污水泵站控制系統(tǒng)的設計與實現

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污水泵站控制系統(tǒng)的設計與實現
1　系統(tǒng)概況
　　鎮(zhèn)江市污水截流工程是江蘇省蘇南環(huán)保項目之一，是利用世界銀行貸款興建的市政環(huán)保工程，包括：古運河截流系統(tǒng)、內江截流系統(tǒng)、泵站、過江管道、中試氧化塘以及污水排放口等工程，這一系統(tǒng)遠期(2010年)所能接納的污水量為30×104m3/d。其污水外排工程采用多級泵站串聯(lián)形式，利用地下管道逐級加壓提升的方法進行排污。
控制系統(tǒng)主要由Intellution FIX人機界面、高速數據通訊網絡(DH—485和JSPAC)及PLC系統(tǒng)三部分組成。系統(tǒng)組成的概念建立在一個開放式、模塊化結構的基礎之上，并使系統(tǒng)可以 靈活、方便地實現復雜的編程和組態(tài)工作。
系統(tǒng)設中央控制和現場監(jiān)控兩級，即中央控制室和七座泵站(PLC1～7)。中央控制室內裝有一臺SLC—500系列PLC0系統(tǒng)、模擬屏一面及二臺工控機(一用一備)，PLC0實時采集各泵站的現場信號，并在模擬屏及上位計算機屏幕上顯示出來。
2 系統(tǒng)設計
2.1 系統(tǒng)設計原則
根據控制系統(tǒng)設計規(guī)范，其設計原則為：
①模塊化。各系統(tǒng)自上而下逐層分解，直至完成所要求的功能，并在設計中盡量減少模塊間數據、控制參數的傳遞，以減少相關性。
②可靠性。采用雙機熱備用方式。
③實時性。自動地控制泵站各個設備，如閥門和水泵等的正常自動運行，在出現異常時迅速處理并報警。
④可維護性。采用模塊化設計以方便維護。
⑤可讀性和可擴展性。
2.2 系統(tǒng)設計思想
截流工程采用分級分布式計算機控制系統(tǒng)，對截流工程的工藝過程進行集中管理、分散控制。
①采用分級、分布式結構
系統(tǒng)設中央控制室和泵站現場監(jiān)控站兩級，由中控室統(tǒng)一管理。每座泵站為相對獨立的監(jiān)控站，能實現就地控制的各種功能。系統(tǒng)功能還包括能實現手動控制、就地控制和遠程控制 的相互切換，當系統(tǒng)出現故障時，各監(jiān)控站仍能實現就地控制。
②系統(tǒng)具有高可靠性
中央控制室設置成雙機系統(tǒng)，采用雙機熱備份方式。自動化儀表驅動執(zhí)行機構均選用可靠設備。
③故障診斷實時性
在一個控制周期內實現對系統(tǒng)內的各種I/O模板的自診斷，發(fā)現故障立即進行切換和報警。
④系統(tǒng)擴展靈活，重組容易。
⑤模塊化兼容的應用軟件。
泵站SCADA主站計算機系統(tǒng)采用開放式體系結構，有利于將來系統(tǒng)的升級。中心控制室計算機系統(tǒng)、管理大樓計算機系統(tǒng)、七個現場泵分控站及檢測儀表， 通過DH—485通訊網(PLC0與PLC1間)和江蘇省公用分組交換數據通信網(PLC0與PLC2～PLC7間)構成了一個先 進的管理控制和數據采集系統(tǒng)(SCADA)，實現了對整個鎮(zhèn)江市城市污水截流工程的集中管理及分散控制。 控制系統(tǒng)構成如圖1所示。
 
2.3 系統(tǒng)的硬件設計
根據設計任務書統(tǒng)計各數據量，并進行分類，由此來決定所需的模塊類型與數量。模擬屏控制機(PLC0)通過DH—485網和分組交換數據通信網(JSPAC)與各分控站通訊，從分控站獲得所需數據并向分控站發(fā)送命令和信息。PLC0還通過KF3和中控室計算機傳遞命令和數據，并控制模擬屏。模擬屏顯示各現場分站設備的狀態(tài)和相關數據。
系統(tǒng)中的七個泵站PLC控制系統(tǒng)均由A—B公司提供的基本模塊化控制器組成，它包括機架、電源、處理器(CPU)、各種輸入/輸出(I/O)模塊和一 個編程用的操作員接口設備。根據現場采集信號與被控信號的類型與數量確定所使用模塊的類型與數量。本系統(tǒng)中PLC所用模塊為：
①處理器模板(SLC5/03)；
②離散型I/O模板(1746—IB16、1746—OW16、1746—OB23模板)；
③模擬量I/O模板(1746—NI4、1746—NO4I模板)；
④電源模板(1746—P2)；
⑤操作員終端(PanelView550,2711—K5A2)。
所以，為一個實際的系統(tǒng)配置PLC硬件時，要根據以下的次序來選擇相應的硬件產品：信號采集點數→I/O模板→處理器→電源→框架。
2.4 系統(tǒng)的軟件設計
系統(tǒng)采用二級結構，由上位機、下位機和檢測儀表組成，需要采集35個模擬量、803個開關量。模擬量包括液位、液位差、流量、壓力、pH值等；開關量包括各種設備的運行狀態(tài)與保護裝置的動作狀態(tài)。系統(tǒng)軟件設計分為IPC軟件和PLC軟件兩種。
①IPC以Intellution FIX為開發(fā)平臺，采用可視化開發(fā)技術進行圖形界面的過程處理，實時顯示圖形，用戶界面清晰，在上位機和大型模擬屏上顯示整個截流工程的工藝參數、工藝流 程及設備狀態(tài)，操作人員可以清晰、直觀地監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀況。各種操作均以按鈕、下拉菜單、列表框來實現，緊急情況下能在IPC和PV550上對各泵站的 水泵進行控制。另外，系統(tǒng)還采用了數據完整性保護技術、動態(tài)交換技術、文件共享技術等，能從網絡上的任何一個節(jié)點上直接訪問數據庫、圖片以及其他文件，實 現了人機繪畫及監(jiān)控、數據采集、數據管理、數據完整性、開放式結構、歷史趨勢曲線、報表打印等功能，滿足了污水截流工程的實際需要。
a.過程數據庫是軟件的心臟部分，是由過程控制邏輯而形成的一種過程描述，是由塊和鏈組成。一個塊(也稱點)是一組過程控制指令代碼，它執(zhí)行規(guī)定的動 作。系統(tǒng)中共創(chuàng)建了模擬輸入/輸出、數字輸入/輸出、模擬量寄存器、布爾、設備控制等數據塊。在創(chuàng)建并使用數據 庫后，可調整鏈的掃描時間或修改其相位來提高數據庫的效率。
b.使用動態(tài)數據交換技術，把過程信息傳送給其他應用程序，如SPC(過程控制統(tǒng)計)程序等；在畫面和過程數據庫中插入來自其他應用程序的數據和另一 個SCADA節(jié)點的信息，將該數 據放入鏈中并且進行報警和趨勢處理；在Excel中快速地建立標準的報表，并能根據實時數據進行更新。從Excel工作薄中獲取數據時使用下列語法：= EXCEL1［FILE.XLS］SHEET1!R1C1。同時，在Excel工作表中增加鏈接。鏈接用于工作表中顯示數據，并能顯示歷史文件、報 表標題或文本中的靜態(tài)數據和連續(xù)變化的數據，如實時數據、當前數據和時間。
c.對所有不能存儲在數據庫中而又要用這些數據進行趨勢顯示的數據，如水泵運行時間、質量測試等，在Excel文件中創(chuàng)建了實驗數據文件，每行代表一 行實驗數據，這樣就可以在同一個趨勢圖中顯示歷史數據和實驗數據。另外，從關系數據庫中提取所需的時間是可以調整的，這取決于信息量和數據庫的大小，采用 把關系數據庫存儲在簇中并創(chuàng)建簇索引的方法，來提高數據提取的速度，達到優(yōu)化數據提取的目的。
d.為了防止非授予權寫入數據庫塊，確保數據的完整性，在定義數據塊時，定義了安全區(qū)域。一旦數據庫節(jié)點有了安全保護，操作員必須首先進入注冊程序，并且輸入相應的名字和口令字。登錄后，操作員才可以使用被授權的功能。
②PLC梯形圖軟件是以RSLogix500為開發(fā)平臺，軟件的使用可另外配置編程終端，也可以在上位機上進行，通過KF3將微機中所編寫的梯形圖程序下載到PLC0的內存中，也可將PLC 0內存中的梯形圖程序上載并存儲在上位機上。
下位機控制主程序包含初始化、遙控、自控等8個子程序(其中泵站自控子程序流程如圖2)，其特點是集數據采集、通訊、遙控、自控于一體。菜單功能齊 全，可完成各種參數的自動巡回檢測，進行數據整理、運算、存儲、輸出報警信號，與上位機通過X.28分組交換構成廣域通信網，實現遠程通訊和控制。具體功 能如下：
a.采集泵站壓力、水位、水位差、流量、pH值等八個模擬量。
b.采集水泵運行、故障、電動閘閥全開、全關、運行、故障，啟閉機全開、全關、運行、故障，格柵運行、故障等126～320個開關量(各泵站不等)。
c.與中控室保持聯(lián)絡，實時傳送數據。
d.解釋、執(zhí)行中控室的遙控指令。
e.自動控制水泵的運行，并保證泵與閥的聯(lián)動。
f.自動對故障源定位并報警。
g.與中控室自動校對。
 
2.5 系統(tǒng)通訊
由于PLC1(江濱泵站)與PLC0站之間距離較近，故直接利用SLC500的CPU模板固有的DH— 485通訊口，通過專用通訊電纜簡單地組成DH—485網絡。采用這種通訊方式，不僅有效地提高了通訊效率和可靠性，而且大大地降低了系統(tǒng)的運行費用。
PLC0與各泵站PLC2～7之間采用江蘇省公用分組交換數據網絡(JSPAC)，通過MODEM 進行遠程通訊。
分組交換技術是面向連接的數據通信技術，它具有差錯控制功能，保證高質量的傳輸，網內全程誤碼率＜1×10-10， 通信資源(信道、端口)利用率高，允許不同類型、不同速率、不同編碼方式、不同傳輸規(guī)程的終端和計算機之間進行通信，分組多路通信可實現一點對多點同時通 信，可建立發(fā)送數據優(yōu)先權，便于分散設點的用戶共享資源，信息傳輸安全、可靠、保密性高，能與公用電話網、低速數據網及其他專用網互連，通信費用低等優(yōu) 點。分組交換網是面向連接的數據通信網，聯(lián)入分組交換網的計算機可以和網上的其他計算機系統(tǒng)或終端建立聯(lián)系，互相傳遞數據、交換信息、共享資源。能進行快 速可靠的數據通信是選 擇這一網絡進行遠程通信的原因。
如何利用JSPAC的X.28業(yè)務實現PLC之間的通信，這是本系統(tǒng)技術難點之一。X.28建議定義了ASCII終端與PAD(PAD為分組拆裝設 備)之間的命令語言和命令狀態(tài)以及數據傳送狀態(tài) 的工作條件。當用戶與PAD通信時為命令狀態(tài)，通過訪問PAD可以完成對參數的修改，或向JSPAC發(fā)送各種命令。當用戶終端與JSPAC上的主機進行通 信，即進行數據通信時，為數據傳送狀態(tài)，此時的網絡對用戶來說是透明的。通過X.28建議可以完成ASCII終端與JSPAC上主機間的通信，具體通信如 圖3所示。
 
　　由于該系統(tǒng)除各泵站采用可編程序控制器進行實時監(jiān)控外，還通過X.28分組交換構成廣域通信網，調試人員在電信部門的協(xié)助下，經過多次反復，使系統(tǒng)順利實現了遠程通訊。
JSPAC通信系統(tǒng)采用主—從結構，中控室里的PLC0為主站，泵站(PLC1～7)為從站，采用Polling通訊方式，信息傳送采用全雙工方式。 中控室中的工控機通過KF3與PLC0進行通訊，PLC0與PLC1間通過內備DH—485通訊口進行通訊，PLC0與其他各分站均選用相同型號 (Codesx3265v.34)的調制解調器(modem)，傳輸速率為9600bps，傳輸系統(tǒng)誤碼率＜1×10-6。
主站與從站之間的通訊問題是整個計算機系統(tǒng)能不能協(xié)調運行的關鍵問題。在實際運行中，上位機與下位機之間有兩種通訊方式。
①上位機主動
其中又有兩種方式：一是上位機對下位機進行寫命令操作；二是上位機主動讀取。在機組啟動時，下位機監(jiān)測啟動過程，對大量的啟動數據進行處理。發(fā)送中 斷，告知上位機啟動的機組號，上位機接到信號后讀取啟動數據，繪制啟動曲線。正常運行后，上位機間隔10min讀取下位機中的數據。
②上位機被動
當有事故或故障發(fā)生時，下位機發(fā)送事故或故障代號，上位機根據下位機的通訊協(xié)議進行特殊的處理。
中控室通訊功能：雙串行口，可與有線信道、網絡、模擬屏及泵站SLC500可編程序控制器進行通訊。
3　系統(tǒng)接地問題的考慮
　　由于系統(tǒng)所控制的設備功率較大，以及環(huán)境條件比較復雜，強大的電場和磁場干擾不容忽視。為了使系統(tǒng)能夠可靠地運行，采用了“半浮地”技術，即外殼接地，系統(tǒng)通過一只2～4μF的電容接至安全的接地點。
4 結論
　　污水泵站控制系統(tǒng)采用了國際上最流行的、可靠的多任務監(jiān)控軟件Intellution FIX和RSLog ix500高級編程軟件，以實現建立穩(wěn)定、可靠、實時的泵站監(jiān)控和管理系統(tǒng)。通過幾年來的運行表明，該系統(tǒng)的設計是成功的，它實現了對整個污水截流系統(tǒng)的控制操作、數據采集和信息的實時性、準確性、完整性和統(tǒng)一性。