SCADA系統(tǒng)在水處理中的應(yīng)用

SCADA系統(tǒng)在水處理中的應(yīng)用

廣東省恩平市水處理廠是廣東省恩平重點(diǎn)工程項目，它的勝利竣工使恩平市民喝上了優(yōu)質(zhì)的自來水，出廠水達(dá)到了歐共體標(biāo)準(zhǔn)。通過建立一套完整的SCADA系統(tǒng)，并綜合考慮與無線電調(diào)度系統(tǒng)、公司企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的銜接而建立的自控系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)(Intranet)系統(tǒng)三位一體的綜合管理與控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了整個水處理生產(chǎn)過程的自動控制。通過無線電調(diào)度系統(tǒng)在城市管網(wǎng)壓力的檢測，可以實現(xiàn)城市管網(wǎng)調(diào)度，同時將水處理廠的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)和管線監(jiān)測數(shù)據(jù)實時送回公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。在公司內(nèi)部網(wǎng)上任何一個終端在授權(quán)情況下可監(jiān)視水處理廠的運(yùn)行和城市管網(wǎng)壓力情況。通過該系統(tǒng)的使用，動態(tài)掌握水處理廠和城市管網(wǎng)壓力的運(yùn)行情況，做到心中有數(shù)、合理調(diào)度、降低了生產(chǎn)成本、提高了生產(chǎn)效率、提高了公司的生產(chǎn)管理水平。

SCADA系統(tǒng)構(gòu)成

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示， 恩平水處理廠SCADA系統(tǒng)由水處理廠的自動控制系統(tǒng)、 城市管網(wǎng)測壓點(diǎn)、供水集團(tuán)公司辦公大樓內(nèi)部網(wǎng)構(gòu)成。以太網(wǎng)用于系統(tǒng)的管理層， ControlNet網(wǎng)和無線通訊用于各PLC控制器及計算機(jī)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(wù)器HMI組態(tài)軟件RSView32活動顯示系統(tǒng)(Active Display System，ADS)服務(wù)器實現(xiàn)信息交互。ControlNet網(wǎng)采用屏蔽同軸電纜進(jìn)行通訊，具有連接方便、通訊距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，是PLC通訊廣泛應(yīng)用的、穩(wěn)定的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。無線通訊采用具有SCADA功能的DF1主從通訊協(xié)議，PLC通過其標(biāo)準(zhǔn)RS232與數(shù)傳電臺實現(xiàn)無線通訊，通訊速率可達(dá)960Obps。

2.水處理廠自控系統(tǒng)組成

制水廠布置圖

根據(jù)水處理廠設(shè)備分類和控制要求，水處理廠自控系統(tǒng)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(tǒng)由管理層、控制管理層、現(xiàn)場控制層三層組成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用集散型控制系統(tǒng)，以便于實現(xiàn)“集中管理，分散控制"的三級控制。指揮權(quán)集中、控制權(quán)分散、注重功能分散，以求控制靈活，提高整個系統(tǒng)的可靠性。PLC1用于監(jiān)控取水泵房取水泵運(yùn)行和操作的，包括檢測泵運(yùn)行溫度、電量參數(shù)，以及原水的pH、濁度、溫度等水質(zhì)參數(shù)。PLC2加藥站用于監(jiān)控加礬計量泵、石灰泵以及加氯機(jī)的運(yùn)行和操作的，包括檢測加藥混合后水質(zhì)的SCD、pH、余氯，通過反饋，PLC PID調(diào)節(jié)設(shè)備的加藥量實現(xiàn)自動控制。這樣使水能達(dá)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(guān)鍵的控制環(huán)節(jié)。PLC3是控制濾池自動恒水位過濾、自動公共反沖洗的。PLC4是監(jiān)控送水泵房送水泵運(yùn)行和操作的。包括檢測泵運(yùn)行溫度、電量參數(shù)，以及出廠水的pH、濁度、余氯、壓力、流量等參數(shù)，保證城市供水量和水質(zhì)。水處理廠的PLC通過屏蔽同軸電纜在全廠組成一個ControlNet網(wǎng)。

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(yùn)行RSView32系統(tǒng)做成了人機(jī)界面，監(jiān)測和控制整個制水廠的生產(chǎn)和運(yùn)行情況以及監(jiān)測城市管網(wǎng)的壓力情況。配置打印機(jī)打印報警、生產(chǎn)報表和曲線等。

3 城市管網(wǎng)測壓點(diǎn)組成

在SCADA系統(tǒng)中，用于城市管網(wǎng)壓力監(jiān)測的PLC5-PLC12采用最為經(jīng)濟(jì)可靠的微型可編程控制器MicroLogix 1000，采集監(jiān)測點(diǎn)的參數(shù)數(shù)據(jù)并作為SCADA系統(tǒng)的DF1從站。

4 公司監(jiān)視站的組成

公司監(jiān)視站包括供水集團(tuán)公司大樓內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和裝有1784PCIC卡的SCADA系統(tǒng)的服務(wù)器電腦。由于制水中心控制室和供水集團(tuán)公司大樓相距較遠(yuǎn)，采用了同軸電纜組成的 ControlNet網(wǎng)相連，裝有1784PCIC卡，服務(wù)器電腦安裝了RSView32及RSView32 ADS為監(jiān)控組態(tài)軟件，用于監(jiān)視制水廠和城市管網(wǎng)的壓力實時數(shù)據(jù)，也實現(xiàn)了公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)的通訊。從而，通過ControlNet網(wǎng)、無線電調(diào)度系統(tǒng)、公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)將水處理自控系統(tǒng)、城市管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)和公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)聯(lián)成了一體化網(wǎng)絡(luò)。在經(jīng)理室等有關(guān)職能部門配置了監(jiān)視終端，作為系統(tǒng)的客戶機(jī)和公司網(wǎng)絡(luò)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(quán)的情況下均可以監(jiān)視制水廠和城市管網(wǎng)壓力的運(yùn)行情況。系統(tǒng)具有Internet/Intranet接口，可方便實現(xiàn)在任何地點(diǎn)、任何時候通過撥號上網(wǎng)的方式監(jiān)視生產(chǎn)運(yùn)行情況，即遠(yuǎn)程監(jiān)視。

5 系統(tǒng)軟件的組成

系統(tǒng)軟件是整個系統(tǒng)的核心，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的成敗。系統(tǒng)軟件主要包括操作系統(tǒng)、監(jiān)控軟件平臺等。制水廠中控室操作站采用Windows NT操作系統(tǒng)和RSView32人機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件。供水集團(tuán)公司大樓ADS服務(wù)器電腦安裝Windows 2000 Server作為內(nèi)部網(wǎng)上的獨(dú)立服務(wù)器，運(yùn)行RSView32人機(jī)監(jiān)控組態(tài)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(shù)，以MFC(微軟基礎(chǔ)級)、DCOM(分布元件對象)組件技術(shù)為基礎(chǔ)的人機(jī)監(jiān)控軟件，這個在圖形顯示中利用ActiveX、VBA、OPC的HMI產(chǎn)品，提供了監(jiān)視、控制和數(shù)據(jù)采集等全部功能，是一個使用方便、可擴(kuò)展性強(qiáng)、監(jiān)控性能高的監(jiān)控組態(tài)軟件。RSView32 ADS將RSView32 HMI軟件擴(kuò)展為客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。ADS服務(wù)器不僅可以在現(xiàn)場，而且可以通過國際互聯(lián)網(wǎng)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(jiān)控軟件平臺。系統(tǒng)安全策略利用Windows 2000和RSView32提供的雙重安全功能，Windows 2000在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)層負(fù)責(zé)管理操作人員或系統(tǒng)管理員的登錄，而RSView32通過設(shè)置不同的安全級別在應(yīng)用層對各用戶的操作權(quán)限進(jìn)行控制，從而保證系統(tǒng)的正常操作，防止越權(quán)操作。

SCADA系統(tǒng)協(xié)議

ControlNet網(wǎng)是羅克韋爾自動化公司新推出的全新的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，是一個開放的高速確定性網(wǎng)絡(luò)，他可用于傳輸對時間有苛刻要求的信息，通信速率可達(dá)到5Mbps，提供實時的控制和對等的通信服務(wù)。采用生產(chǎn)者/客戶方式，將傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)針對不同站點(diǎn)需多次發(fā)送更改為一次發(fā)送多點(diǎn)共享，減少了網(wǎng)絡(luò)發(fā)送次數(shù)，從而使網(wǎng)絡(luò)實時、有效。用RSNETworx軟件完成ControlNet的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。由于歷史的原因我們采用的是SLC5/03 PLC，所以要上ControlNet網(wǎng)每個PLC機(jī)架上增加了1747-SCNR通信模塊，在送水泵站PLC4上另外還增加了1747-KFC15通信模塊，以滿足1784KTCX15和1784PCIC卡與PLC cpu的通信。

羅克韋爾自動化公司的A-B SLC5/03、SLC5/04和MicroLogix 1000可編程控制器具有內(nèi)置的多功能標(biāo)準(zhǔn)RS232接口通道，該接口的系統(tǒng)方式支持DFl通訊協(xié)議。DF1協(xié)議是A-B公司PLC系統(tǒng)廣泛支持的通訊，各系列PLC及裝有RSLinx通訊軟件的計算機(jī)均支持DF1協(xié)議，通過該協(xié)議可以構(gòu)成基于PLC的調(diào)度系統(tǒng)。恩平城市管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)采用點(diǎn)對多點(diǎn)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(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

SCADA系統(tǒng)功能與特點(diǎn)

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(tǒng)各種設(shè)備和生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視和控制。能實現(xiàn)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(yuǎn)程手動控制(遙控)兩種方式。

（1） 就地手動控制：就地通過控制箱或柜上的按鈕或控制器對設(shè)備進(jìn)行手動控制。
（2） 分站PLC控制：各分站的PLC執(zhí)行自己的控制程序，處理該站現(xiàn)場I/O信號。在與中心控制室脫機(jī)或通訊出現(xiàn)故障時各分站能獨(dú)立利用自己的PLC進(jìn)行控制及PLC之間的通訊。
（3） 中控室集中控制：就是在中心控制室對全廠生產(chǎn)過程和城市管網(wǎng)壓力進(jìn)行監(jiān)測控制和數(shù)據(jù)處理，對所控設(shè)備進(jìn)行自動或遙控控制。在自動控制方式下能對制水廠的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動控制，如開泵過程為先開泵后開閥，停泵過程為先關(guān)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(lián)動)；通過閉環(huán)反饋PID對進(jìn)行自動投加處理；以及濾池的PID恒水位自動過濾，自動進(jìn)行反沖洗等，在遙控方式下能對各控制設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立控制。

2 通訊能力強(qiáng)

制水廠工藝流程監(jiān)視圖

水處理的整個PLC組成一個ControlNet網(wǎng)絡(luò)。無線電通訊速率可達(dá)960Obps。DF1輪詢時間可以根據(jù)實際需要在監(jiān)控畫面上設(shè)定，以達(dá)到數(shù)據(jù)的實時有效。公司采用10OM以太網(wǎng)，保證了整個系統(tǒng)可以快速穩(wěn)定和可靠地運(yùn)行。

3 系統(tǒng)可擴(kuò)展性和開放性強(qiáng)

該系統(tǒng)采用的硬件和軟件都是符合國際標(biāo)準(zhǔn)、世界范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛的產(chǎn)品，例如：監(jiān)控系統(tǒng)是基于微軟公司的WindowsNT、2000或9X平臺，支持各種規(guī)范的協(xié)議如OPC、ODBC、ActiveX、DDE等。為過程控制系統(tǒng)與管理信息系統(tǒng)交互信息實現(xiàn)管理控制一體化提供了接口基礎(chǔ)。

4 豐富的畫面顯示功能

計算機(jī)操作站顯示的畫面有管網(wǎng)監(jiān)控圖、制水廠各個分站的動態(tài)模擬圖、高壓配電圖、設(shè)備操作畫面、趨勢圖、報警畫面等。操作人員通過調(diào)用這些畫面可以全面的掌握整個系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并且很方便地對設(shè)備進(jìn)行操作。

5 報警和保護(hù)處理功能

系統(tǒng)記錄設(shè)備和軟件報警發(fā)生時的有關(guān)信息，如故障標(biāo)簽名稱、報警信息、故障報警時間等，并可以對報警信息進(jìn)行管理。系統(tǒng)還提供了對重要設(shè)備的保護(hù)功能，如過載、超溫及三相電流不平衡等保護(hù)。

6 報表功能

本系統(tǒng)輸出報表有生產(chǎn)日志、生產(chǎn)日報表、月報表、季度報表、年報表與管網(wǎng)壓力報表等。

7 遠(yuǎn)程監(jiān)視功能

基于客戶/服務(wù)器HMI組態(tài)軟件RSView32 ADS，可實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)視。操作人員可在中心控制室對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，公司領(lǐng)導(dǎo)甚至出差在外也可以監(jiān)視和查詢制水廠及城市管網(wǎng)壓力的運(yùn)行情況，及時掌握生產(chǎn)情況，以便更快作出決策和調(diào)度，提高生產(chǎn)效率。

使用效果與實際存在問題

恩平水處理廠自2001年11月調(diào)試完畢，正式投入使用以來，系統(tǒng)運(yùn)行比較穩(wěn)定，自動化控制效果良好。

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(jī)架上增加了1747-SCNR通信模塊組成了一個ControlNet網(wǎng)，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上另外還加了增塊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(wǎng)和1747-KFC15進(jìn)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(wǎng)，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(shù)據(jù)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(xiàn)了對整個水處理廠的各個分站的監(jiān)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(shè)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(wǎng)是一個開放的高速確定性網(wǎng)絡(luò)，通信速率可達(dá)到5Mbps。這樣，ControlNet網(wǎng)的高速、實時和有效性難以體現(xiàn)出來