紀 征
[摘要]介紹組成曹妃甸供水公司自動化控制系統(tǒng)的軟硬件結構及網(wǎng)絡結構特點,各分站自控功能和應用效果概況。
[關鍵詞]自動化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結構特點自控功能應用效果
中圖分類號:TP2文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0610011-02
一、引言
曹妃甸供水公司額定供水能力8200萬m3/年(22.5萬/d)。四臺泵全部接入一個匯總管道,然后通過兩條dn1200mm管道向工業(yè)區(qū)供水,水泵配用電機全部為800kw高壓6kv電機。供電系統(tǒng)采用單術锨隔離開關分段接線,變電站安裝兩臺主變.容量均為2500KVA,變壓器二次電壓為6kv,6kv開關柜裝于變電站一層,采用單母線分段接線。全廠設一套自動化監(jiān)控裝置,上位機設在電氣值班室,運行人員平時在中央值班室監(jiān)控全廠設備。泵房、加氯間、變電站各安裝一臺PLC。PLC與上位機采用以太網(wǎng)通訊。PLC采用歐姆龍CPU,軟件采用歐姆龍的CXONE編程軟件,上位機采用iFIX組太軟件。
二、系統(tǒng)構成
(一)概述
該網(wǎng)絡拓撲結構為總線型結構,硬件系統(tǒng)是采用工業(yè)以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡。每個分控站配備1套PLC系統(tǒng)和1臺監(jiān)控計算機。中央控制室配備2臺工控機和1個服務器。除一分站取水泵房的PLC站與中控室的管理計算機之間通過無線電臺進行數(shù)據(jù)交換外,各分控站之間以及分控站和中控室之間通過高速數(shù)據(jù)通道DH+(DataHighway Plus)進行通訊。
本系統(tǒng)包括生產(chǎn)過程自動采集和控制系統(tǒng)、全長閉路監(jiān)控系統(tǒng)。網(wǎng)絡系統(tǒng)采用集工控、管理、閉路監(jiān)控于一體的10/100Mbit/s光纖以太網(wǎng)通訊,并組成環(huán)網(wǎng)提高系統(tǒng)可靠性,同時通過軟件實現(xiàn)設備的彈性分組,使處于網(wǎng)絡任意位置的設備,根據(jù)不同功能分別處于同一物理區(qū)段。
本取水泵站,一期設一套可編程序控制器PLC,位于變配電間,一期自動控制系統(tǒng)由監(jiān)控管理計算機、可編程序控制器(PLCI)、現(xiàn)場儀表構成。
(二)硬件系統(tǒng)
1.監(jiān)控管理計算機。設監(jiān)控管理計算機二套,兩套計算機可分擔不同功能,故障時可互為備用。監(jiān)測管理計算機面向操作人員,通過PLC采集整個泵站的工藝參數(shù)、電氣參數(shù)及主要設備的運行狀態(tài)信息。據(jù)此對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行分析、處理、貯存、建立健全各類數(shù)據(jù)庫,對各工藝參數(shù)作出趨勢曲線,并能在線診斷各種故障、報警、記錄。通過簡單的鍵盤操作,可進行系統(tǒng)功能組態(tài)、在線修改、設置控制參數(shù)和給下位機下達指令。
監(jiān)控管理計算機的顯示器可顯示全廠的動態(tài)工藝流程圖、動態(tài)參數(shù)表、記錄趨勢曲線、自動生成各類報表,并通過打印機定時打印出來。操作人員可隨時利用鍵盤或鼠標器根據(jù)泵站的運行情況修正某些參數(shù)設定值,使系統(tǒng)始終工作在最佳狀態(tài)。報警系統(tǒng)的各種故障在中心控制室進行聲、光報警,并能將故障分類打印。
2.可編程序控制器(PLC)。PLCI面向工藝過程,完成對取水泵站的主要電氣設備和現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)采集工作并通過總線實時傳送給監(jiān)控管理計算機。通過對PLC的編程,實現(xiàn)取水泵站的控制功能。
PLC系統(tǒng)采用歐姆龍的CSI系列。配有CPU模塊、電源模塊、通訊處理器、I/O模塊等。
(1)CPU模塊(CSIG-CPU45H)CPU為32位微處理器,程序內(nèi)存大于60K步,程序存儲器袋保護開關,鋰電池保護程序,快閃存儲保護數(shù)據(jù)。LD指令的處理速度:20ns。
(2)I/O模塊的數(shù)據(jù)I/O表統(tǒng)計并可根據(jù)實際情況作適當調(diào)整,但必須有30%的備用點數(shù),以便今后擴展用。數(shù)字量輸入、輸出模塊為光電隔離型,并可帶電插拔。模擬量輸入、輸出模塊分辨率不低于14位。
(3)通訊模塊包括以太網(wǎng)、MB網(wǎng)通訊處理器等。
(4)電源模塊按系統(tǒng)所需的容量增加100%的備用容量。
3.通訊。取水泵站內(nèi)部過程控制系統(tǒng)級的采用以光纖為介質(zhì)的100/10Mbit/s以太網(wǎng)通訊。泵站與給水廠及管理站。
4.各子站劃分。PLC控制站的分布是根據(jù)工藝環(huán)節(jié)而設置的,可對工藝環(huán)節(jié)的各參數(shù)進行采集,并加以順序或邏輯及PID控制。在各分站都設置了手動/自動切換操作功能,使整個監(jiān)控網(wǎng)絡可實行三級控制,即就地手動控制、各分站PLC控制和中控室集中控制。
泵房子站PLC1置于泵房控制室,負責泵房內(nèi)全部設備的自動控制和數(shù)據(jù)采集。
變配電間子站PLC2置于變配電二樓,負責送水泵及35kv、6kv及數(shù)據(jù)采集。
加氯間子站PLC3置于加氯間控制室,負責加氯間內(nèi)部全部設備的自動控制和數(shù)據(jù)采集。
5.全廠閉路監(jiān)控系統(tǒng)。為進一步完善調(diào)度管理,對主要工段、工況、工藝設備、電氣、自控設備隨時隨地的觀測,并通過局域網(wǎng)隨時在不同計算機上瀏覽,使經(jīng)營管理能及時了解掌握現(xiàn)場情況,提前發(fā)現(xiàn)隱患及時處理,以保證取水泵站正常運行,同時也能精簡人員,在廠區(qū)及構筑物內(nèi)的關鍵部位設置閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有技術先進,穩(wěn)定可靠,經(jīng)濟實用,擴展靈活等特點。監(jiān)控中心位于中心控制室,內(nèi)設視頻工控機二臺,帶以太網(wǎng)卡,主輔監(jiān)視器一臺。
(三)軟件結構
兩個軟件平臺:一個是在PLC處理器中運行的梯形圖軟件logix5,另一個是在監(jiān)控計算機中運行的人機接口監(jiān)控軟件RSView32。服務器上安裝Windows2000Server,SQL Server數(shù)據(jù)庫軟件。
三、控制說明
(一)監(jiān)控要求
1.全部工藝設備及儀表的運行狀態(tài)信號、模擬量均能在中控室監(jiān)控管理計算機上檢測,當設備故障時分別在中控室和PLC子站報警。
2.以上控制中涉及到的全部參數(shù)設定值均可在中控室監(jiān)控管理計算機上設定修改。
3.按照I/O表的編程要求進行編程,全部要求自動控制的設備均可在中控監(jiān)控管理計算機上通過軟按鍵手動啟動。
(二)進水口預警系統(tǒng)
進水口設PH計、濁度計、溶氧儀等檢測儀表,當儀表檢測的水質(zhì)高于設定值時,啟動報警裝置,操作人員根據(jù)情況酌情處理。信號傳送至供水廠。
(三)泵房真空泵系統(tǒng)的控制
該系統(tǒng)設二臺真空泵及相應的電磁閥。在啟動某臺水泵之前,首先檢測泵池液位,當泵池液位高于設定水位(28.62米)時,則不許啟動真空泵而直接送水泵電機,當泵池液位等于或低于設定水位時,則首先啟動真空泵系統(tǒng),先打開相應的送水真空泵管路電動閥,在啟動真空泵,當PLC接受到真空罐高液位信號(抽真空完成信號)后,在啟動送水泵電機,同時關閉送水泵電磁閥,延時一點時間(時間可設定),按同樣方法啟動下一臺送水泵。
(四)加氯控制
該系統(tǒng)為一點加氯,加氯點分別位于兩組進水池前,設三臺加氯機,二用一各每一前池對應四臺送水泵,每臺送水泵后設流量計。PLC將每四臺(一期二臺)流量計的流量進行累加,并將累計值之通過D0模塊輸送給加氯機。同時在監(jiān)控管理計算機上顯示出水余氯值,并帶有高低限報警。
前加氯采用與源水流量成正比例的開環(huán)控制方式;后加氯則以濾后水流量作為前饋量,清水池入口余氧值作為反饋量,在PLC中組成一個前饋一反饋閉環(huán)比例控制系統(tǒng),以輸出量控制加氯機的流量。
控制還能夠?qū)崿F(xiàn)切換加氯氣瓶、漏氯報警和開啟漏出氯氣的中和設各。
(五)送水泵控制
設八臺送水泵(一期四臺,三用一備,并且2臺水泵帶有變頻調(diào)節(jié)裝置)分二組。每組有一臺泵配有變頻裝置,PLC接受管網(wǎng)的4~20mA壓力信號于給定值進行比較,按照PID閉環(huán)調(diào)節(jié)算法通過變頻,改變電機轉(zhuǎn)速,調(diào)節(jié)送水量,同時根據(jù)用戶端的流量總和確定管網(wǎng)的需水量,制定合理的專家處理系統(tǒng)或模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。在編程過程中水泵的運行調(diào)節(jié)應遵循下列原則:
(1)保證管網(wǎng)壓力恒定。
(2)為避免泵的頻繁啟停,允許管網(wǎng)壓力存在5%的誤差。
(3)保證每臺水泵的投運次數(shù)及運行時間基本均等。
(4)當管網(wǎng)壓力低于正常值時(可在監(jiān)控管理計算機上設定)送水泵在維持最低用水量的情況下停部分送水泵,及時確定并解決故障。
(5)由PLC實現(xiàn)泵閥連鎖,開順序:先開泵后開相應的電動閥,關順序:先關閥后關泵。
取水泵房分控站在全自動控制方式下,能根據(jù)水位、出廠水流量和進水量決定水泵的開啟臺數(shù)。4臺水泵(3用1備)采用自然順序建立循環(huán)隊列,按隊列順序依次啟動泵,并按先啟動先停止、累計運行時間少的先啟動、累計運行時間多的先停止的原則輪換工作。
(六)35KV、6KV系統(tǒng)
該系統(tǒng)由后臺管理機通過以太網(wǎng)實現(xiàn)與全廠的控制系統(tǒng)通訊,在中控室只監(jiān)視電力系統(tǒng)的運行狀態(tài),不遙控。監(jiān)視信號在監(jiān)控管理計算機上顯不。
四、光纖數(shù)據(jù)傳輸
傳輸一路視頻兩路雙向數(shù)據(jù)光放射機/接收機,利用波分復用原理,將一路視頻信號、兩路雙向數(shù)據(jù)信號通過一根單?;蚨嗄9饫w實現(xiàn)雙向遠距離傳輸,最大可將標準一路視頻信號、兩路雙向數(shù)據(jù)信號不失真無中繼的傳輸60km,它利用鎖相調(diào)頻技術,不需增益補償,專業(yè)的設計可與多種控制系統(tǒng)兼容,具有很大的光動態(tài)范圍。
其特點為可通過一根光纜傳輸高質(zhì)量的一路視頻信號、兩路雙向數(shù)據(jù)信號;最大傳輸距離可達60kin:單摸或多模工作方式;視頻帶寬5HZ-8HZ、音頻帶寬100HZ-4KHZ=PAL/SHCAM/NTSC多種制式兼容;采用視頻鎖相調(diào)頻技術、免調(diào)試:帶APC電路,輸出光功率恒定,動態(tài)范圍大且具有RS232/RS422/RS485/TTL多種數(shù)據(jù)接口,另外,還支持多種數(shù)據(jù)格式。
五、組態(tài)控制
1、工控機??刂浦行臋z測計算機采用一臺高性能IPC(工控機)。
2、組態(tài)軟件。通用組態(tài)軟件,Ifix和INTOUCH組態(tài)軟件在我國均有廣泛應用通用工業(yè)自動化組態(tài)軟件能夠很好的解決傳統(tǒng)工業(yè)軟件存在的種種問題,是用戶能根據(jù)自己的控制對象和控制目的的任意組態(tài),完成最終的自動化控制工程。
iFIX是Intellution Dynamicsl業(yè)自動化軟件解決方案家族中的HMI/SCADA軟件組件,專為Windows 2000/NT而設計,并能夠更準確的監(jiān)視和控制他們生產(chǎn)過程的所有環(huán)節(jié)。它還可以實時收集數(shù)據(jù)并且將重要的信息傳輸?shù)秸麄€組織中的操作員及各級經(jīng)理,同時通過容易理解的畫面將數(shù)據(jù)反映出來。其特點包括:過程可視化:實時和歷史趨勢;監(jiān)控;數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理;用戶綜合報表:報警和報警管理:Intellution WorkSpaceTM開發(fā)環(huán)境;內(nèi)置VHA;Microsoft SOL Server等。
IFIX是開放式的,并運用了Microsoft一系工業(yè)標準技術,例如COM/DCOM、ActiveX、BVA、Windows 2000/NT和90PC。
六、自動化儀表設計
配合計算機自控系統(tǒng),在取水泵站各個工藝流程設置了與工藝流程適應的必要參數(shù)監(jiān)測儀表系統(tǒng),各儀表監(jiān)測到的4~20mA標準信號,先送到PLC,通過總線送到監(jiān)控管理計算機。全部儀表均采用帶現(xiàn)場顯示的智能型儀表。
1、分別在兩路出水總管裝設超聲波時差流量計和壓力變送器,用于流量計量和恒壓供水控制,并將數(shù)據(jù)送至PLC。并設余氯儀用于檢測出水余氯值。
2、分別在送水泵出口設壓力變送器。
3、泵池安裝超聲波液位計用于監(jiān)視泵池液位。
4、變電站在高壓進線及變壓器設智能電量變送器。
高壓監(jiān)測系統(tǒng)主要通過智能電量變送器將以下信號通過通訊總線送往PLCI和監(jiān)控管理計算機上監(jiān)測。
1#進線柜:分/合閘、故障、電流、電壓、有功功率、無功功率。
2#進線柜:分/合閘、故障、電流、電壓、有功功率、無功功率。
1#變壓器柜:分/合閘、故障、電流、電壓、溫度、有功功率。
2#變壓器柜:分/合閘、故障、電流、電壓、溫度、有功功率。
七、網(wǎng)絡結構特點
1、一分站和三分站工控機與PLC的通信采用RS-232C通信方式,而二分站,中控室的2臺工控機(ZKI、ZK2)則通過歐姆龍公司的PKTX卡在DH+網(wǎng)上實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。
2、中控室的2臺工控機中插入以太網(wǎng)卡(型號為ALPHA 100/10M自適應快速以太網(wǎng)卡),在中控室裝有D-Link100/10M,24口以太網(wǎng)交換機1臺,ZK1、ZK2工控機、兩臺計算機之間均通過以太網(wǎng)實現(xiàn)通信。
3、由于ZK1、ZK2的2臺工控機均在以太網(wǎng)上,通過相互拷貝與粘貼,可以做到2臺計算機互為備用,增大系統(tǒng)的運行可靠性。又由于此2臺計算機均在DH+網(wǎng)上,此2臺機器中又安裝了Logix5梯形圖軟件,進行必要的管理。RSVIHW32軟件直接采集各分站的數(shù)據(jù)。與一分站的通信仍延用無線數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)通信。
4、將ZK1、ZK2的2臺工控機設置為RSVIEW32 OPC服務器,而將服務器設置為RSVIEW32 OPC客戶機。服務器從ZK1或ZK2取得數(shù)據(jù)。若是設定ZK1為OPC服務器,如果ZK1發(fā)生故障,則只要在服務器的節(jié)點上將ZK1改變?yōu)閆K2即可。
八、應用效果
該計算機自動控制系統(tǒng)從一期試運行以來,一直穩(wěn)定運行,效果明顯。
1、大大提高了出廠水質(zhì)。自控系統(tǒng)對穩(wěn)定水質(zhì)起到了關鍵作用,出廠水濁度穩(wěn)定在標準以下,余氯值也非常穩(wěn)定,達到了國家飲用水標準。
2、節(jié)約了能耗,降低了藥耗。
3、提高了勞動生產(chǎn)率,大大節(jié)約了人力資源。
4、提高了企業(yè)的現(xiàn)代化管理水平。整個自動化控制系統(tǒng)維護方便、快捷,生產(chǎn)信息的傳送速度大大加快、將企業(yè)的管理水平提高了一個檔次。