LM在水厂自动化控制系统中的应用———基于GPRS和工业以太网技术

　
        1引言
　　山西省太谷县水厂引本县庞庄水库地上水进行处理，是山西省国债资助重点工程之一，是为进一步保护、节省地下水资源，深入发展城镇经济而建设的重点项目。该水厂设计规模为日供水量1万方，其主要建筑物有：一级泵房、斜管沉淀池（缓建）、V型滤池、清水池、二级泵房及加药加氯间等，水处理工艺较先进。
　
  　　庞庄水库常年保持在高水位状态，为减少运行成本，在取水口与一级泵房出水口处加布一条旁通管道，这样靠自流即能满足水厂正常运行供水量，在水库水位较低时方运行一级泵房供水，达到节能目的。为调整进水量，在进水管道上装设一只电动调节碟阀。
　　
  　　源水进入水厂后，在源水管道上投加混凝剂PAC、絮凝剂PAM及一次加氯，经静态管道混合器混合后直接进入微絮凝滤池进行反应过滤，该水厂滤池采用V型滤池，其反冲洗采用气水混冲方式。
　
  　　处理后的水经二级泵房提压进入县城供水管网，为控制供水压力采用变频设备自动调节供水量。
　
  　　整个水厂的运行基本实现了全自动控制，所有运行参数都由在线数据采集设备自动采集，所采集运行数据被送入PLC，PLC通过光纤采用Modbus/TCP协议与上位监控系统进行数据交换，以监视和控制水厂各个生产环节设备的运行。
　
  　　本文主要介绍杭州和利时公司自主研发的LM在水厂自动化控制系统中的应用。水厂工艺过程复杂，为了实现水厂自动化运行要求，围绕LM PLC的优越的性能设计了本工程的方案，方案中主要利用了LM PLC的模拟量处理、以太网通讯、串口通讯等功能，实现了以GPRS和以太网方式与SmartPro3.1.3监控中心组成网络。本工程系统性能稳定、具有很高的可靠性，能在保证水厂正常工作。

  　　2 自动化控制系统组成
　　该水厂自动化监控系统采用GPRS通讯与以太网通讯相结合方式，由监控中心与五个PLC控制站构成。控制系统组织网络见图1。
　
  　　PLC控制站分为厂内和厂外两个部分，厂内利用两套PLC系统采集水厂流量、水位、电压、电流、浊度、加氯量等信号，两套系统主要设备都装配在两个PLC机柜中，机柜上安装Eview的一个触摸屏，可以进行现场监控。两个PLC控制柜分别安装在二级泵房和加药加氯间，通过光纤组成以太网与上位SmartPro监控中心连接。
　
  　　厂外有三个PLC控制站，这三个系统比较简单，其中两个控制站用来测量管网末端压力，另一个控制站调节远处进水管道上的电动调节碟阀。这三套系统基于GPRS技术与监控中心通讯，主要是通过深圳宏电公司DTU和移动公司GPRS网络来完成。DTU主要完成PLC与监控中心数据传输的任务，PLC通过RS232串口与宏电的DTU通讯，DTU再通过移动公司GPRS网络进入INTERNET，与有固定IP地址的SmartPro监控中心进行数据交换。
　
  　　监控中心由两个操作员站组成，两个操作员站同时又作为一主一从服务器用来存储实时运行数据，服务器上装有SmartPro组态软件做为上位监控界面。
   图1控制系统组织网络图　　3 控制系统功能介绍
　　本控制系统设计采用三种控制方式，即监控中心远程控制、现场PLC控制、设备现场手动控制等，其优先级别分别为现场手动控制最高，其次为现场PLC控制，最低为监控中心远程控制。
　　各自动控制单元实现的功能分别是：
　　压力测量站：采用LM 系列PLC LM3109和LM3310模块，装在一个PLC控制箱中。主要实现的功能是将采集到水网末端的压力值每隔一段时间就向监控中心发送一次，监控中心根据传上来的压力值可以调整二次泵房恒压供水的出口压力设定值。
　　调节阀控制站：采用LM系列PLC LM3109、LM3310和LM3320模块，装在一个PLC控制箱中。主要实现的功能有：采集取水电动机、电动蝶阀及现场仪表的状态信号及数据信号并对以上设备发送控制信号，通过预　装PID调节程序自动调节电动机运行频率和电动调节蝶阀的开度：
　　◆取水泵电机、阀门运行状态监测及控制；
　　◆接受监控中心控制指令、工艺参数的整定指令，并判断其正确性、可行性后加以执行；
　　◆采集单泵进、出口压力和出水总管压力及原水浊度、PH值等数据；
　　◆根据水库水位的高低，其控制运行方式有两种：
　　第一种运行方式是：水库水位较低时一级泵房水泵机组投入运行，根据折板反应池的水位反馈信号，通过预装PID调节程序调节1#、2#电机的变频器的运行频率，以实现折板反应池水位的恒定运行；
　　第二种运行方式是：水库水位较高时，开启原水旁路阀门，实现原水的供水自流，达到节能运行目的，同时根据折板反应池的水位反馈信号，通过预装PID调节程序自动调节阀门开度，以实现进水的自动调节。
　　加药加氯间站：采用LM系列PLC CPU模块LM3109、4个模拟量输入LM3310、以太网模块LM3403和模拟量输出LM3320模块，装在一个PLC控制柜中。主要实现的功能有：采集加药加氯间和滤池中现场设备和仪表的状态信号和数据信号，并对其发送控制信号，通过自动控制程序实现设备的自动运行控制。
　　　加药加氯过程和滤池过滤过程功能：
　　◆根据原水流量自动控制加矾量和前加氯量；
　　◆根据滤后水余氯反馈信号控制后加氯投加量；
　　◆搅拌机、计量泵等设备运行状态的监测；
　　氯源运行工况监测，并自动完成氯瓶的切换；
　　◆检测漏氯报警信号并自动开启氯气中和设备；
　　◆采集进水流量、水质参数（包括沉淀池出水浊度、滤池出水浊度、加氯后余氯等）、液位、氯瓶重量、加氯加药量等信号；
　　◆操作终端上动态显示工艺检测参数和设备工作状态并实时向控制室传送数据；
　　◆根据清水池液位的变化趋势控制1#-至3#滤池的进水阀门的开启与关闭，使清水池的液位保持在设定范围内，避免清水池溢流；
　　◆实时采集每格滤池的运行水位和水头损失，根据滤池水位，通过预装PID调节程序调节清水阀的开启度，实现滤池恒水位过滤；
　　◆对滤格的进水、出水等阀门进行故障检测、判断并进行故障时保护控制，特别是与之相关的设备必须同时进行保护控制；
　　◆实时向中央控制计算机传送工艺检测参数和设备工作状态信号；
　　◆接受中央控制室下达的控制指令，包括对某个滤池进行强制冲洗的指令等（滤池中的反冲洗系统是独立的，并不在本文介绍范围内），判断其正确性、可行性后加以执行；
　　　二级泵房站：采用LM系列PLC CPU模块LM3109、4个模拟量输入LM3310、以太网模块LM3403和模拟量输出LM3320模块，装在一个PLC控制柜中。主要实现的功能有：采集现场设备和仪表的运行状态和数据信号，并根据用户实际的用水情况，通过预装PID调节程序自动调节电动机运行频率，达到恒压供水的目的：
　　◆二级泵房机组电动机、出水阀门、引真空设备运行状态的监测与控制；
　　◆泵房排水泵运行状态监测；
　　◆采集相关水质仪表数据信号，包括出厂水浊度、PH值、余氯等；
　　◆采集清水池、吸水井液位、单泵出口压力和出水总管压力、出水总管流量、电机工作电压和电流等信号；
　　◆根据出水总管实际压力自动开启或关闭水泵运行台数，并通过预装PID调节程序调节2#或3#电机变频器的运行频率，达到恒压供水的目的；
　　◆以吸水井液位的低限值作为1#-至4#泵的停机保护依据，以避免电机空转；
　　◆操作终端上动态显示工艺检测参数和设备工作状态并实时向控制室传送数据；
　　◆接受中央控制室下达的控制指令、工艺参数的整定指令，并判断其正确性、可行性后执行。
　　监控中心
　　本水厂计算机监控系统采用SmartPro3.1.3系统，该系统提供了友好的人机界面(见图2全厂工艺流程图)，具备如下功能：
　　　　1 实现了工艺流程监控
　　该系统实现了水厂整体工艺流程、各主要工艺设备运行状态、过程控制及各生产环节生产数据的实时采集与显示，主要画面有：全厂工艺流程图、一级泵房工艺流程图、滤池工艺流程图、二级泵房工艺流程图、加药加氯间工艺流程图及在线仪表实时参数显示表、生产数据历史趋势图等。实现的工艺生产设备监控功能有：所有被监控制设备的运行状态、启停控制、设备与设备之间的连锁控制、工艺参数的PID设定以控制设备开启度，以及设备温度、电流、压力、液位、流量等参数的显示、报警、记录、趋势以及累积量计算等。
　　　2 调节回路显示与控制
　　包括设备开度调节、运行频率调节、投加量调节等所有调节回路，可修改设定值、控制方式、调节参数等。
   图2 全厂工艺流程图　　3 报警功能
　　包括工艺数据报警、设备故障报警、系统故障报警，并根据不同的报警信息提供不同的报警画面，在故障确认后可实现报警解除。
　　4 历史数据的存储与检索
　　记录生产过程中所有参数的历史数据，记录时间不小于一个月，并可根据要求任意设置。对重要的数据进行在线存储。可以通过历史报表或者历史趋势曲线的方式来检索历史数据。
　　统计分析、历史记录，根据生产数据，建立生产数据库系统，并对这些数据进行有目的的分析，可以做出不同角度、不同应用场合的数据分析和历史记录。
　　　5 操作记录
　　记录生产过程中操作员所进行的所有操作，记录时间不小于一个月，并根据要求任意设置。
　　6 报表显示和打印
　　采用了DDE技术，从而使用户能够直接使用Excel编制报表，借助Excel的强大功能，用户可以随心所欲地编制各种各样的报表，可以是实时数据的报表，也可以是历史数据的报表。报表打印所有受控设备的工作情况、工作状态，仪表测点设备的温度、流量、压力、液位等参数的定时记录打印，以及各种管理报表，班报表、日报表、月报表和年报表。
　　7 系统的安全管理
　　对重要设备的操作、重要参数的修改均会自动记录，包括登录的操作员、对设备进行的操作、时间以及修改前的参数值、修改后的参数等，以利于进行管理及事故分析；系统设置为多用户、多区域方式，各类用户均有自己的用户名和密码，对应着不同的安全级别，决定了操作员可观察的范围、可使用的功能、可修改的参数等。最多可以设置为8级用户、8级区域。
　　　4 控制系统软件实现介绍
　　SmartPro是监控中心采用的SCADA软件，它要以GPRS和以太网的两种方式与PLC通讯。
　　　　GPRS 是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称，是在现有GSM 系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM 用户提供分组形式的数据业务，是一种新的移动数据通信业务，在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线IP。GPRS DTU是支持GPRS技术的一种通讯设备，通过RS－232通讯口完成与PLC的数据交互。PLC定时将数据发送给GPRS DTU，同时PLC实时接收DTU发来的数据完成相应控制功能，GPRS DTU发送数据的过程为：数据送到中国移动GPRS网络中，然后再经过INTRNET，最后在数据中心通过ADSL进行接收，数据中心路由器收到各站的数据后转发到指定端口的数据服务器上，GPRS DTU接收数据的过程为发送数据的反过程。GPRS DTU在收到PLC发来的数据会立即转发到数据中心。根据本工程实际情况，PLC每次向DTU发送帧格式数据量为140字节，接受帧格式数据量同样为140字节，包括所有模拟量和开关量。
　　　DTU在使用前，先要进行参数设定，参数设定主要指三个参数，一个是DTU 身份识别码，当系统中有多个DTU时通过它识别不同的DTU；另个是数据中心的IP地址，指明DTU与那个地址连接；再有就是串口通讯参数，要和PLC串口的通讯参数相同，才能和PLC建立起通讯。用户可以通过超级终端，串口调试工具，以及DTU公司提供的配置工具这三种方式给DTU进行参数配置。只有设置正确的DTU才可以和SmartPro监控中心通讯，SmartPro工程与 GPRS-DTU的通讯一定要通过一个由SmartPro 开发部门专有的开发工具，就是一个SmartPro通过网卡接受/发送数据包的一个驱动程序。这个驱动程序一定要放到相应的SmartPro工程存放的目录中才能起作用，在运行SmartPro工程后要启动这个驱动程序，这样就可以在内部设备中操作DTU传输的数据了。
　　　以太网是一种网络技术，基于CSMA/CD（载波侦听/碰撞检测）控制各节点对网络的访问，在中等通信量时，以太网技术是非常有效的，高性能的。以太网是目前开放性最好的网络，为大多数厂家的工业以太网产品所应用，能够轻松满足用户将来的扩容需要，从而能够很好保护用户的投资。SmartPro 软件系统本身提供对MODBUS TCP/IP 协议的支持，同样LM系列PLC中的以太网模块也支持所有MODBUS TCP/IP协议，所以SmartPro工程与PLC工业以太网通讯可以顺利完成，直接组态中建立MODBUS TCP设备即可。本工程中SmartPro 工程的I/O 服务器与两个LM PLC控制柜通过交换机和铠装光纤组成星型网络。
　　　在PLC控制柜上还有一个Eview的触摸屏，屏的程序主要显示水厂内的参数和对现场设备进行控制，完成现场PLC控制层作用。加药加氯间站的屏显示数据和控制设备与二级泵站的屏是不同的，是根据每个站的功能不同而编写的。屏进入画面如下：

   图3触摸屏程序首页　　在本工程中下位程序根据程序段实现功能不同，主要可以分为数据采集程序、自由口通讯程序、以太网通讯程序和动作执行程序，采用LM PLC程序编写软件PowerPro编写。
　　　5结论
　　本文介绍了采用LM系列PLC的水厂自动化控制系统。在现今水厂自动化控制系统大部分采用中大型PLC的情况下，LM系列小型一体化PLC以其强大的功能取代了中大型PLC应用到水厂自动化控制系统中,达到了智能化控制的目的，满足了可靠性和安全性的要求，同时减小了系统空间，降低了系统的成本。
　　　参考文献
　　[1] 杭州和利时自动化有限公司. LM硬件手册，2006
　　[2] 杭州和利时自动化有限公司. LM软件手册，2006
　　[3] 杭州和利时自动化有限公司. HOLLiAS-LEC SmartPro使用手册，2006