污水泵站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
1　系統(tǒng)概況
　　鎮(zhèn)江市污水截流工程是江蘇省蘇南環(huán)保項(xiàng)目之一，是利用世界銀行貸款興建的市政環(huán)保工程，包括：古運(yùn)河截流系統(tǒng)、內(nèi)江截流系統(tǒng)、泵站、過江管道、中試氧化塘以及污水排放口等工程，這一系統(tǒng)遠(yuǎn)期(2010年)所能接納的污水量為30×104m3/d。其污水外排工程采用多級(jí)泵站串聯(lián)形式，利用地下管道逐級(jí)加壓提升的方法進(jìn)行排污。
控制系統(tǒng)主要由Intellution FIX人機(jī)界面、高速數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)(DH—485和JSPAC)及PLC系統(tǒng)三部分組成。系統(tǒng)組成的概念建立在一個(gè)開放式、模塊化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，并使系統(tǒng)可以 靈活、方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的編程和組態(tài)工作。
系統(tǒng)設(shè)中央控制和現(xiàn)場監(jiān)控兩級(jí)，即中央控制室和七座泵站(PLC1～7)。中央控制室內(nèi)裝有一臺(tái)SLC—500系列PLC0系統(tǒng)、模擬屏一面及二臺(tái)工控機(jī)(一用一備)，PLC0實(shí)時(shí)采集各泵站的現(xiàn)場信號(hào)，并在模擬屏及上位計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則
根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，其設(shè)計(jì)原則為：
①模塊化。各系統(tǒng)自上而下逐層分解，直至完成所要求的功能，并在設(shè)計(jì)中盡量減少模塊間數(shù)據(jù)、控制參數(shù)的傳遞，以減少相關(guān)性。
②可靠性。采用雙機(jī)熱備用方式。
③實(shí)時(shí)性。自動(dòng)地控制泵站各個(gè)設(shè)備，如閥門和水泵等的正常自動(dòng)運(yùn)行，在出現(xiàn)異常時(shí)迅速處理并報(bào)警。
④可維護(hù)性。采用模塊化設(shè)計(jì)以方便維護(hù)。
⑤可讀性和可擴(kuò)展性。
2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想
截流工程采用分級(jí)分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，對(duì)截流工程的工藝過程進(jìn)行集中管理、分散控制。
①采用分級(jí)、分布式結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)設(shè)中央控制室和泵站現(xiàn)場監(jiān)控站兩級(jí)，由中控室統(tǒng)一管理。每座泵站為相對(duì)獨(dú)立的監(jiān)控站，能實(shí)現(xiàn)就地控制的各種功能。系統(tǒng)功能還包括能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制、就地控制和遠(yuǎn)程控制 的相互切換，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，各監(jiān)控站仍能實(shí)現(xiàn)就地控制。
②系統(tǒng)具有高可靠性
中央控制室設(shè)置成雙機(jī)系統(tǒng)，采用雙機(jī)熱備份方式。自動(dòng)化儀表驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)均選用可靠設(shè)備。
③故障診斷實(shí)時(shí)性
在一個(gè)控制周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的各種I/O模板的自診斷，發(fā)現(xiàn)故障立即進(jìn)行切換和報(bào)警。
④系統(tǒng)擴(kuò)展靈活，重組容易。
⑤模塊化兼容的應(yīng)用軟件。
泵站SCADA主站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用開放式體系結(jié)構(gòu)，有利于將來系統(tǒng)的升級(jí)。中心控制室計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、管理大樓計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、七個(gè)現(xiàn)場泵分控站及檢測儀表， 通過DH—485通訊網(wǎng)(PLC0與PLC1間)和江蘇省公用分組交換數(shù)據(jù)通信網(wǎng)(PLC0與PLC2～PLC7間)構(gòu)成了一個(gè)先 進(jìn)的管理控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)鎮(zhèn)江市城市污水截流工程的集中管理及分散控制。 控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。
 
2.3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書統(tǒng)計(jì)各數(shù)據(jù)量，并進(jìn)行分類，由此來決定所需的模塊類型與數(shù)量。模擬屏控制機(jī)(PLC0)通過DH—485網(wǎng)和分組交換數(shù)據(jù)通信網(wǎng)(JSPAC)與各分控站通訊，從分控站獲得所需數(shù)據(jù)并向分控站發(fā)送命令和信息。PLC0還通過KF3和中控室計(jì)算機(jī)傳遞命令和數(shù)據(jù)，并控制模擬屏。模擬屏顯示各現(xiàn)場分站設(shè)備的狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)中的七個(gè)泵站PLC控制系統(tǒng)均由A—B公司提供的基本模塊化控制器組成，它包括機(jī)架、電源、處理器(CPU)、各種輸入/輸出(I/O)模塊和一 個(gè)編程用的操作員接口設(shè)備。根據(jù)現(xiàn)場采集信號(hào)與被控信號(hào)的類型與數(shù)量確定所使用模塊的類型與數(shù)量。本系統(tǒng)中PLC所用模塊為：
①處理器模板(SLC5/03)；
②離散型I/O模板(1746—IB16、1746—OW16、1746—OB23模板)；
③模擬量I/O模板(1746—NI4、1746—NO4I模板)；
④電源模板(1746—P2)；
⑤操作員終端(PanelView550,2711—K5A2)。
所以，為一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)配置PLC硬件時(shí)，要根據(jù)以下的次序來選擇相應(yīng)的硬件產(chǎn)品：信號(hào)采集點(diǎn)數(shù)→I/O模板→處理器→電源→框架。
2.4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用二級(jí)結(jié)構(gòu)，由上位機(jī)、下位機(jī)和檢測儀表組成，需要采集35個(gè)模擬量、803個(gè)開關(guān)量。模擬量包括液位、液位差、流量、壓力、pH值等；開關(guān)量包括各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與保護(hù)裝置的動(dòng)作狀態(tài)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為IPC軟件和PLC軟件兩種。
①IPC以Intellution FIX為開發(fā)平臺(tái)，采用可視化開發(fā)技術(shù)進(jìn)行圖形界面的過程處理，實(shí)時(shí)顯示圖形，用戶界面清晰，在上位機(jī)和大型模擬屏上顯示整個(gè)截流工程的工藝參數(shù)、工藝流 程及設(shè)備狀態(tài)，操作人員可以清晰、直觀地監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。各種操作均以按鈕、下拉菜單、列表框來實(shí)現(xiàn)，緊急情況下能在IPC和PV550上對(duì)各泵站的 水泵進(jìn)行控制。另外，系統(tǒng)還采用了數(shù)據(jù)完整性保護(hù)技術(shù)、動(dòng)態(tài)交換技術(shù)、文件共享技術(shù)等，能從網(wǎng)絡(luò)上的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)上直接訪問數(shù)據(jù)庫、圖片以及其他文件，實(shí) 現(xiàn)了人機(jī)繪畫及監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)完整性、開放式結(jié)構(gòu)、歷史趨勢曲線、報(bào)表打印等功能，滿足了污水截流工程的實(shí)際需要。
a.過程數(shù)據(jù)庫是軟件的心臟部分，是由過程控制邏輯而形成的一種過程描述，是由塊和鏈組成。一個(gè)塊(也稱點(diǎn))是一組過程控制指令代碼，它執(zhí)行規(guī)定的動(dòng) 作。系統(tǒng)中共創(chuàng)建了模擬輸入/輸出、數(shù)字輸入/輸出、模擬量寄存器、布爾、設(shè)備控制等數(shù)據(jù)塊。在創(chuàng)建并使用數(shù)據(jù) 庫后，可調(diào)整鏈的掃描時(shí)間或修改其相位來提高數(shù)據(jù)庫的效率。
b.使用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)，把過程信息傳送給其他應(yīng)用程序，如SPC(過程控制統(tǒng)計(jì))程序等；在畫面和過程數(shù)據(jù)庫中插入來自其他應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)和另一 個(gè)SCADA節(jié)點(diǎn)的信息，將該數(shù) 據(jù)放入鏈中并且進(jìn)行報(bào)警和趨勢處理；在Excel中快速地建立標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)表，并能根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。從Excel工作薄中獲取數(shù)據(jù)時(shí)使用下列語法：= EXCEL1［FILE.XLS］SHEET1!R1C1。同時(shí)，在Excel工作表中增加鏈接。鏈接用于工作表中顯示數(shù)據(jù)，并能顯示歷史文件、報(bào) 表標(biāo)題或文本中的靜態(tài)數(shù)據(jù)和連續(xù)變化的數(shù)據(jù)，如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、當(dāng)前數(shù)據(jù)和時(shí)間。
c.對(duì)所有不能存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中而又要用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢顯示的數(shù)據(jù)，如水泵運(yùn)行時(shí)間、質(zhì)量測試等，在Excel文件中創(chuàng)建了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)文件，每行代表一 行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這樣就可以在同一個(gè)趨勢圖中顯示歷史數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。另外，從關(guān)系數(shù)據(jù)庫中提取所需的時(shí)間是可以調(diào)整的，這取決于信息量和數(shù)據(jù)庫的大小，采用 把關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)在簇中并創(chuàng)建簇索引的方法，來提高數(shù)據(jù)提取的速度，達(dá)到優(yōu)化數(shù)據(jù)提取的目的。
d.為了防止非授予權(quán)寫入數(shù)據(jù)庫塊，確保數(shù)據(jù)的完整性，在定義數(shù)據(jù)塊時(shí)，定義了安全區(qū)域。一旦數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)有了安全保護(hù)，操作員必須首先進(jìn)入注冊(cè)程序，并且輸入相應(yīng)的名字和口令字。登錄后，操作員才可以使用被授權(quán)的功能。
②PLC梯形圖軟件是以RSLogix500為開發(fā)平臺(tái)，軟件的使用可另外配置編程終端，也可以在上位機(jī)上進(jìn)行，通過KF3將微機(jī)中所編寫的梯形圖程序下載到PLC0的內(nèi)存中，也可將PLC 0內(nèi)存中的梯形圖程序上載并存儲(chǔ)在上位機(jī)上。
下位機(jī)控制主程序包含初始化、遙控、自控等8個(gè)子程序(其中泵站自控子程序流程如圖2)，其特點(diǎn)是集數(shù)據(jù)采集、通訊、遙控、自控于一體。菜單功能齊 全，可完成各種參數(shù)的自動(dòng)巡回檢測，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、運(yùn)算、存儲(chǔ)、輸出報(bào)警信號(hào)，與上位機(jī)通過X.28分組交換構(gòu)成廣域通信網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊和控制。具體功 能如下：
a.采集泵站壓力、水位、水位差、流量、pH值等八個(gè)模擬量。
b.采集水泵運(yùn)行、故障、電動(dòng)閘閥全開、全關(guān)、運(yùn)行、故障，啟閉機(jī)全開、全關(guān)、運(yùn)行、故障，格柵運(yùn)行、故障等126～320個(gè)開關(guān)量(各泵站不等)。
c.與中控室保持聯(lián)絡(luò)，實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)。
d.解釋、執(zhí)行中控室的遙控指令。
e.自動(dòng)控制水泵的運(yùn)行，并保證泵與閥的聯(lián)動(dòng)。
f.自動(dòng)對(duì)故障源定位并報(bào)警。
g.與中控室自動(dòng)校對(duì)。
 
2.5 系統(tǒng)通訊
由于PLC1(江濱泵站)與PLC0站之間距離較近，故直接利用SLC500的CPU模板固有的DH— 485通訊口，通過專用通訊電纜簡單地組成DH—485網(wǎng)絡(luò)。采用這種通訊方式，不僅有效地提高了通訊效率和可靠性，而且大大地降低了系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。
PLC0與各泵站PLC2～7之間采用江蘇省公用分組交換數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(JSPAC)，通過MODEM 進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊。
分組交換技術(shù)是面向連接的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，它具有差錯(cuò)控制功能，保證高質(zhì)量的傳輸，網(wǎng)內(nèi)全程誤碼率＜1×10-10， 通信資源(信道、端口)利用率高，允許不同類型、不同速率、不同編碼方式、不同傳輸規(guī)程的終端和計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通信，分組多路通信可實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)同時(shí)通 信，可建立發(fā)送數(shù)據(jù)優(yōu)先權(quán)，便于分散設(shè)點(diǎn)的用戶共享資源，信息傳輸安全、可靠、保密性高，能與公用電話網(wǎng)、低速數(shù)據(jù)網(wǎng)及其他專用網(wǎng)互連，通信費(fèi)用低等優(yōu) 點(diǎn)。分組交換網(wǎng)是面向連接的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，聯(lián)入分組交換網(wǎng)的計(jì)算機(jī)可以和網(wǎng)上的其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或終端建立聯(lián)系，互相傳遞數(shù)據(jù)、交換信息、共享資源。能進(jìn)行快 速可靠的數(shù)據(jù)通信是選 擇這一網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的原因。
如何利用JSPAC的X.28業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)PLC之間的通信，這是本系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)之一。X.28建議定義了ASCII終端與PAD(PAD為分組拆裝設(shè) 備)之間的命令語言和命令狀態(tài)以及數(shù)據(jù)傳送狀態(tài) 的工作條件。當(dāng)用戶與PAD通信時(shí)為命令狀態(tài)，通過訪問PAD可以完成對(duì)參數(shù)的修改，或向JSPAC發(fā)送各種命令。當(dāng)用戶終端與JSPAC上的主機(jī)進(jìn)行通 信，即進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，為數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)，此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶來說是透明的。通過X.28建議可以完成ASCII終端與JSPAC上主機(jī)間的通信，具體通信如 圖3所示。
 
　　由于該系統(tǒng)除各泵站采用可編程序控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控外，還通過X.28分組交換構(gòu)成廣域通信網(wǎng)，調(diào)試人員在電信部門的協(xié)助下，經(jīng)過多次反復(fù)，使系統(tǒng)順利實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程通訊。
JSPAC通信系統(tǒng)采用主—從結(jié)構(gòu)，中控室里的PLC0為主站，泵站(PLC1～7)為從站，采用Polling通訊方式，信息傳送采用全雙工方式。 中控室中的工控機(jī)通過KF3與PLC0進(jìn)行通訊，PLC0與PLC1間通過內(nèi)備DH—485通訊口進(jìn)行通訊，PLC0與其他各分站均選用相同型號(hào) (Codesx3265v.34)的調(diào)制解調(diào)器(modem)，傳輸速率為9600bps，傳輸系統(tǒng)誤碼率＜1×10-6。
主站與從站之間的通訊問題是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能不能協(xié)調(diào)運(yùn)行的關(guān)鍵問題。在實(shí)際運(yùn)行中，上位機(jī)與下位機(jī)之間有兩種通訊方式。
①上位機(jī)主動(dòng)
其中又有兩種方式：一是上位機(jī)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行寫命令操作；二是上位機(jī)主動(dòng)讀取。在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，下位機(jī)監(jiān)測啟動(dòng)過程，對(duì)大量的啟動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。發(fā)送中 斷，告知上位機(jī)啟動(dòng)的機(jī)組號(hào)，上位機(jī)接到信號(hào)后讀取啟動(dòng)數(shù)據(jù)，繪制啟動(dòng)曲線。正常運(yùn)行后，上位機(jī)間隔10min讀取下位機(jī)中的數(shù)據(jù)。
②上位機(jī)被動(dòng)
當(dāng)有事故或故障發(fā)生時(shí)，下位機(jī)發(fā)送事故或故障代號(hào)，上位機(jī)根據(jù)下位機(jī)的通訊協(xié)議進(jìn)行特殊的處理。
中控室通訊功能：雙串行口，可與有線信道、網(wǎng)絡(luò)、模擬屏及泵站SLC500可編程序控制器進(jìn)行通訊。
3　系統(tǒng)接地問題的考慮
　　由于系統(tǒng)所控制的設(shè)備功率較大，以及環(huán)境條件比較復(fù)雜，強(qiáng)大的電場和磁場干擾不容忽視。為了使系統(tǒng)能夠可靠地運(yùn)行，采用了“半浮地”技術(shù)，即外殼接地，系統(tǒng)通過一只2～4μF的電容接至安全的接地點(diǎn)。
4 結(jié)論
　　污水泵站控制系統(tǒng)采用了國際上最流行的、可靠的多任務(wù)監(jiān)控軟件Intellution FIX和RSLog ix500高級(jí)編程軟件，以實(shí)現(xiàn)建立穩(wěn)定、可靠、實(shí)時(shí)的泵站監(jiān)控和管理系統(tǒng)。通過幾年來的運(yùn)行表明，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是成功的，它實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)污水截流系統(tǒng)的控制操作、數(shù)據(jù)采集和信息的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、完整性和統(tǒng)一性。