基于西門子PLCS7-300的自來水廠自動控制系統(tǒng)的研究與設計

孫智宗

（遵義市匯泓供水有限公司，貴州 遵義 563000）

0 引 言

我國自來水廠自動控制系統(tǒng)起步較晚但發(fā)展很快，從60年代簡單的水位自動控制發(fā)展到70年代采用熱工儀表和集中巡檢裝置。80年代后，隨著國家工業(yè)水平的快速提高及外資的大量引進，國外先進的自動化控制技術(shù)與設備進入我國，使我國自來水廠自動控制水平快速提高。

但我國自來水廠自動控制系統(tǒng)還存在較多問題。例如，普遍采用可靠性高、維護簡便的檢測儀表和在線分析儀表，但多數(shù)儀表都是國外進口設備，使用和維護方面存在較多問題；系統(tǒng)應用狀況復雜，多種控制方式、各種類型及不同等級的自動控制系統(tǒng)并存?；诖?，本文將針對自來水廠自動控制系統(tǒng)實際運行中存在的問題，采用自頂向下的設計方法，利用西門子PLCS7-300實現(xiàn)污水處理自動控制。

1 自來水廠自動控制系統(tǒng)的模式選擇

根據(jù)自來水廠實際情況和工藝要求，自動控制系統(tǒng)的模式如表1所示。其中，PC+PLC的模式應用最廣，主要是基于如下特點。自來水廠一般都設有中控室，控制環(huán)境和條件較好，可以采用高性能計算機作為管理和操作監(jiān)控站；操作系統(tǒng)安全性較高且具有分散高效的特點；可結(jié)合自來水廠的實際工藝流程和建筑物分散的特點，組成靈活的通信網(wǎng)絡；系統(tǒng)軟硬件資源豐富，性能穩(wěn)定、兼容和擴展能力強[1]。

表1 自來水廠自動控制系統(tǒng)的模式對比

根據(jù)實際情況，PC+PLC的模式設計簡便、運行穩(wěn)定可靠且成本低廉，對系統(tǒng)運行、維護和操作人員的要求也不高，符合自來水廠目前的生產(chǎn)運營狀況，故本文將采用該模式。

2 自來水廠自動控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)

根據(jù)自來水廠環(huán)境條件、工藝流程及設備較為集中的特點，自動控制系統(tǒng)采用基于西門子PLCS7-300的分布式結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)中西門子PLCS7-300子站單元為用戶提供了良好的人機操作界面、參數(shù)采集及設備控制功能，且其聯(lián)網(wǎng)能力也使各站點間能方便快捷地進行狀態(tài)信息和控制參數(shù)的傳遞。具體地，自來水廠自動控制系統(tǒng)由如下3層架構(gòu)組成[2]。

（1）站級設備層

該層主要由控制柜及配套的UPS電源、西門子PLCS7-300、光纖通信工業(yè)網(wǎng)絡交換機、斷路器、避雷器、繼電器及隔離器等構(gòu)成，同時配置一套操作顯示屏。

站級設備層的主要功能如下：實現(xiàn)設備間的聯(lián)動邏輯控制，根據(jù)工藝要求來完成設備的反饋控制和過程控制；實現(xiàn)所轄區(qū)域內(nèi)各設備的信號實時檢測、數(shù)據(jù)采集和自動控制；當中控室計算機或人機界面發(fā)生故障時，無論任何情況都不會對西門子PLCS7-300的自動控制和檢測功能產(chǎn)生影響，且確?，F(xiàn)場設備的運行狀態(tài)不會發(fā)生改變；各設備間相對獨立運行，當測量控制單元或現(xiàn)場控制站發(fā)生故障時，不會對其上級、下級或同級的其他控制站控制單元的正常運行產(chǎn)生影響；現(xiàn)場控制子站設置觸摸屏作為就地操作終端，操作人員可對該控制站監(jiān)控范圍內(nèi)的設備實施就地集中控制，或在中央控制室授權(quán)后可就地更改設定本站的工藝控制參數(shù)。

（2）通信網(wǎng)絡層

通信網(wǎng)絡層采用工業(yè)以太網(wǎng)，通信協(xié)議為TCP/IP，通信速率為10/100 Mb/s；環(huán)型網(wǎng)絡連接，中心交換機設置于中控室，端口富裕量100%；通信介質(zhì)采用多模光纖（50/125 μm）。

（3）中心監(jiān)控層

中心監(jiān)控層由光電轉(zhuǎn)換器、兩套中控計算機、報表打印機、事故報警打印機、網(wǎng)絡交換機、操作臺及不間斷電源等構(gòu)成。其中，作為中控室人機交互接口的兩套中控操作站計算機互為熱備用，正常情況下兩套中控計算機同時工作并不斷執(zhí)行同步操作，應用數(shù)據(jù)同時保存；當其中一套中控計算機發(fā)生故障時，另一套中控計算機正常運行，故障計算機所丟失的數(shù)據(jù)可等故障消除后從正常運行的計算機中補回。

中心監(jiān)控層的主要功能如下：事故記錄、報警及報警打?。贿x擇或修改控制參數(shù)及控制方式；對現(xiàn)場西門子PLCS7-300所采集到的設備運行狀態(tài)及工藝參數(shù)進行實時讀??；對生產(chǎn)工藝主要流程和各生產(chǎn)環(huán)節(jié)子流程畫面進行實時、動態(tài)的顯示；遠程控制各西門子PLCS7-300站和設備單元；對日報、月報和年度報表進行打??；數(shù)據(jù)回歸和趨勢分析；構(gòu)建全廠檢測和控制綜合數(shù)據(jù)庫，記錄和存儲主要設備運行狀況和重要工藝參數(shù)[3]。

3 自來水廠自動控制系統(tǒng)的實時性指標和可靠性指標

3.1 自來水廠自動控制系統(tǒng)的實時性指標

（1）中控室監(jiān)控計算機

為滿足自動控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、控制功能、人機接口和系統(tǒng)通信的時間要求，中控室監(jiān)控計算機的實時性指標應滿足如下要求：人機接口調(diào)用畫面時間（90%畫面）控制在1 s內(nèi)，調(diào)用其他畫面時間控制在2 s內(nèi)，實時數(shù)據(jù)顯示的刷新周期控制在5 s內(nèi)，動態(tài)顯示數(shù)據(jù)刷新時間控制在2 s內(nèi)；重要遙測傳送時間控制在2 s內(nèi)，遙控、遙調(diào)命令傳送時間控制在2 s內(nèi)，遙信變位傳送時間控制在1 s內(nèi)，全系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)掃描周期控制在2～5 s內(nèi)；雙機自動切換時間應確保實時任務不中斷；打印報表輸出周期可按實際情況進行調(diào)整；事件順序分辨率控制在3 ms內(nèi)；計算機監(jiān)控系統(tǒng)與標準時間誤差控制在1 ms內(nèi)[4]。

（2）現(xiàn)場西門子PLCS7-300控制站

現(xiàn)場西門子PLCS7-300控制站的實時性指標應滿足如下要求：控制命令響應時間應控制在1 s內(nèi)，接受命令到執(zhí)行控制響應時間應控制在1 s內(nèi)；報警點采集周期、模擬點采集周期及指示（狀態(tài)）點采集周期應控制在1 s內(nèi)，事件順序分辨率應控制在1 ms內(nèi)[5]。

3.2 自來水廠自動控制系統(tǒng)的可靠性指標

自來水廠自動控制系統(tǒng)的可靠性指標如表2所示[6]。

4 結(jié) 論

利用PLC構(gòu)建控制系統(tǒng)，結(jié)合組態(tài)軟件按照“分散控制，集中監(jiān)測”的原則構(gòu)建成自來水廠自動控制系統(tǒng)，結(jié)合以人機界面來提升操作友好度，并安裝上位機的監(jiān)控組態(tài)軟件來控制監(jiān)視整個系統(tǒng)的運行狀況。這種自動控制才是目前的發(fā)展方向。

本文構(gòu)建的基于西門子PLCS7-300的自動控制系統(tǒng)，中控室可對整個水處理過程進行閉環(huán)控制；計算機可從各個現(xiàn)場PLC子站采集數(shù)據(jù)，記錄各個設備動作記錄及設備報警，還可以提供歷史曲線供查閱；一旦自來水廠設備發(fā)生難以及時解決的故障，下面每一臺設備都可以單獨手動操作，從而不影響整個系統(tǒng)的運行。

表2 自動控制系統(tǒng)的可靠性指標