萬(wàn)套的自動(dòng)化設(shè)備采用了透明就緒方案透明就緒采用三層的結(jié)構(gòu)方式。首先在廠區(qū)范圍內(nèi)布置一套以太網(wǎng),用于車間子站與中心監(jiān)控室及其他子站的通訊。在水廠采用以太網(wǎng)結(jié)構(gòu),不僅能緊跟世界科

4、技發(fā)展的潮流,而且有很好的性價(jià)比,更重要的是與水司的辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)、調(diào)度網(wǎng)絡(luò)等均能很好地結(jié)合。以太網(wǎng)的介質(zhì)建議采用光纖,因?yàn)槠淇垢蓴_性強(qiáng),通訊距離長(zhǎng),升級(jí)方便。其次以車間為單位設(shè)立子站,配置PLC連接底層I/O,監(jiān)控子站范圍內(nèi)儀表、設(shè)備的運(yùn)行及生產(chǎn)過(guò)程,并負(fù)責(zé)與廠級(jí)上位機(jī)的通訊,還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)觀察其他子站的情況。第三層也就是子站的底層, I/O采用基于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線方式的智能I/O系統(tǒng)，通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)將前端I/O單元分散到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備和儀表附近,這樣不但大大削減了現(xiàn)場(chǎng)到I/O之間一一對(duì)應(yīng)的信號(hào)電纜,節(jié)約了自控系統(tǒng)的安裝費(fèi)用,將信號(hào)受干擾的可能性降至最低,還使用戶以后的維護(hù)、擴(kuò)展十分方便。4工

5、藝流程及設(shè)計(jì)要求4.1工藝流程水廠主廠區(qū)內(nèi)主要工藝構(gòu)筑物有：曝氣池、加氯間、普通快濾池、清水池、二級(jí)泵站等。由原水泵打來(lái)的原水首先進(jìn)入曝氣池溶氧，目的是去除水中二氧化碳，提高水中PH值，保證水中錳離子的氧化反應(yīng)速度。待加氯消毒后進(jìn)入快濾池進(jìn)行過(guò)濾，以去除原水中的鐵、錳離子和懸浮雜質(zhì)，然后經(jīng)過(guò)后加氯排入清水池，由送水泵房送入城市輸水管網(wǎng)。濾池要定時(shí)進(jìn)行反沖洗，以除去濾料表面的雜質(zhì)。控制要求根據(jù)工藝流程及構(gòu)筑物的地理分布，自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要完成加氯間、凈水車間和送水泵房的管理和工藝流程的自動(dòng)控制。系統(tǒng)采用“集中監(jiān)測(cè)，分散控制”的方式，由廠級(jí)中央監(jiān)控工作站、現(xiàn)場(chǎng)分散控制站和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組成全廠工業(yè)控

6、制統(tǒng)。自動(dòng)檢測(cè)的主要工藝參數(shù)有：進(jìn)水濁度、HP值、電導(dǎo)率，進(jìn)水流量、壓力，反沖洗水泵閥門開(kāi)啟位置、運(yùn)行狀態(tài)，濾池出水濁度，濾池單池水頭損失（差壓），清水池液位等，水廠總出水流量、壓力、濁度、PH值、余氯等。檢測(cè)的電氣參數(shù)有：配電系統(tǒng)的電壓、電流、有功有功電能、無(wú)功無(wú)功電能等。通信網(wǎng)絡(luò)要求通信系統(tǒng)分管理級(jí)和控制級(jí)，管理級(jí)選用100M工業(yè)以太網(wǎng)，通信介質(zhì)為光纖。控制級(jí)選用工業(yè)網(wǎng)，通過(guò)專用屏蔽電纜進(jìn)行通信。硬件要求系統(tǒng)采用PLC+PC的方式進(jìn)行控制。PLC完成具體的控制和監(jiān)測(cè)，PC機(jī)利用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、報(bào)警、統(tǒng)計(jì)和報(bào)表打印等功能。 軟件要求全廠生產(chǎn)管理層和生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控層采用施耐德電氣的 Vejio

7、 Citect 編制出便于管理和監(jiān)控的軟件界面，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層采用Unitypro程序設(shè)計(jì)出符合生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)的過(guò)程控制軟件。5 設(shè)計(jì)任務(wù)分析從水廠生產(chǎn)實(shí)際情況和在自控系統(tǒng)中的作用來(lái)看，水廠自控系統(tǒng)由生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控層和全廠生產(chǎn)管理層三個(gè)層次組成生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層包括加氯間、凈水車間和送水泵房的微型PLC和相關(guān)電機(jī)和儀表設(shè)備。生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控層由PLC控制系統(tǒng)及其控制網(wǎng)絡(luò)組成，它主要完成過(guò)程控制、狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集、故障報(bào)警處理等功能，是自控系統(tǒng)的核心部分，包含有凈水車間PLC分站和送水泵房PLC分站。全廠生產(chǎn)管理層包括中央控制室、廠長(zhǎng)室，主要負(fù)責(zé)全廠生產(chǎn)過(guò)程狀態(tài)的監(jiān)視和故障報(bào)警、生產(chǎn)數(shù)據(jù)分

8、析以及報(bào)表生成等，必要時(shí)可以參與遠(yuǎn)程控制。6 系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.1 設(shè)計(jì)原則遵循先進(jìn)性、實(shí)用性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、開(kāi)放性的原則，滿足供水工程生產(chǎn)管理和水處理工藝對(duì)自動(dòng)化控制的要求。實(shí)現(xiàn)“集中監(jiān)控和管理、分散控制、數(shù)據(jù)共享”，以保證整個(gè)水廠的運(yùn)行協(xié)調(diào)、一致。6.2系統(tǒng)配置圖水廠自控系統(tǒng)的配置情況如圖所示。6.3硬件配置和防雷措施本系統(tǒng)PLC配置如下：整個(gè)系統(tǒng)由4套冗余的Quantum 140CPU67160設(shè)備加上34套內(nèi)置以太網(wǎng)和Modbus的M340- BMXP342020構(gòu)成。之所以選擇Quantum和Modicon M340，主要是考慮在滿足控制要求的基礎(chǔ)上的經(jīng)濟(jì)性和適用性。Quantum性能較

9、高，且由于采用了熱冗余技術(shù)，能對(duì)大型水廠的連續(xù)生產(chǎn)帶來(lái)充分的保證，而M340價(jià)格較低，又在不降低整體控制系統(tǒng)質(zhì)量的情況下節(jié)省了投資。M340主要用來(lái)執(zhí)行邏輯控制，而送水泵房、加氯間以及每格濾池和所執(zhí)行的邏輯控制比較少，因此采用M340完全適用。本系統(tǒng)采用單獨(dú)的接地防雷措施，接地電阻小于1歐姆，并且該接地與其他電氣設(shè)備的接地的間隔距離符合規(guī)范要求。6.4中央監(jiān)控系統(tǒng)該控制室為整個(gè)系統(tǒng)的中央控制室，負(fù)責(zé)全廠各工況的集中控制、監(jiān)視和管理，通過(guò)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)控制操作站進(jìn)行信息交換。通過(guò)施耐德電氣的Vejio Citect的冗余服務(wù)器，能更穩(wěn)定的為操作人員提供各凈水車間、清水池、送水泵站及相關(guān)配套設(shè)備的工

10、藝流程及進(jìn)廠、出廠水的各項(xiàng)工藝、電氣等參數(shù)并負(fù)責(zé)打印各種報(bào)表、輸出數(shù)據(jù)等。同時(shí)由于透明就緒技術(shù)的采用，上位機(jī)同時(shí)可以提供遠(yuǎn)程監(jiān)控各PLC現(xiàn)場(chǎng)分站，實(shí)時(shí)接收PLC采集的各種數(shù)據(jù)，建立全廠檢測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，處理并顯示各種數(shù)據(jù)等功能。6.5現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控分站現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控分站由凈水車間監(jiān)控站和送水泵房監(jiān)控站組成。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控分站采用了施耐德電氣的XBTG系列觸摸屏，既充分體現(xiàn)人交互界面的人性化，同時(shí)也保證了嚴(yán)酷情況下設(shè)備的可靠性。6.6現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制單元1 設(shè)計(jì)中采用施耐德電氣最新型的Modicon M340作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制單元。M340由電源模塊、通信模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊等構(gòu)成，通過(guò)總線方式控

11、制閥門的啟閉，采集閥門及水泵、儀表的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)。凈水車間的每格濾池都有一個(gè)獨(dú)立的M340，每個(gè)M340配備觸摸屏作為顯示和操作的界面，對(duì)該濾池的工況進(jìn)行監(jiān)控。同時(shí)設(shè)置一個(gè)公共的監(jiān)控，對(duì)每格濾池的反沖洗泵及閥門等進(jìn)行管理和控制。主要監(jiān)控設(shè)備：濾池進(jìn)水閥、出水閥、排水閥、反沖進(jìn)水閥、反沖洗泵、16個(gè)濾池。主要參數(shù)顯示：每格濾池水位、水頭損失。控制內(nèi)容：每格濾池運(yùn)行控制；反沖洗控制。2 送水泵房PLC控制4套水泵機(jī)組和出水閥門的運(yùn)行，對(duì)4臺(tái)送水泵的電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)水泵電機(jī)定子溫度、用電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)送水泵房變電系統(tǒng)及出廠水水質(zhì)、流量、壓力、清水池和吸水井液位等。3加氯間M340負(fù)責(zé)加氯設(shè)

12、備的自動(dòng)控制以及漏氯中和裝置和風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)等，并做相應(yīng)的調(diào)節(jié)，根據(jù)出廠水的余氯含量和流量自動(dòng)控制加氯量，實(shí)現(xiàn)加氯和漏氯報(bào)警過(guò)程的監(jiān)測(cè)及自動(dòng)控制，操作員亦能人工操作手動(dòng)控制。主要監(jiān)控設(shè)備：加氯機(jī)，漏氯中和裝置，軸流風(fēng)機(jī)。控制內(nèi)容：控制加氯量，并根據(jù)漏氯報(bào)警器的狀態(tài)起動(dòng)氯中和裝置，定時(shí)運(yùn)行軸流風(fēng)機(jī)等。6.7通訊網(wǎng)絡(luò)對(duì)于一個(gè)自動(dòng)化工程，特別對(duì)于中大規(guī)模控制系統(tǒng)來(lái)講，選擇網(wǎng)絡(luò)是非常重要的。首先，網(wǎng)絡(luò)必須是開(kāi)放的，以方便不同設(shè)備的集成及未來(lái)系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)展；其次，針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)層次的傳輸性能要求，選擇網(wǎng)絡(luò)的形式；再次綜合考慮系統(tǒng)成本、設(shè)備兼容性、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適用性等具體問(wèn)題，確定不同層次所使用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。凈水車間

13、、送水泵房、中央控制室之間采用100M工業(yè)以太網(wǎng)連接，傳輸介質(zhì)為光纖。PLC與濾池、加氯間，以及PLC與被控設(shè)備之間采用工業(yè)網(wǎng)連接，傳輸介質(zhì)為屏蔽銅芯電纜。6.8軟件設(shè)置采用Unitypro和Vijeo Citect對(duì)整個(gè)水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的管理和維護(hù)進(jìn)行組態(tài)，上位機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)以下功能：動(dòng)態(tài)流程畫(huà)面顯示：動(dòng)態(tài)顯示全廠工藝流程圖和各工藝單元流程圖。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示：動(dòng)態(tài)顯示各種模擬信號(hào)、開(kāi)關(guān)信號(hào)、各類累計(jì)量信號(hào)的數(shù)值和范圍清單。趨勢(shì)曲線：顯示各主要工藝參數(shù)變化曲線，各種模擬量的歷史曲線、即時(shí)曲線圖。報(bào)表打印：即時(shí)報(bào)表、日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表。控制調(diào)節(jié)功能：在動(dòng)態(tài)流程圖和細(xì)部詳圖上能進(jìn)行各種被控工藝參

14、數(shù)設(shè)定值的調(diào)整。報(bào)警功能：故障發(fā)生時(shí)中控室及相應(yīng)PLC發(fā)出聲響報(bào)警，控制軟件自動(dòng)彈出相應(yīng)故障點(diǎn)詳圖，顯示故障現(xiàn)象，并提示參考解決方案。數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能：能建立生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)、操作信息庫(kù)、故障信息庫(kù)。數(shù)據(jù)處理功能：能利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)、計(jì)算主要生產(chǎn)指標(biāo)。并進(jìn)行配水電耗和單位配水電耗的成本分析和計(jì)算。在線修改：能在線修改程序。7 性能分析7.1系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和壽命周期本系統(tǒng)組件的設(shè)計(jì)符合真正的工業(yè)等級(jí)，滿足國(guó)內(nèi)、國(guó)際的安全標(biāo)準(zhǔn)。并且易配置、易接線、易維護(hù)、隔離性好，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，抗腐蝕，能適應(yīng)較寬的溫度變化范圍。系統(tǒng)具備良好的電磁兼容性，能夠承受工業(yè)環(huán)境的嚴(yán)格要求，平均壽命大于15年。7.2系統(tǒng)的先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)性本控制系統(tǒng)有一套完整的自我診斷功能，可以在系統(tǒng)運(yùn)行中自動(dòng)診斷出任何一個(gè)部件出現(xiàn)的故障，并且在監(jiān)控軟件中及時(shí)、準(zhǔn)確地反映出故障狀態(tài)、故障時(shí)間、故障地點(diǎn)以及相關(guān)信息。在系統(tǒng)發(fā)生故障后，PLC的狀態(tài)能夠返回到系統(tǒng)根據(jù)工藝要求預(yù)先設(shè)置的狀態(tài)上。系統(tǒng)運(yùn)行后可以方便、快捷、準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的運(yùn)行，大大節(jié)約了人力資源，提高了生產(chǎn)效率。7.3擴(kuò)展性和兼容性本系統(tǒng)采用目前比較先進(jìn)的主流產(chǎn)品，具有很強(qiáng)的兼容性。為了保證