高可靠性水廠綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)

劉增環(huán) 張 博 吳宏圖

(河北工程大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，水資源受到不同程度的污染。自來(lái)水廠運(yùn)行的好壞，與人們生活用水關(guān)系密切。我國(guó)相當(dāng)數(shù)量的水廠由于建廠時(shí)間較早等原因，自動(dòng)化程度不高。例如水廠部分工藝流程仍采用人工方式完成或雖然各工藝采用自動(dòng)控制但各工藝相互獨(dú)立，相互之間的協(xié)調(diào)仍然需要人工調(diào)節(jié)。這就導(dǎo)致生產(chǎn)效率不高，水廠出水質(zhì)量也不穩(wěn)定，同時(shí)浪費(fèi)了大量的人力、物力。興建自動(dòng)化程度高的水廠監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)刻不容緩。

對(duì)于水廠在內(nèi)的一些工業(yè)控制系統(tǒng)，最基本的要求就是可靠性高。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將造成整個(gè)控制過(guò)程的混亂，引起嚴(yán)重的后果，由此造成的損失往往超出自動(dòng)化控制系統(tǒng)本身的價(jià)值［1］。實(shí)現(xiàn)可靠性的最有效方式之一就是系統(tǒng)部件的冗余。然而各種冗余部件工作的原理是什么，應(yīng)當(dāng)遵循怎樣的原則使系統(tǒng)在保持高可靠性的前提下盡量減少不必要的設(shè)備投入，并按要求實(shí)現(xiàn)自來(lái)水廠的綜合自動(dòng)控制，這正是本文所要闡述的主要內(nèi)容。

1 自來(lái)水處理流程描述

由于水源不同，進(jìn)入水廠的水質(zhì)各有不同，飲用水處理系統(tǒng)的組成和工藝流程多種多樣。該系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。

圖1 自來(lái)水廠工藝流程圖Fig.1 Technological process in waterworks

系統(tǒng)的水源地為地表水，取水泵房將地表水通過(guò)配水井打到水池，在水池經(jīng)加藥、絮凝、沉淀、過(guò)濾等工序得到清水;將得到的清水存入清水池，再經(jīng)高壓泵壓出供配水網(wǎng)配水。其中該系統(tǒng)加氯分為前加氯和后加氯。前加氯處設(shè)在配水井的入口，后加氯處為清水池的入口。該系統(tǒng)還配有排污設(shè)備，可將水池中的污泥及時(shí)排出，另一部分經(jīng)過(guò)處理返回到配水井入口處。

2 冗余設(shè)計(jì)的基本理論

通常按冗余切換方式可分為熱冗余、暖冗余和冷冗余三種形式［2］。系統(tǒng)的可靠性模型是冗余設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。熱冗余是指冗余子系統(tǒng)始終處于聯(lián)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，平時(shí)不參與控制與輸出，當(dāng)被冗余的主控系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，迅速自動(dòng)地接管控制與輸出。冗余按程度可分為 1∶1、1∶2、1∶n 等多種形式。并聯(lián)結(jié)構(gòu)是各種控制系統(tǒng)的部件級(jí)熱冗余通常采用的結(jié)構(gòu)形式。并聯(lián)邏輯框圖如圖2所示。

圖2 并聯(lián)邏輯框圖Fig.2 Parallel logic diagram

圖2中，R1、R2、…、Rn為各設(shè)備的可靠度。圖2中，單個(gè)設(shè)備的可靠度可用以下函數(shù)表示:

式中:R為R(t)即可靠度函數(shù)的縮寫(xiě)形式;λ(t)為失效率(故障率)函數(shù)。

該系統(tǒng)的可靠度RS可表示為［3］:

式中:n為第n臺(tái)設(shè)備;S為n臺(tái)設(shè)備并聯(lián)構(gòu)成的系統(tǒng)。

假設(shè)并聯(lián)系統(tǒng)由可靠度為0.8的2臺(tái)裝置組成，則該系統(tǒng)的可靠度由式(2)可知，表示為:

由此可見(jiàn)，雙機(jī)冗余系統(tǒng)可靠性顯著提高，一般可滿(mǎn)足應(yīng)用系統(tǒng)高可靠性的需求。通過(guò)數(shù)學(xué)方式證明2臺(tái)可靠度分別為R1、R2，其中，R1，R2都大于0且小于1的情況下容易證明:

式中:max{}為最大值函數(shù)，即2臺(tái)并聯(lián)裝置的可靠度要比不并聯(lián)時(shí)的2臺(tái)裝置單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的任意一臺(tái)可靠性都大。同樣也可由數(shù)學(xué)證明先并聯(lián)(冗余)后串聯(lián)比先串聯(lián)后并聯(lián)(冗余)的可靠性高［4］。這些冗余設(shè)計(jì)的基本理論對(duì)高可靠性水廠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義

3 自來(lái)水處理綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)

3.1 水廠控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

自控系統(tǒng)采用“集中監(jiān)控、管理，分散控制”的集散型系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由信息(管理)監(jiān)控層和現(xiàn)場(chǎng)控制層組成，由辦公樓里的各臺(tái)工控機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)控制分站(可編程控制器PLC)組成全廠工業(yè)以太網(wǎng)。如中控室2臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)同時(shí)出現(xiàn)故障，各現(xiàn)場(chǎng)分站仍能獨(dú)立和穩(wěn)定工作，從根本上提高了系統(tǒng)的可靠性。

3.2 水廠供電系統(tǒng)冗余

我國(guó)的水廠屬于供電二級(jí)負(fù)荷［5］，按規(guī)定電源供電應(yīng)取自?xún)苫芈罚瑑苫芈穪?lái)自不同變電站，兩回路同時(shí)使用或一條回路正常使用、另一條作為備用回路，每條回路應(yīng)都能獨(dú)立地承擔(dān)全廠的供電負(fù)荷，為今后的水廠發(fā)展添加用電設(shè)備考慮還應(yīng)留有適當(dāng)?shù)墓╇娪嗔?。?duì)水廠特別重要的負(fù)荷，如停電或斷電會(huì)對(duì)日常生產(chǎn)或安全生產(chǎn)發(fā)生重大影響的設(shè)備還配有應(yīng)急電源。因此，該系統(tǒng)供電電源采用10 kV雙回路放射式接線方式，應(yīng)急電源為“不間斷電源系統(tǒng)(uninterruptible power system，UPS)+油機(jī)”形式，為水廠系統(tǒng)提供可靠的電源支持。其中，UPS的任務(wù)主要是保證在電力系統(tǒng)突然中斷時(shí)重要設(shè)備仍能連續(xù)工作，從而為柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)贏得時(shí)間。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)完畢，此后的供電任務(wù)交給柴油發(fā)電機(jī)。

3.3 信息監(jiān)控管理層

3.3.1 雙星型冗余以太環(huán)網(wǎng)

信息監(jiān)控管理層設(shè)備有2臺(tái)中控室即工控機(jī)(industrial personal computer，IPC)，廠長(zhǎng)室工控機(jī)、工程師工控機(jī)、化驗(yàn)室工控機(jī)各1臺(tái)，以及4臺(tái)網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)和UPS設(shè)備。它們都連接到2臺(tái)交換機(jī)上構(gòu)成雙星型以太網(wǎng)。相比環(huán)形以太網(wǎng)，雙星型以太網(wǎng)的特點(diǎn)是以后再增加主站點(diǎn)時(shí)比較簡(jiǎn)單;2臺(tái)研華工業(yè)交換機(jī)HES18MC-2SC將各自的2個(gè)端口設(shè)為T(mén)runk(端口匯聚)主干端口，并建立連接，形成一個(gè)高速的骨干鏈接，這不僅增加了骨干鏈接的帶寬，還提供了冗余功能。每臺(tái)工控機(jī)配有2塊3com網(wǎng)卡綁定，被綁定的兩網(wǎng)卡IP地址設(shè)置相同，且分別連接到2臺(tái)工業(yè)交換機(jī)上［6］。上述硬件組合配合相應(yīng)的軟件設(shè)置采用了硬件偵測(cè)和負(fù)載均衡的技術(shù)，當(dāng)2條線都正常時(shí)，數(shù)據(jù)均衡地從Ethernet A和Ethernet B流通;當(dāng)任意一條以太網(wǎng)斷路時(shí)，則網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)將通過(guò)剩下的一條以太網(wǎng)傳遞，從雙線切換到單線的時(shí)間在10 ms之內(nèi)。當(dāng)故障總線恢復(fù)后，系統(tǒng)又恢復(fù)為正常的負(fù)載均衡狀態(tài)。

3.3.2 中控室 IPC

系統(tǒng)選用研華公司的工控機(jī)(IPC-610H/雙核E7400/2 G/320 G/DVD)作為中控室IPC。該工控機(jī)性能穩(wěn)定可靠、性?xún)r(jià)比高。其操作系統(tǒng)為Windows XP，并裝有監(jiān)控組態(tài)軟件組態(tài)王6.53。組態(tài)王編程風(fēng)格簡(jiǎn)潔、實(shí)時(shí)性好，組態(tài)王與其他支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用程序如Excel和VB等交換數(shù)據(jù)比較方便。組態(tài)王完全基于網(wǎng)絡(luò)的概念，具有客戶(hù)-服務(wù)器模式，共有I/O服務(wù)器、報(bào)警服務(wù)器、歷史記錄服務(wù)器、登錄服務(wù)器、Web服務(wù)器和校時(shí)服務(wù)器6類(lèi)服務(wù)器。它們可以分別在基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)上運(yùn)行，客戶(hù)端可以訪問(wèn)這些服務(wù)器。一個(gè)站點(diǎn)被定義為服務(wù)器的同時(shí)，也可以被指定為其他服務(wù)器的客戶(hù)。當(dāng)然幾種服務(wù)器也可同時(shí)運(yùn)行在一臺(tái)工控機(jī)上，該系統(tǒng)就是采用這種方法。系統(tǒng)具備生成Web頁(yè)面的功能，采用瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)，水廠負(fù)責(zé)信息管理監(jiān)控的工控機(jī)，如廠長(zhǎng)室工控機(jī)、工程師室工控機(jī)以及遠(yuǎn)在水廠外的辦公人員計(jì)算機(jī)可以通過(guò)安裝普通的瀏覽器以及JRE插件就可以瀏覽監(jiān)控畫(huà)面，使以太網(wǎng)的其他授權(quán)用戶(hù)可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝實(shí)施相應(yīng)權(quán)限的監(jiān)控。

中央室的2臺(tái)工控機(jī)采用了雙機(jī)熱備的配置。其共同監(jiān)視和控制下位各個(gè)PLC的運(yùn)行信息，從而控制現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的啟動(dòng)和停止。雙機(jī)熱備的構(gòu)造思想是主機(jī)和從機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，正常情況下主機(jī)處于工作狀態(tài)，從機(jī)處于監(jiān)視狀態(tài)，一旦從機(jī)發(fā)現(xiàn)主機(jī)異常，從機(jī)將會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)代替主機(jī)，完全實(shí)現(xiàn)主機(jī)的功能。需要注意的是，當(dāng)主從機(jī)都正常工作時(shí)，主機(jī)從設(shè)備采集數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生報(bào)警和事件信息;從機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)從主機(jī)獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和報(bào)警信息，但不會(huì)從設(shè)備讀取或自己產(chǎn)生報(bào)警信息。主從機(jī)各自記錄變量歷史數(shù)據(jù)。同時(shí)，從機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)主機(jī)，從機(jī)與主機(jī)之間的監(jiān)聽(tīng)采取請(qǐng)求與應(yīng)答的方式，從機(jī)以一定的時(shí)間間隔(冗余機(jī)心跳檢測(cè)時(shí)間)向主機(jī)發(fā)出請(qǐng)求，主機(jī)應(yīng)答表示工作正常，主機(jī)如果沒(méi)有做出應(yīng)答，從機(jī)將切斷與主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，轉(zhuǎn)入活動(dòng)狀態(tài)，改由下位設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生報(bào)警和事件信息。此后，從機(jī)還會(huì)定時(shí)監(jiān)聽(tīng)主機(jī)狀態(tài)，一旦主機(jī)恢復(fù)，就切換到熱備狀態(tài)。通過(guò)這種方式，可實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備控制。2臺(tái)中央室IPC通過(guò)RJ45雙絞線連接到西門(mén)子的1臺(tái)交換機(jī) (optical switch module，OSM)(光交換模塊)。

3.3.3 工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)

系統(tǒng)一共由4臺(tái)西門(mén)子交換機(jī)OSM ITP62構(gòu)成，通過(guò)光纖組成光纖以太環(huán)網(wǎng)，模塊間的連接使用玻璃光纖，傳輸速率為100 Mbit/s。OSM是具有冗余管理功能的工業(yè)級(jí)交換模塊，每條環(huán)上最多允許有50個(gè)OSM模塊。為了構(gòu)成光纖冗余以太環(huán)網(wǎng)，它們都應(yīng)設(shè)置成冗余環(huán)網(wǎng)使能態(tài)，其中一個(gè)且只有一個(gè)需設(shè)置為冗余管理器，以管理冗余網(wǎng)。環(huán)網(wǎng)在正常狀態(tài)下，冗余管理器的其中一個(gè)冗余環(huán)口為斷開(kāi)狀態(tài)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)為一種線性結(jié)構(gòu)。冗余管理器監(jiān)測(cè)到環(huán)網(wǎng)上的一處網(wǎng)線斷裂或一個(gè)交換器故障時(shí)，它會(huì)通過(guò)一個(gè)替代路徑變成另一種線性結(jié)構(gòu)。問(wèn)題排除時(shí)又可恢復(fù)為原有的線性結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)重構(gòu)時(shí)間小于300 ms。

在以太網(wǎng)上還配置有大屏幕背投，方便工作人員監(jiān)控自來(lái)水處理的工作流程。4臺(tái)網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)分布在中控室，其中1臺(tái)設(shè)置在化驗(yàn)室作為報(bào)表打印機(jī)使用，另外3臺(tái)分別作為報(bào)表打印機(jī)、報(bào)警打印機(jī)和硬拷貝使用。

3.4 生產(chǎn)控制層

3.4.1 水廠控制站點(diǎn)的劃分

劃分水廠控制站點(diǎn)考慮的因素有水廠生產(chǎn)管理的要求、生產(chǎn)工藝流程的復(fù)雜程度、信息量的多少和建筑位置等。因此，可將控制分站劃分為取水泵房站，加氯加藥控制站，絮凝、沉淀、過(guò)濾和污泥綜合泵房所組成的站以及送水泵房站。每一個(gè)控制分站采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息并上傳至水廠信息監(jiān)控管理中心，同時(shí)接受水廠信息監(jiān)控管理中心發(fā)出的控制命令，控制現(xiàn)場(chǎng)各種自來(lái)水處理設(shè)備。每一個(gè)監(jiān)控分站都具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)，它們既可由水廠分控中心控制，也可獨(dú)立工作脫離系統(tǒng)運(yùn)行。

3.4.2 遠(yuǎn)程取水泵站

由于取水泵站離水廠約為3 km，距離較遠(yuǎn)，而采用光纖鋪設(shè)連接到廠房控制中心價(jià)格較貴，因此可以首先考慮無(wú)線通信方式。遠(yuǎn)程取水泵站選用西門(mén)子PLC S7-200。CPU226有2個(gè)RS-485通信編程接口，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議和多點(diǎn)接口通信協(xié)議并具有自由方式通信能力。其中一個(gè)接口接附近現(xiàn)場(chǎng)的水位、流量等傳感器，另一接口和西門(mén)子無(wú)線通信模塊SINAUT MD720-3相連接。當(dāng) GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)終端 DTU進(jìn)入GPRS網(wǎng)絡(luò)時(shí)就自動(dòng)附在 Internet上［7］。該系統(tǒng)的終端DTU通過(guò)傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理，然后把現(xiàn)場(chǎng)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)。利用TCP/IP傳輸方式，以IP包的形式由GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到Internet網(wǎng)，并通過(guò)路由選擇和調(diào)制解調(diào)等處理進(jìn)入該水廠中控室工控機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)接收處理，同時(shí)，中控室工控機(jī)擔(dān)負(fù)著向遠(yuǎn)程取水泵站S7-200 PLC工作站發(fā)送相應(yīng)控制指令數(shù)據(jù)的任務(wù)。此外，為保證通信鏈路在無(wú)線通信中斷后仍能與廠房聯(lián)系，系統(tǒng)還配備了電話線的連接方式作為通信備份。

3.4.3 水廠內(nèi)部控制站

水廠內(nèi)部設(shè)有3個(gè)監(jiān)控站，分別為加氯加藥控制站，絮凝、沉淀、過(guò)濾和污泥綜合泵房所組成的站以及送水泵房站。水廠內(nèi)部采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)，3個(gè)監(jiān)控站之間的通信遵循相應(yīng)的TCP/IP協(xié)議進(jìn)行相互通信。水廠控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 水廠控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of waterworks control network

圖3中，加氯加藥泵站和送水泵站各有1個(gè)控制器S7-300 PLC，對(duì)于氯池、排泥等信息量大、可靠性要求高的站點(diǎn)采用2個(gè)西門(mén)子S7-400H來(lái)控制。S7-400H按冗余方式設(shè)計(jì)，主要器件如中央處理器CPU、連接兩CPU的同步模塊和光線以及電源模塊都設(shè)計(jì)成雙重器件。

S7-400H采用“熱備份”模式的主動(dòng)冗余原理，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，能夠無(wú)擾動(dòng)地自動(dòng)切換。無(wú)故障時(shí)2個(gè)子單元都處于運(yùn)行狀態(tài)，一旦發(fā)生故障，正常工作的子單元能獨(dú)立完成整個(gè)過(guò)程的控制?？刂茊卧c遠(yuǎn)程I/O單元之間的通信由2條多模光纖構(gòu)成的冗余現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus DP完成，采用ET200M作為Profibus的從站。遠(yuǎn)程分站I/O本身沒(méi)有CPU，它是通過(guò)Profibus DP總線由S7-400H控制的。作為PLC硬件組態(tài)的一部分，遠(yuǎn)程分站I/O用Step7來(lái)組態(tài)。通過(guò)供貨方提供的電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)文件(generic station description，GSD)文件，可以用Step7將其他制造商生產(chǎn)的從站設(shè)備組態(tài)到網(wǎng)絡(luò)中。Step7的應(yīng)用程序訪問(wèn)分布式I/O與訪問(wèn)PLC的中央機(jī)架中的I/O模塊相同［8－9］。

觸摸屏的操作十分方便，用戶(hù)只要用手指輕輕地觸摸計(jì)算機(jī)顯示屏上的圖符或文字就能實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)操作［10］。它還具有堅(jiān)固耐用、反應(yīng)速度快、節(jié)省操作按鈕等特點(diǎn)。系統(tǒng)應(yīng)用戶(hù)對(duì)大屏幕的要求，觸摸屏型號(hào)選為MP370 12英寸(1英寸=25.4 mm)Touch，與PLC配合使用十分靈活，提高了用戶(hù)的工作效率。

全廠設(shè)備的控制可以通過(guò)以下3種方式完成。

①就地手動(dòng)，優(yōu)先級(jí)最高。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)處于“手動(dòng)操作”時(shí)，PLC的控制被屏蔽。主要現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備均可在就地按鈕箱或現(xiàn)場(chǎng)控制箱上實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)切換及啟停等人工操作。

②遠(yuǎn)程PLC自動(dòng)控制。利用PLC的邏輯控制功能，提供設(shè)備的自動(dòng)、關(guān)聯(lián)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)，以及連鎖控制和閉環(huán)控制。各分站管轄的區(qū)域設(shè)備以這種控制方式為主。

③中央監(jiān)控站中控。中央監(jiān)控站通過(guò)人機(jī)操作界面對(duì)全廠的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)宏觀調(diào)控，處理局部的停機(jī)事故和緊急狀態(tài)，維持系統(tǒng)的總體協(xié)調(diào)。

控制站PLC在手動(dòng)/自動(dòng)/中控切換中具有無(wú)擾動(dòng)切換功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)冗余理論的分析，對(duì)水廠的供電系統(tǒng)、通信設(shè)備、中央控制計(jì)算機(jī)和控制器采用冗余控制技術(shù)。取水泵站采取無(wú)線GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控和電話線作為備份的控制方式，使整個(gè)水廠各工藝環(huán)節(jié)的監(jiān)控信息相互協(xié)調(diào)和聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了高可靠性水廠的綜合自動(dòng)化控制。

系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，日常工作中可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守、總站少人值班。

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