利用Rockwell的PLC实现水厂自动控制系统

康佳通信科技 产品线管理办公室 张峰

摘　要: 本文介绍了基于罗克韦尔系列自动化产品实现了一个水厂的自动控制系统。结合某大型水厂自动控制系统的实例，详细阐述了系统的硬件及软件架构和实施注意事项。实际运行的结果证明：本系统利用罗克韦尔自动化产品，成功实现大中型水厂的自动控制，值得国内同行借鉴。

关键词: 罗克韦尔 自动控制 PLC 主机

1 引言

　　随着城市现代化建设的发展，环境保护、生活用水的要求更高了。以前老式水厂的人工、半自动水厂控制系统已经远远不能满足现代化生活和企业运作的需要，因此先进的计算机控制技术应运而生。通过先进的自动控制系统，可实现对水厂制水、污水处理、水软化、送配水等工程运作的监视和控制。因此以计算机技术为基础，辅以可编程控制器（PLC）组成分布式集散系统对水厂实现了全过程自动化和现代化管理。技术先进、设备可靠、运行稳定，同时提高了供水质量，节约了人力，降低了成本。

　　通常水厂的处理工艺流程如下图1：

图1 水厂的处理工艺流程

　　为保证供水系统的安全可靠运行，达到优质供水节能降耗的目的，本文基于国内华南地区某大型水厂的实例，结合上面水厂的处理工艺流程，提出了一套基于罗克韦尔自动化产品及系统的水厂自动控制系统。

2　系统阐述

　　按照通常水厂的工艺实践，我们将取水和排污放在同一个取水分站控制，而混凝、反应、沉淀和消毒放在加药分站控制，过滤在滤池分站控制，送水在送水分站控制。

2.1系统构成

　　控制系统（图2）采用PLC+PC的监控方式，设置一个中心控制室主站与4个PLC控制分站（取水分站、加药分站、滤池分站和送水分站），有的现场分站下还挂有控制子站。控制子站与现场分站之间通过DH485总线形式通讯，现场分站之间以及现场分站与中心控制室主站之间以ControlNet形式通讯，中心控制室内的各计算机则通过高速以太网通讯。现场设备的控制分为手动与自动两种控制方式：手动时PLC监测设备的运行状态；自动时，PLC监控设备的运行。在自动状态下，现场分站还具有本站与远控两种控制方式：当处于本站控制方式时，现场分站PLC可以监控设备的运行，而中心控制室只能监测设备的运行状态；当处于远程控制方式时，中心控制室可以监控设备的运行。

图2 水厂自动控制系统框图

2.2 系统各站主要配置和功能

2.2.1 厂级控制层

　　（1）主控服务器计算机两套，以互为热备用方式工作，完成计算机监控系统的管理。

　　（2）操作员工作站设两套，每套工作站带两个显示器（双屏），两台工作站互为热备用方式，一台用于监控，一台用于监视。当监控工作站因故退出时，监视工作站可自动或手动升为监控站。采集到的数据送服务器、模拟屏和总厂的数据库系统。

2.2.2 现场控制层

　　厂房内设有四套分站控制单元，采用罗克韦尔的PLC-5/40设备。各分站控制单元分别完成各自监控对象的数据采集及处理，并向网络传送数据，接受上位机的命令和管理。同时单个控制分站具有独立的控制、调节和监视功能，配有键盘和监视器。当与上位机系统脱机时，仍可进行必要的控制调节和监视。分站控制单元由工控机和PLC及远程I/O等设备组成。整个系统的主计算机、分站控制单元及各辅助设备均通过罗克韦尔自动化的ControlNet网连接通信。

　　（1）取水分站

　　取水分站下挂两个子站，分别对取水吸水井上的格栅除污机进行控制，并接收吸水井上的仪表信号。吸水井上没有采用传统的差压检测仪，而是采用带有两个超声波探头的水位检测仪。该检测仪即可以检测吸水井格栅前后两个水位值，也可以将两个水位值作差值计算，输出水位差值。除污机的开停可以由水位差值来控制，也可以根据设定的时间周期来控制。格栅前后的水位差如果超过上限值，报警。

　　取水分站的主要控制对象除了吸水井以外，还有原水虹吸管抽真空系统，取水泵抽真空系统，取水泵，排水泵房及变配电系统。其中取水泵抽真空系统为进口设备，常保抽真空方式，它具有一套独立的控制系统，使取水泵内始终保持充满水的状态，因此设计中我们只将事故信号送至取水分站。另外将清水池水位信号送至取水分站用于控制取水泵的开停台数。

　　取水分站所检测的仪表信号有原水浊度、PH值、温度、清水池水位、取水吸水井水位及取水泵与电机温度、出口压力。

　　（2）加药分站

　　加药分站下挂两个控制子站，分别对设在近期和远期冲洗泵房的 用于加氯、加氨用的增压泵进行控制。

　　加药分站的主要控制对象除了增压泵以外，还有加矾系统、加氯系统、加氨系统、反应池排泥系统及配电系统。

　　加矾系统采用的是流动电流法混凝投药控制系统。在管道混合器后取样送入流动电流传感器即SCD中检测，作为反馈环节。在加药间内设置一台多功能控制柜，接收SCD输出的4~20mA信号和原水流量信号，经数据处理后控制计量泵的冲程与频率，从而调节加矾量。SCD设定值则根据待滤水浊度确定，这个设定值不是一个定值，它需要经过长期的生产实践经验和实际情况确定。

　　加氯系统包括前加氯与后加氯系统。前加氯是根据原水流量按比例投加；后加氯则根据滤后水流量进行投加，清水池余氯信号反馈调整。

　　加氨系统根据滤后水的加氯量按比例投加，一期没有安装。

　　反应池排泥系统具有现场手动和根据时间周期自动排泥两种控制方式。

　　加药分站所检测的仪表信号有：原水流量、待滤水浊度、清水池余氯、滤后水流量、SCD检测值、矾液池液位、计量泵出口压力及流量

　　（3）滤池单元

　　滤池分站的主要控制对象有平流沉淀池、气水反冲洗滤池、反冲洗泵、鼓风机、空压机及变配电系统。
　　滤池分站下挂10个单格滤池控制子站。每个控制子站控制一格滤池的过滤与冲洗。每格滤池装设一台超声波水位检测仪，用于控制该格滤池出水阀门的开度，使滤池在恒水位条件下工作。滤池的反冲洗可选择两种控制方式：单格滤池一步化控制和按过滤周期控制。滤池的冲洗程序为三段式冲洗：气冲、气水混合冲、水冲。在反冲洗泵、鼓风机房内共装设了三台冲洗泵，三台鼓风机，均为两用一备。气冲时两台鼓风机运行，气水混合冲时再加一台冲洗泵，水冲时仅两台冲洗泵运行。试运行期间，气冲时间为2分钟，气水混合冲时间为2分钟，水冲时间为6分钟，这些时间参数均为可调参数，通过长期的生产运行经验确定一个最佳参数。
　　滤池分站所检测的仪表信号有：冲洗泵、鼓风机出口压力、滤后水浊度。

　　（4）送水分站

　　送水分站的主要控制对象是送水泵、送水泵抽真空系统、出厂水及变配电系统。
　　送水泵抽真空系统与取水泵相同。送水泵的开停台数由公司调度室发信号给中心控制主站，由中心控制主站给出开停泵信号，由送水分站PLC完成水泵开停过程。送水吸水井水位开关则控制送水泵全开全停及报警。
　　送水分站所检测的仪表信号有送水泵出口压力、送水泵及电机温度，出厂水压力、流量、PH值、浊度和余氯值。
2.2.3设备控制层

　　本层包含了虹吸、碳水、增压、加矾、滤格等14个小控制箱，采用的罗克韦尔的SLC5/02设备。所有这些辅助设备都直接挂在A-B的DH-485工业局域网上。各个设备之间可独立运行，也可通过网络接受命令并进行相应处理。该局域网所有的主机和站点都可以共享辅助设备的信息，因此所有设备的工作情况等信息都可以第一时间显示在上层的主机监控画面上。

3　系统配置及特点

　　系统的PLC软硬件都采用了罗克韦尔的产品，通讯软件采用RSLinx，梯形图编程软件采用RSLogix5和RSLogix500，人机界面采用Rockwell的RSView32来完成数据采集、记录、操作监控等任务，操作系统采用Windows中文NT系统，设置了用户安全管理体系，只有通过正确的口令和用户名才可能成功登录，同时系统软件自身采用实时数据库系统来进行分析和管理，数据库系统选用微软的SQL Server2000产品。

　　软件的各个功能块如下：

3.1 监控画面功能

　　（1）监控系统运行状态画面

　　画面显示监控系统继PLC和测量装置及主控工作站的工作状态和参数。

　　（2）电站所有需要监测的各种参数的实时和历史曲线图、棒型图画面。

　　（3）各种运行和管理报表及表格画面。

　　（4）水厂的平面图、动画等显示。

3.2数据采集和处理功能

　　系统可自动实时采集和处理来自各现地控制层及调度系统的数据。主要包括：机所有工作分站及子站的电气模拟量、非电气模拟量、脉冲量、开关量的采集，对这些数据进行处理和分析，处理后的数据以一定的格式存入实时数据库，形成实时数据库和历史数据库，以备系统调用和随时查询，并对监视的模拟量、开关量、脉冲量进行统计分析计算（含变位、越限等）作为历史数据存入历史数据库，并作为报表输出的主要数据来源。当出现异常事件记录和出现事故时，计算机监控系统根据目前的情况自动进行处理。

3.3 综合参数统计、计算与分析功能

　　计算机监控系统根据实时采集到的数据进行周期、定时或召唤计算与分析，形成计算数据库与历史数据库，帮助运行人员对水厂设备的运行进行全面监视与综合管理，可及时发现故障征兆，提高单元运行的安全性。对现成的计算数据列出作为实时数据处理，存入相应的实时数据库和历史数据库，进行越限报警、启动相关处理程序等操作。

3.4 安全运行监视及事件报警功能

　　（1）主要设备安全运行实时监视

　　计算机监控系统可以使运行人员通过主机兼操作员工作站显示器屏幕对全厂主要设备运行状态和运行参数进行实时监视，包括状态变化监视、越限检查、过程监视、历史趋势分析和监控系统异常监视。

　　（2）事件报警

　　计算机监控系统周期性扫描故障信号，故障发生时，立即响应并处理，同时记录故障发生时间（时、分、秒）、动作设备器件名称、事故内容等信息，并显示、打印故障报警语句，发出声光报警信号，按故障发生的先后次序排列，形成故障记录并存入数据库。故障记录表格为故障汇总记录表，可供值班人员查寻，并定时打印，也可召唤打印或显示。

　　计算机监控系统在设备运行参数超越其限值时，立即报警，越限值恢复正常值时，进行复限提示。参数越、复限时，记录发生时间（时、分、秒）、参数名称、参数值勤等信息，并显示打印故障报警语句，发出音响报警信号，形成全厂参数越看待线记录并存入数据库。

　　单元现地LCU自动检测本单元所监视的设备、继电保护和自动装置的动作情况，当发生状态变换时，对于事故信号自动产生中断，检测事件性质、发生时间，并顺序记录，上送电站控制层，计算机监控系统立即响应中为信号，同时记录事故发生时标（时、分、秒、）、动作设备器件名称、事故内容等信息，并显示、打印事故报警语句，发出声光报警信号，按事故发生的先后次序排列，形成事件记录并存入数据，可按设备进行搜索记录。

　　单元开、停机时（命令发出），计算机监控系统自动推出相应单元的开、停机过程监视画面。画面包括：单元编号、自动/手动标记、开（停）机条件、用流程图表示的开（停）机步骤、每步操作的时间及总时间。实时显示全部开、停机过程中每一步骤及执行情况，并按设备实际动作状态自动改变步序框的颜色，以区分已操作、正在操作、待操作及操作受阻部位。并提示在开、停机过程受阻的受阻部位的原因，进行开环运行指导甚至闭环自动控制操作。

4系统的智能性分析

　　自控系统的实用性实际上要求系统有较高的智能度或容错能力。开发大型的专家系统是比较困难的，但可以将平常的运行经验加入控制程序中，即加入若干个智能点。譬如可以通过出口压力信号或电机电流判断反冲洗水泵是否出水(因离心水泵空转时的电流比正常运转时的电流小得多)；又如当程控打开某滤池的排水阀时，其全开行程开关未动作，但此时滤池水位突然下降，由此判断排水阀已打开而不必终止程序执行。这些智能点的加入使系统的适应能力大大提高，PLC通过分析有限的信号量可以发现被控设备的故障。再譬如，可以通过计算液控蝶阀前后补油的时间间隙来判断其是否漏油，这种将运行人员经验化为智能控制的方法是传统继电控制或单回路调节仪表所无法比拟的。

5 过程控制及远程手动操作

　　水厂过程控制(如对加氯、加矾、恒水位控制等)具有惯性大、纯滞后时间长等特点。理论证明，对于具有Ke<;SUP>-τ/(1+T1;)(1+T2S)特性的控制对象，PID是一种最优控制，但当其纯滞后时间τ大于数分钟时，采用PID控制的效果不佳。对于加药系统来说，纯滞后时间由其投加点及采样点的距离决定。作为一个特例，滤后水加氯较为复杂，为了达到自动控制的目的，要求氯气经充分混合后立即检查余氯值作为复合环控制的反馈信号。水厂的过滤后加氯采用了采样PID控制，通过控制其采样周期来补偿系统的纯滞后时间，效果很好，真正做到了自动投加。当然也可以利用PLC所提供的PID指令构成串级控制系统，其目的都是为了克服或补偿系统纯滞后时间太长对控制带来的影响。

　　对于惯性大、纯滞后时间长的系统采用手动控制是很有效的，一个熟练的操作工人并不需要频繁的操作就能将余氯、清水池水位等控制得很好。如果中控室有人值班并可通过网络进行手动操作，则该方式至少可以作为自动控制的一种后备或补充，使系统更加可靠、实用。这里的关键问题是怎样实现两种控制方式的方便切换。最好的方式是直接利用PLC提供的PID指令进行控制，这样一方面可取消仪表的PID控制器，大大节约了费用；另一方面，利用PLC的功能指令，能方便地实现自动和手动控制的无扰动切换，利用上位电脑的图形界面，值班工人可以很方便地执行这些操作。

6 结束语

　　本文基于罗克韦尔自动化的系列产品组建的水厂自动控制系统，实现了单元的无人监控、少人值班，提高了水厂自动化水平和水质处理的效率，减轻了运行人员的负担。实际运行证明，本系统可达到大中型水厂的无人监控、少人值班的高自动化水平，减轻了操作人员工作强度，提高了水厂运行的安全和可靠性。

参考文献

[1] 吴泉源.人工智能与专家系统.长沙：国防科技大学出版社，1995

[2]PLC-5使用手册

[3] RSView32用户指南

[4] 汤毅坚. 计算机局域网 .北京：人民邮电出版社, 1989

[5] SQL Server2000从入门到精通