PLC與ModbuS的實現(xiàn)及在自來水廠控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要面對日益增長的供水需求和日益繁雜的供水網(wǎng)絡(luò),自來水廠面臨著如何實現(xiàn)滿意供水,節(jié)省成本及提高水處理及水輸送效率等諸多課題。本文在闡述自來水廠取水、凈水及供水等主要工藝環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上,探討以PLC為基礎(chǔ)的通過ModbuS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)自來水廠各工藝流程的集中管理功能的控制系統(tǒng)在自來水廠水處理過程中的應(yīng)用,期望這種結(jié)合計算機通訊技術(shù)、工業(yè)控制技術(shù)為一體的控制系統(tǒng)可以滿足當(dāng)下發(fā)展的各種需要。

關(guān)鍵詞PLC;ModbuS;自來水廠

中圖分類號TP27文獻標(biāo)識碼A文章編號1673-9671-(2009)112-0011-01

隨著供水市場化程度的不斷發(fā)展,至2008年底,全國城市供水普及率已超過95%,全國供水綜合生產(chǎn)能力也達到了28000萬立方米/天。與此同時,面對日益增長的供水需求和日益繁雜的供水管道,自來水廠面臨著如何利用現(xiàn)代化科技手段實現(xiàn)實現(xiàn)滿意供水,節(jié)省成本及提高水處理及水輸送效率等諸多課題。而結(jié)合計算機通訊技術(shù)、工業(yè)控制技術(shù)為一體的,以PLC為基礎(chǔ)的通過ModbuS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)自來水廠各工藝流程的集中管理功能的控制系統(tǒng)正是迎合這種需求而產(chǎn)生的現(xiàn)代信息技術(shù)系統(tǒng)。

1自來水廠自動化控制的基本組成單元與通訊協(xié)議選擇

伴隨著自動化技術(shù)的發(fā)展和進步,自來水廠的自動化技術(shù)也在不斷的提高。當(dāng)下的水處理控制系統(tǒng)不僅要求水處理過程自動化,而且要較長時間的保持生產(chǎn)過程處于最優(yōu)的生產(chǎn)狀態(tài)。控制系統(tǒng)除了符合供水的工藝流程、保障正常的供水需求之外,還應(yīng)具有良好的擴展能力和升級空間,保證數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確及時輸送,具有遠程遙控和遙測等控制功能。因此當(dāng)下自來水廠控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該謹(jǐn)慎選擇設(shè)備,利用先進的電腦和控制器,采用高效率的控制算法,譜以設(shè)計良好的人機界面,通過合適的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組建穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其中,控制器和通信協(xié)議的正確選擇是關(guān)鍵之一。本文擬以可編程程序控制器PLC (Programmable Logic Controller)為基礎(chǔ)組成元件,采用 ModbuS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來搭建該控制系統(tǒng)。

PLC是結(jié)合了自動化控制技術(shù)和計算機通訊技術(shù),以微處理器為基礎(chǔ)組成的一種工業(yè)自動控制裝置,在處理模擬量、數(shù)字運算、人機接口和網(wǎng)絡(luò)各方面都有顯著運用,具有高可靠性,強抗干擾性,多功能性,編程簡單,維護方便等特點,在自來水廠中的應(yīng)用越來越廣泛, 發(fā)揮著越來越大的作用。PLC不但能夠提高自來水廠自動化水平,加快生產(chǎn)速度,降低生產(chǎn)成本,而且還可以提高供水質(zhì)量。當(dāng)前,系統(tǒng)的控制部分以PLC為核心,負(fù)責(zé)現(xiàn)場模擬量、開關(guān)量的采集、實際控制信號的輸出及對上位機的數(shù)據(jù)通訊。

通訊系統(tǒng)是自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ),通訊系統(tǒng)的性能可靠性直接決定了自動化系統(tǒng)的性能可靠性。通訊系統(tǒng)的設(shè)計是自動化系統(tǒng)成敗和性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。從整個供水系統(tǒng)硬件實現(xiàn)中可以很清晰的看到,整個系統(tǒng)中的設(shè)備數(shù)量眾多,種類繁雜。對于這些型號、廠家各異的設(shè)備,如何在我們己經(jīng)建立的通訊網(wǎng)絡(luò)上使其正常、高效的工作,將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、及時的傳輸,這就需要使用正確的通訊協(xié)議。通訊協(xié)議是指為了可靠地傳輸和接收信息,通訊雙方必須遵守共同認(rèn)可的通訊規(guī)則。目前,主要的通訊協(xié)議共有4種標(biāo)準(zhǔn),分別為:EtherNet /IP、IDA和Modbus TCP/IP、ProfiNet、FFHSE,這4種標(biāo)準(zhǔn)目前暫不能完全兼容,但其中EtherNet/IP、IDA和ModbusTCP/IP、ProfiNet3個標(biāo)準(zhǔn)正朝著統(tǒng)一的方向發(fā)展。ModbuS協(xié)議是由Modicon公司1978年開發(fā)的,其最早是為 ModiconPLC和其它自動控制設(shè)備的集成而設(shè)計的,具有PLC的結(jié)構(gòu)特點?，F(xiàn)己成為智能型設(shè)備之間建立主從式或客戶機一服務(wù)器通訊標(biāo)準(zhǔn)之一。在工業(yè)自動化領(lǐng)域中,它是一個國際化、標(biāo)準(zhǔn)化、實際地開放式和最廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議。

ModbuS協(xié)議規(guī)定了一個與基礎(chǔ)通訊層無關(guān)的簡單協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU),網(wǎng)絡(luò)上的ModbuS協(xié)議映射能夠在應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(AOU)上引入一些附加域。啟動ModbuS事務(wù)處理的客戶機創(chuàng)建PDU,其中的功能碼向服務(wù)器指示將執(zhí)行哪種操作,功能碼后面是含有請求和響應(yīng)參數(shù)的數(shù)據(jù)域。在ModbuS 網(wǎng)絡(luò)上使用通訊時,這個通訊協(xié)議可以讓每一臺控制器知道它本身的設(shè)備地址,識別尋址的數(shù)據(jù),從而判斷應(yīng)該運算的數(shù)據(jù)類型,讀取出數(shù)據(jù),并使用ModbusS通訊協(xié)議將此信息傳送出去。透過 ModbusS通訊協(xié)議,控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間便可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

2自來水廠控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

自來水廠處理自來水的工藝過程一般包括水泵順利取水、通過混凝劑的制備與投放達到混凝、沉淀、過濾、利用供水管道送水等。且近年來,由于供水的需要和技術(shù)的進步,人們對供水系統(tǒng)的監(jiān)控越來越關(guān)注。當(dāng)下,自來水廠自動化應(yīng)用最多的是將工業(yè)電腦和PLC 組成控制系統(tǒng), 系統(tǒng)中一般PLC可以簡化為取水系統(tǒng)PLC1、凈水系統(tǒng)PLC2、供水系統(tǒng)PLC3,監(jiān)控系統(tǒng)PLC4,通過控制系統(tǒng)對各種水處理設(shè)備和實時參數(shù)進行檢測,進行實時數(shù)據(jù)交換及各站點之間的數(shù)據(jù)交換,進而實現(xiàn)對處理過程的自動控制。以下重點闡述PLC、ModbuS在取水系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)中的運用。

2.1取水系統(tǒng)PLC1

取水自控系統(tǒng)PLC1控制原理如圖1所示,由水位傳感器→PLC→水泵機組等構(gòu)成一個環(huán)閉系統(tǒng)。PLC主要用于采集數(shù)據(jù)參數(shù),主要包括水源的PH 值、流量、溫度、濁度等,接受并執(zhí)行來自中央計算機的正確指令和參數(shù)變更,更加重要的是將原水泵及吸水井的運行狀態(tài)及其參數(shù)傳送至運算計算機進行分析。ModbuS協(xié)議可以保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟、不失真,滿足響應(yīng)速度的需要,有利于遠程控制的實現(xiàn)。

2.2供水系統(tǒng)PLC3

供水系統(tǒng)PLC3的目的主要是實現(xiàn)對送水泵的控制,接受并執(zhí)行來自中央計算機的正確指令和參數(shù)。在程序控制設(shè)計中,一旦進入小流量值域,系統(tǒng)將自動進入休眠狀態(tài)。只有壓力傳感器檢測到供水管網(wǎng)壓力降低至程序設(shè)定的最低值時,系統(tǒng)才自動蘇醒并進行供水。確保供水壓力恒定是程序設(shè)計的關(guān)鍵。PLC3控制原理如圖2所示,由壓力傳感器→PLC→變頻器→水泵機組構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)中PLC主要檢測的參數(shù)包括變電所總電流、有功功率、電壓、分路電流、有功功率、總電路開關(guān)、分路開關(guān)運行狀態(tài)、時間記錄、出廠水閥開度、超開/ 超關(guān)限位、出廠水閥開關(guān)限位等。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)PLC4

監(jiān)控系統(tǒng)PLC4由監(jiān)控中心和各個水源監(jiān)測點組成,主要目的是方便自來水廠對供水各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)進行采集和必要監(jiān)控,是自來水控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由監(jiān)控中心采集和控制各個水源監(jiān)測點的數(shù)據(jù),比如各個水源監(jiān)測點的水位、壓力、流量、濁度、余氯、泵頻等各種數(shù)據(jù),目的是實現(xiàn)水壓、水源流量的數(shù)據(jù)傳送,水壓閥門開關(guān)的自動控制以及降低設(shè)備故障率和提高對控制系統(tǒng)的反應(yīng)時間。目前的實踐中,主要是在全城的輸配水管末梢、主要輸配水管、易故障區(qū)域的輸配水管節(jié)點上安裝遠程端站設(shè)備。設(shè)備包括傳感器、可編程控制器PLC和遠程傳輸?shù)碾娕_。

PLC主要工作原理是:首先,傳感器將水壓、水流量等物理狀態(tài)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電流信號,輸入PLC;其次,PLC將輸入信號轉(zhuǎn)換成特定常量保存在內(nèi)部緩沖模塊的固定位置;第三,PLC將緩區(qū)的數(shù)據(jù)讀出,通過電臺和天線發(fā)送定向/全向信號,向位于公司總部的監(jiān)控中心輸送數(shù)據(jù);第四,監(jiān)控中心接收到信號后,轉(zhuǎn)化為對應(yīng)數(shù)據(jù)包,將數(shù)據(jù)包發(fā)送到監(jiān)控主機,經(jīng)過主機內(nèi)的監(jiān)控軟件處理,最終以合適的形式顯示在監(jiān)控屏幕上,供操作人員分析使用。

3 總結(jié)

目前,我國城市供水系統(tǒng)在發(fā)展中存在諸多問題,嚴(yán)重制約了經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活的提高。依托現(xiàn)代化技術(shù)手段對自來水生產(chǎn)過程進行控制和管理,提高供水設(shè)備運行效率和可靠性,節(jié)省寶貴的水資源,是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢,是自來水廠取得長足發(fā)展的關(guān)鍵。隨著自動化控制技術(shù)的應(yīng)用以及自來水廠的技術(shù)升級,PLC控制技術(shù)等一系列自動化控制技術(shù)必將在自來水處理工程中得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻

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作者簡介:

梁遠錦(1981-),男, 在讀控制工程專業(yè)工程碩士,助理電子工程師,現(xiàn)任職廣州市自來水公司自動化技術(shù)員,從事自來水廠自控系統(tǒng)設(shè)計及研究工作。