西门子自动化产品在城市供水中的应用

城市供水作为城市管理工程的一个主要设施，它直接影响着一个城市正常的生产和生活，随着科学的发展与进步，人们对饮用水的要求越来越高，相应对供水系统的自动化程度要求也越来越高，所以，近几年来自动化产品在供水行业中的应用较为普及。
一、工艺描述
安徽省六安市第二自来水厂座落在该项市南郊的淠河旁边，因第一自来水厂已经停用，所以该厂目前成为六安市唯一的供水厂。该厂原设计供水能力10万吨/天，通过扩建改造达到14万吨/天。
同大部分水厂一样，其工艺流程图如下图所示：


●源水泵房：用来将源水送到预处理的沉淀池中
●加药：将配好的矾液添加到源水中进行混合
●平流沉淀池：添加矾液经混合后，用于将水中絮凝物沉淀出来的池子
●滤池：池内的主要物质为石英砂，对从沉淀池来的水进行过滤，加氯之后，流入清水池
●加氯：将水中通入氯，主要作用是杀菌、消毒
●送水泵房：将清水池的水通过恒压供水装置送入自来水管网
二、控制任务
为提高供水系统的安全性、可靠性，采用了以下的改造方案
●加药系统，使其具有自动加药的功能
●通过对滤池反冲洗的改造，使其具有自动反冲洗的功能，省去繁索的人工操作
●增设了自动加氯机，使其根据出水余氯值，自动控制加氯量
●改造低压配电系统，使之对电压、电流、有功功率、无功功率及功率因数具有远程监测、记录、报警的功能
●建立水厂中控室，实现三级自动化监控，通过中控室的通讯工作站一方面将数据送到模拟屏上，另一方面通过无线数传电台将数据送到市自来水公司
三、控制方式介绍
整个六安二水厂的控制网络如下图


2台上位机监控主站通过5613卡与下面3台PLC分站通讯，通讯方式采用PROFIBUS-FMS总线方式，每个PLC分站选用S7-300，CPU为315-2DP，FMS通讯模块选用的是CP343-5，并且每个分站通过MPI口连接一个TP27-10”的触摸屏。
滤池分站PLC1通过集成的PROFIBUS-DP下面连了16个S7-200滤池子站和1个S7-200反冲洗子站。每个滤池子站通过编程口挂一个TP070触摸屏，每个滤池子站控制每格滤池的运行。反冲洗子站的S7-200通过自由口协议与反冲洗泵变频器MM430进行通讯。
出水泵房分站PLC2通过接口模块IM360和IM361扩展了两个机架，在CPU的MPI口又连了一台工控机，作为泵房的监控站，工控机的通讯卡为CP5611卡。通过集成的PROFIBUS-DP口连了一个ET200M分布式I/O和一个S7-200，ET200M安装在取水泵站，用以对取水泵及进水阀的控制，S7-200为CPU226，通过自由口与出水泵的变频器通讯。CP340模块利用RS485口与配电中心的电量监测仪表HC6000相连，通过Modbus协议进行通讯。将采集的电量参数送给监控计算机。
加药分站PLC3配置了一块CP340、一块CP341及一些I/O模块。CP340与10台电机保护仪通过RS-485口进行通讯，CP341与二台加氯机进行通讯，加氯机的通讯波特率为19200bit/s，而CP340的最大速度为9600 bit/s，所以选择了CP341与加氯机通讯。
两台监控主站通过网络交换机与通讯工作站组成以太网，通讯工作站的计算机采集监控计算机的数据。一方面通过串口1与模拟屏（6×2.8米）通讯，将水厂参数实时在模拟屏上显示；另一方面通过串口2与数传电台相连，将数据经电台传送至自来水公司的通讯主机上。
整个水厂的控制方式分三级，现地、分站控制、远程控制。当现地的转换手柄置于现地操作方式时，此时的优先级最高，禁止上位对其操作；当转换手柄转换至远程时，此时由中控室的监控主机进行控制，主机可以选择是否让触摸屏操作，也可随时取消触摸屏的操作。


四、控制难点
自动加药一般是水厂控制的一个难点，因为加药控制主要是控制加药量，也就是控制计量泵的转速，本方案采用出水浊度仪的输出信号（4~20mA）作为计泵泵的反馈，但因从加药到出水，中间需要较长的时间，所以在控制方面有较大的滞后，为解决这个问题，通过对过去的加药经验和现实已知的对象状况（原水浊度、温度、流量、PH值等）的分析，推断出目前实际需要的加药量，根据出水浊度对投药量作微调，结合实际水流量将数据送至执行机构，该方案充分利用工控机的运算能力。
中控室两个监控主站的应用软件采用的是WICC组态软件，利用Profibus-FMS与下面3个PLC分站通讯，当运行一台监控主机时，只能读到PLC1和PLC3子站，PLC2的数据读不到，检查线路也没有问题，如果两台上位机同时运行，有一台主机能读到PLC1和PLC3站，另一台主机却只能读到PLC3站。经咨询西门子技术支持和查阅有关资料，判断可能原因是CPU的通讯资源有限，选用的CPU为6ES7 315-2AF03-OABO，我也做过一个试验，如果将PLC2的触摸屏去掉，监控主机就可采集到该站的数据，所以证实上述的分析。
解决的办法：更换新的CPU（6ES7 315-2AG10-OABO）后，并在编程软件STEP7 5.1的硬件配置中更换CPU的配置，随后将CPU的属性打开，在Communication选项中将OP Communication中的默认值1改为4，S7 Standard默认值12改为8即可。最后将硬件配置下载到CPU后，下面每个站的数据都能读取，因为新的CPU支持最大16个连接点，
四、结束语
该自动控制系统充分利用了西门产品分散式结构和多界面的网络功能，应用十分灵活。经使用一年多的使用，系统运行较稳定，未出现异常。

参考文献：
1、S7-300可编程控制器产品目录
2、西门子工业通讯及现场设备产品目录2001
3、STEP7 5.1编程手册

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