1引言

    山西省太谷縣水廠引本縣龐莊水庫地上水進(jìn)行處理，是山西省國債資助重點(diǎn)工程之一，是為進(jìn)一步保護(hù)、節(jié)省地下水資源，深入發(fā)展城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)而建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)目。該水廠設(shè)計(jì)規(guī)模為日供水量1萬方，其主要建筑物有：一級泵房、斜管沉淀池（緩建）、V型濾池、清水池、二級泵房及加藥加氯間等，水處理工藝較先進(jìn)。

    龐莊水庫常年保持在高水位狀態(tài)，為減少運(yùn)行成本，在取水口與一級泵房出水口處加布一條旁通管道，這樣靠自流即能滿足水廠正常運(yùn)行供水量，在水庫水位較低時(shí)方運(yùn)行一級泵房供水，達(dá)到節(jié)能目的。為調(diào)整進(jìn)水量，在進(jìn)水管道上裝設(shè)一只電動調(diào)節(jié)碟閥。

    源水進(jìn)入水廠后，在源水管道上投加混凝劑PAC、絮凝劑PAM及一次加氯，經(jīng)靜態(tài)管道混合器混合后直接進(jìn)入微絮凝濾池進(jìn)行反應(yīng)過濾，該水廠濾池采用V型濾池，其反沖洗采用氣水混沖方式。

    處理后的水經(jīng)二級泵房提壓進(jìn)入縣城供水管網(wǎng)，為控制供水壓力采用變頻設(shè)備自動調(diào)節(jié)供水量。

    整個水廠的運(yùn)行基本實(shí)現(xiàn)了全自動控制，所有運(yùn)行參數(shù)都由在線數(shù)據(jù)采集設(shè)備自動采集，所采集運(yùn)行數(shù)據(jù)被送入PLC，PLC通過光纖采用Modbus/TCP協(xié)議與上位監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以監(jiān)視和控制水廠各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)設(shè)備的運(yùn)行。

    本文主要介紹杭州和利時(shí)公司自主研發(fā)的LM在水廠自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。水廠工藝過程復(fù)雜，為了實(shí)現(xiàn)水廠自動化運(yùn)行要求，圍繞LM PLC的優(yōu)越的性能設(shè)計(jì)了本工程的方案，方案中主要利用了LM PLC的模擬量處理、以太網(wǎng)通訊、串口通訊等功能，實(shí)現(xiàn)了以GPRS和以太網(wǎng)方式與SmartPro3.1.3監(jiān)控中心組成網(wǎng)絡(luò)。本工程系統(tǒng)性能穩(wěn)定、具有很高的可靠性，能在保證水廠正常工作。

    2 自動化控制系統(tǒng)組成

    該水廠自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用GPRS通訊與以太網(wǎng)通訊相結(jié)合方式，由監(jiān)控中心與五個PLC控制站構(gòu)成。控制系統(tǒng)組織網(wǎng)絡(luò)見圖1。

       

                                   圖1 控制系統(tǒng)組織網(wǎng)絡(luò)圖

    PLC控制站分為廠內(nèi)和廠外兩個部分，廠內(nèi)利用兩套PLC系統(tǒng)采集水廠流量、水位、電壓、電流、濁度、加氯量等信號，兩套系統(tǒng)主要設(shè)備都裝配在兩個PLC機(jī)柜中，機(jī)柜上安裝Eview的一個觸摸屏，可以進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控。兩個PLC控制柜分別安裝在二級泵房和加藥加氯間，通過光纖組成以太網(wǎng)與上位SmartPro監(jiān)控中心連接。

    廠外有三個PLC控制站，這三個系統(tǒng)比較簡單，其中兩個控制站用來測量管網(wǎng)末端壓力，另一個控制站調(diào)節(jié)遠(yuǎn)處進(jìn)水管道上的電動調(diào)節(jié)碟閥。這三套系統(tǒng)基于GPRS技術(shù)與監(jiān)控中心通訊，主要是通過深圳宏電公司DTU和移動公司GPRS網(wǎng)絡(luò)來完成。DTU主要完成PLC與監(jiān)控中心數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，PLC通過RS232串口與宏電的DTU通訊，DTU再通過移動公司GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入INTERNET，與有固定IP地址的SmartPro監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

    監(jiān)控中心由兩個操作員站組成，兩個操作員站同時(shí)又作為一主一從服務(wù)器用來存儲實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，服務(wù)器上裝有SmartPro組態(tài)軟件做為上位監(jiān)控界面。

    3 控制系統(tǒng)功能介紹

    本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用三種控制方式，即監(jiān)控中心遠(yuǎn)程控制、現(xiàn)場PLC控制、設(shè)備現(xiàn)場手動控制等，其優(yōu)先級別分別為現(xiàn)場手動控制最高，其次為現(xiàn)場PLC控制，最低為監(jiān)控中心遠(yuǎn)程控制。

    各自動控制單元實(shí)現(xiàn)的功能分別是：

    壓力測量站：采用LM 系列PLC LM3109和LM3310模塊，裝在一個PLC控制箱中。主要實(shí)現(xiàn)的功能是將采集到水網(wǎng)末端的壓力值每隔一段時(shí)間就向監(jiān)控中心發(fā)送一次，監(jiān)控中心根據(jù)傳上來的壓力值可以調(diào)整二次泵房恒壓供水的出口壓力設(shè)定值。
調(diào)節(jié)閥控制站：采用LM系列PLC LM3109、LM3310和LM3320模塊，裝在一個PLC控制箱中。主要實(shí)現(xiàn)的功能有：采集取水電動機(jī)、電動蝶閥及現(xiàn)場儀表的狀態(tài)信號及數(shù)據(jù)信號并對以上設(shè)備發(fā)送控制信號，通過預(yù)裝PID調(diào)節(jié)程序自動調(diào)節(jié)電動機(jī)運(yùn)行頻率和電動調(diào)節(jié)蝶閥的開度：

    ◆取水泵電機(jī)、閥門運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及控制；

    ◆接受監(jiān)控中心控制指令、工藝參數(shù)的整定指令，并判斷其正確性、可行性后加以執(zhí)行；

    ◆采集單泵進(jìn)、出口壓力和出水總管壓力及原水濁度、PH值等數(shù)據(jù)；

    ◆根據(jù)水庫水位的高低，其控制運(yùn)行方式有兩種：

    第一種運(yùn)行方式是：水庫水位較低時(shí)一級泵房水泵機(jī)組投入運(yùn)行，根據(jù)折板反應(yīng)池的水位反饋信號，通過預(yù)裝PID調(diào)節(jié)程序調(diào)節(jié)1#、2#電機(jī)的變頻器的運(yùn)行頻率，以實(shí)現(xiàn)折板反應(yīng)池水位的恒定運(yùn)行；

    第二種運(yùn)行方式是：水庫水位較高時(shí)，開啟原水旁路閥門，實(shí)現(xiàn)原水的供水自流，達(dá)到節(jié)能運(yùn)行目的，同時(shí)根據(jù)折板反應(yīng)池的水位反饋信號，通過預(yù)裝PID調(diào)節(jié)程序自動調(diào)節(jié)閥門開度，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)水的自動調(diào)節(jié)。

    加藥加氯間站：采用LM系列PLC CPU模塊LM3109、4個模擬量輸入LM3310、以太網(wǎng)模塊LM3403和模擬量輸出LM3320模塊，裝在一個PLC控制柜中。主要實(shí)現(xiàn)的功能有：采集加藥加氯間和濾池中現(xiàn)場設(shè)備和儀表的狀態(tài)信號和數(shù)據(jù)信號，并對其發(fā)送控制信號，通過自動控制程序?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的自動運(yùn)行控制。

    加藥加氯過程和濾池過濾過程功能：

    ◆根據(jù)原水流量自動控制加礬量和前加氯量；

    ◆根據(jù)濾后水余氯反饋信號控制后加氯投加量；

    ◆攪拌機(jī)、計(jì)量泵等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測；

    ◆氯源運(yùn)行工況監(jiān)測，并自動完成氯瓶的切換；

    ◆檢測漏氯報(bào)警信號并自動開啟氯氣中和設(shè)備；

    ◆采集進(jìn)水流量、水質(zhì)參數(shù)（包括沉淀池出水濁度、濾池出水濁度、加氯后余氯等）、液位、氯瓶重量、加氯加藥量等信號；
 
    ◆操作終端上動態(tài)顯示工藝檢測參數(shù)和設(shè)備工作狀態(tài)并實(shí)時(shí)向控制室傳送數(shù)據(jù)；

    ◆根據(jù)清水池液位的變化趨勢控制1#-至3#濾池的進(jìn)水閥門的開啟與關(guān)閉，使清水池的液位保持在設(shè)定范圍內(nèi)，避免清水池溢流；

    ◆實(shí)時(shí)采集每格濾池的運(yùn)行水位和水頭損失，根據(jù)濾池水位，通過預(yù)裝PID調(diào)節(jié)程序調(diào)節(jié)清水閥的開啟度，實(shí)現(xiàn)濾池恒水位過濾；

    ◆對濾格的進(jìn)水、出水等閥門進(jìn)行故障檢測、判斷并進(jìn)行故障時(shí)保護(hù)控制，特別是與之相關(guān)的設(shè)備必須同時(shí)進(jìn)行保護(hù)控制；

    ◆實(shí)時(shí)向中央控制計(jì)算機(jī)傳送工藝檢測參數(shù)和設(shè)備工作狀態(tài)信號；

    ◆接受中央控制室下達(dá)的控制指令，包括對某個濾池進(jìn)行強(qiáng)制沖洗的指令等（濾池中的反沖洗系統(tǒng)是獨(dú)立的，并不在本文介紹范圍內(nèi)），判斷其正確性、可行性后加以執(zhí)行；

    二級泵房站：采用LM系列PLC CPU模塊LM3109、4個模擬量輸入LM3310、以太網(wǎng)模塊LM3403和模擬量輸出LM3320模塊，裝在一個PLC控制柜中。主要實(shí)現(xiàn)的功能有：采集現(xiàn)場設(shè)備和儀表的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)信號，并根據(jù)用戶實(shí)際的用水情況，通過預(yù)裝PID調(diào)節(jié)程序自動調(diào)節(jié)電動機(jī)運(yùn)行頻率，達(dá)到恒壓供水的目的：

    ◆二級泵房機(jī)組電動機(jī)、出水閥門、引真空設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測與控制；

    ◆泵房排水泵運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測； 

    ◆采集相關(guān)水質(zhì)儀表數(shù)據(jù)信號，包括出廠水濁度、PH值、余氯等；
 
    ◆采集清水池、吸水井液位、單泵出口壓力和出水總管壓力、出水總管流量、電機(jī)工作電壓和電流等信號；

    ◆根據(jù)出水總管實(shí)際壓力自動開啟或關(guān)閉水泵運(yùn)行臺數(shù)，并通過預(yù)裝PID調(diào)節(jié)程序調(diào)節(jié)2#或3#電機(jī)變頻器的運(yùn)行頻率，達(dá)到恒壓供水的目的；

    ◆以吸水井液位的低限值作為1#-至4#泵的停機(jī)保護(hù)依據(jù)，以避免電機(jī)空轉(zhuǎn)；

    ◆操作終端上動態(tài)顯示工藝檢測參數(shù)和設(shè)備工作狀態(tài)并實(shí)時(shí)向控制室傳送數(shù)據(jù)；

    ◆接受中央控制室下達(dá)的控制指令、工藝參數(shù)的整定指令，并判斷其正確性、可行性后執(zhí)行。

    監(jiān)控中心

    本水廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用SmartPro3.1.3系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供了友好的人機(jī)界面(見圖2全廠工藝流程圖)，具備如下功能：
 
    1 實(shí)現(xiàn)了工藝流程監(jiān)控

    該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水廠整體工藝流程、各主要工藝設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、過程控制及各生產(chǎn)環(huán)節(jié)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與顯示，主要畫面有：全廠工藝流程圖、一級泵房工藝流程圖、濾池工藝流程圖、二級泵房工藝流程圖、加藥加氯間工藝流程圖及在線儀表實(shí)時(shí)參數(shù)顯示表、生產(chǎn)數(shù)據(jù)歷史趨勢圖等。實(shí)現(xiàn)的工藝生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控功能有：所有被監(jiān)控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、啟停控制、設(shè)備與設(shè)備之間的連鎖控制、工藝參數(shù)的PID設(shè)定以控制設(shè)備開啟度，以及設(shè)備溫度、電流、壓力、液位、流量等參數(shù)的顯示、報(bào)警、記錄、趨勢以及累積量計(jì)算等。

    2 調(diào)節(jié)回路顯示與控制

    包括設(shè)備開度調(diào)節(jié)、運(yùn)行頻率調(diào)節(jié)、投加量調(diào)節(jié)等所有調(diào)節(jié)回路，可修改設(shè)定值、控制方式、調(diào)節(jié)參數(shù)等。
        
        

                             圖2 全廠工藝流程圖
 
    3 報(bào)警功能

    包括工藝數(shù)據(jù)報(bào)警、設(shè)備故障報(bào)警、系統(tǒng)故障報(bào)警，并根據(jù)不同的報(bào)警信息提供不同的報(bào)警畫面，在故障確認(rèn)后可實(shí)現(xiàn)報(bào)警解除。

    4 歷史數(shù)據(jù)的存儲與檢

    記錄生產(chǎn)過程中所有參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，記錄時(shí)間不小于一個月，并可根據(jù)要求任意設(shè)置。對重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線存儲。可以通過歷史報(bào)表或者歷史趨勢曲線的方式來檢索歷史數(shù)據(jù)。

    統(tǒng)計(jì)分析、歷史記錄，根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，建立生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有目的的分析，可以做出不同角度、不同應(yīng)用場合的數(shù)據(jù)分析和歷史記錄。

    5 操作記錄

    記錄生產(chǎn)過程中操作員所進(jìn)行的所有操作，記錄時(shí)間不小于一個月，并根據(jù)要求任意設(shè)置。

    6 報(bào)表顯示和打印

    采用了DDE技術(shù)，從而使用戶能夠直接使用Excel編制報(bào)表，借助Excel的強(qiáng)大功能，用戶可以隨心所欲地編制各種各樣的報(bào)表，可以是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的報(bào)表，也可以是歷史數(shù)據(jù)的報(bào)表。報(bào)表打印所有受控設(shè)備的工作情況、工作狀態(tài)，儀表測點(diǎn)設(shè)備的溫度、流量、壓力、液位等參數(shù)的定時(shí)記錄打印，以及各種管理報(bào)表，班報(bào)表、日報(bào)表、月報(bào)表和年報(bào)表。

    7 系統(tǒng)的安全管理

    對重要設(shè)備的操作、重要參數(shù)的修改均會自動記錄，包括登錄的操作員、對設(shè)備進(jìn)行的操作、時(shí)間以及修改前的參數(shù)值、修改后的參數(shù)等，以利于進(jìn)行管理及事故分析；系統(tǒng)設(shè)置為多用戶、多區(qū)域方式，各類用戶均有自己的用戶名和密碼，對應(yīng)著不同的安全級別，決定了操作員可觀察的范圍、可使用的功能、可修改的參數(shù)等。最多可以設(shè)置為8級用戶、8級區(qū)域。

    4 控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)介紹

    SmartPro是監(jiān)控中心采用的SCADA軟件，它要以GPRS和以太網(wǎng)的兩種方式與PLC通訊。

    GPRS 是通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service)的英文簡稱，是在現(xiàn)有GSM 系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM 用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，是一種新的移動數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，在移動用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接，給移動用戶提供高速無線IP。GPRS DTU是支持GPRS技術(shù)的一種通訊設(shè)備，通過RS－232通訊口完成與PLC的數(shù)據(jù)交互。PLC定時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS DTU，同時(shí)PLC實(shí)時(shí)接收DTU發(fā)來的數(shù)據(jù)完成相應(yīng)控制功能，GPRS DTU發(fā)送數(shù)據(jù)的過程為：數(shù)據(jù)送到中國移動GPRS網(wǎng)絡(luò)中，然后再經(jīng)過INTRNET，最后在數(shù)據(jù)中心通過ADSL進(jìn)行接收，數(shù)據(jù)中心路由器收到各站的數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)發(fā)到指定端口的數(shù)據(jù)服務(wù)器上，GPRS DTU接收數(shù)據(jù)的過程為發(fā)送數(shù)據(jù)的反過程。GPRS DTU在收到PLC發(fā)來的數(shù)據(jù)會立即轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)中心。根據(jù)本工程實(shí)際情況，PLC每次向DTU發(fā)送幀格式數(shù)據(jù)量為140字節(jié)，接受幀格式數(shù)據(jù)量同樣為140字節(jié)，包括所有模擬量和開關(guān)量。

    DTU在使用前，先要進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，參數(shù)設(shè)定主要指三個參數(shù)，一個是DTU 身份識別碼，當(dāng)系統(tǒng)中有多個DTU時(shí)通過它識別不同的DTU；另個是數(shù)據(jù)中心的IP地址，指明DTU與那個地址連接；再有就是串口通訊參數(shù)，要和PLC串口的通訊參數(shù)相同，才能和PLC建立起通訊。用戶可以通過超級終端，串口調(diào)試工具，以及DTU公司提供的配置工具這三種方式給DTU進(jìn)行參數(shù)配置。只有設(shè)置正確的DTU才可以和SmartPro監(jiān)控中心通訊，SmartPro工程與 GPRS-DTU的通訊一定要通過一個由SmartPro 開發(fā)部門專有的開發(fā)工具，就是一個SmartPro通過網(wǎng)卡接受/發(fā)送數(shù)據(jù)包的一個驅(qū)動程序。這個驅(qū)動程序一定要放到相應(yīng)的SmartPro工程存放的目錄中才能起作用，在運(yùn)行SmartPro工程后要啟動這個驅(qū)動程序，這樣就可以在內(nèi)部設(shè)備中操作DTU傳輸?shù)臄?shù)據(jù)了。

    以太網(wǎng)是一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于CSMA/CD（載波偵聽/碰撞檢測）控制各節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)的訪問，在中等通信量時(shí)，以太網(wǎng)技術(shù)是非常有效的，高性能的。以太網(wǎng)是目前開放性最好的網(wǎng)絡(luò)，為大多數(shù)廠家的工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品所應(yīng)用，能夠輕松滿足用戶將來的擴(kuò)容需要，從而能夠很好保護(hù)用戶的投資。SmartPro 軟件系統(tǒng)本身提供對MODBUS TCP/IP 協(xié)議的支持，同樣LM系列PLC中的以太網(wǎng)模塊也支持所有MODBUS TCP/IP協(xié)議，所以SmartPro工程與PLC工業(yè)以太網(wǎng)通訊可以順利完成，直接組態(tài)中建立MODBUS TCP設(shè)備即可。本工程中SmartPro 工程的I/O 服務(wù)器與兩個LM PLC控制柜通過交換機(jī)和鎧裝光纖組成星型網(wǎng)絡(luò)。

    在PLC控制柜上還有一個Eview的觸摸屏，屏的程序主要顯示水廠內(nèi)的參數(shù)和對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制，完成現(xiàn)場PLC控制層作用。加藥加氯間站的屏顯示數(shù)據(jù)和控制設(shè)備與二級泵站的屏是不同的，是根據(jù)每個站的功能不同而編寫的。屏進(jìn)入畫面如下：

              


    在本工程中下位程序根據(jù)程序段實(shí)現(xiàn)功能不同，主要可以分為數(shù)據(jù)采集程序、自由口通訊程序、以太網(wǎng)通訊程序和動作執(zhí)行程序，采用LM PLC程序編寫軟件PowerPro編寫。

    5結(jié)論

    本文介紹了采用LM系列PLC的水廠自動化控制系統(tǒng)。在現(xiàn)今水廠自動化控制系統(tǒng)大部分采用中大型PLC的情況下，LM系列小型一體化PLC以其強(qiáng)大的功能取代了中大型PLC應(yīng)用到水廠自動化控制系統(tǒng)中,達(dá)到了智能化控制的目的，滿足了可靠性和安全性的要求，同時(shí)減小了系統(tǒng)空間，降低了系統(tǒng)的成本。

    參考文獻(xiàn)

    [1] 杭州和利時(shí)自動化有限公司. LM硬件手冊，2006

    [2] 杭州和利時(shí)自動化有限公司. LM軟件手冊，2006

    [3] 杭州和利時(shí)自動化有限公司. HOLLiAS-LEC SmartPro使用手冊，       2006