污水泵站控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

申請免費試用、咨詢電話：400-8352-114

污水泵站控制系統(tǒng)的設計與實現(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泵站串聯(lián)形式，利用地下管道逐級加壓提升的方法進行排污。
控制系統(tǒng)主要由Intellution FIX人機界面、高速數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(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開放式、模塊化結構的基礎之上，并使系統(tǒng)可以 靈活、方便地實現(xiàn)復雜的編程和組態(tài)工作。
系統(tǒng)設中央控制和現(xiàn)場監(jiān)控兩級，即中央控制室和七座泵站(PLC1～7)。中央控制室內(nèi)裝有一臺SLC—500系列PLC0系統(tǒng)、模擬屏一面及二臺工控機(一用一備)，PLC0實時采集各泵站的現(xiàn)場信號，并在模擬屏及上位計算機屏幕上顯示出來。
2 系統(tǒng)設計
2.1 系統(tǒng)設計原則
根據(jù)控制系統(tǒng)設計規(guī)范，其設計原則為：
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，并在設計中盡量減少模塊間數(shù)據(jù)、控制參數(shù)的傳遞，以減少相關性。
②可靠性。采用雙機熱備用方式。
③實時性。自動地控制泵站各個設備，如閥門和水泵等的正常自動運行，在出現(xiàn)異常時迅速處理并報警。
④可維護性。采用模塊化設計以方便維護。
⑤可讀性和可擴展性。
2.2 系統(tǒng)設計思想
截流工程采用分級分布式計算機控制系統(tǒng)，對截流工程的工藝過程進行集中管理、分散控制。
①采用分級、分布式結構
系統(tǒng)設中央控制室和泵站現(xiàn)場監(jiān)控站兩級，由中控室統(tǒng)一管理。每座泵站為相對獨立的監(jiān)控站，能實現(xiàn)就地控制的各種功能。系統(tǒng)功能還包括能實現(xiàn)手動控制、就地控制和遠程控制 的相互切換，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，各監(jiān)控站仍能實現(xiàn)就地控制。
②系統(tǒng)具有高可靠性
中央控制室設置成雙機系統(tǒng)，采用雙機熱備份方式。自動化儀表驅動執(zhí)行機構均選用可靠設備。
③故障診斷實時性
在一個控制周期內(nèi)實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)的各種I/O模板的自診斷，發(fā)現(xiàn)故障立即進行切換和報警。
④系統(tǒng)擴展靈活，重組容易。
⑤模塊化兼容的應用軟件。
泵站SCADA主站計算機系統(tǒng)采用開放式體系結構，有利于將來系統(tǒng)的升級。中心控制室計算機系統(tǒng)、管理大樓計算機系統(tǒng)、七個現(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)構成了一個先 進的管理控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)，實現(xiàn)了對整個鎮(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)構成如圖1所示。
 
2.3 系統(tǒng)的硬件設計
根據(jù)設計任務書統(tǒng)計各數(shù)據(jù)量，并進行分類，由此來決定所需的模塊類型與數(shù)量。模擬屏控制機(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和中控室計算機傳遞命令和數(shù)據(jù)，并控制模擬屏。模擬屏顯示各現(xiàn)場分站設備的狀態(tài)和相關數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)中的七個泵站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，它包括機架、電源、處理器(CPU)、各種輸入/輸出(I/O)模塊和一 個編程用的操作員接口設備。根據(jù)現(xiàn)場采集信號與被控信號的類型與數(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，為一個實際的系統(tǒng)配置PLC硬件時，要根據(jù)以下的次序來選擇相應的硬件產(chǎn)品：信號采集點數(shù)→I/O模板→處理器→電源→框架。
2.4 系統(tǒng)的軟件設計
系統(tǒng)采用二級結構，由上位機、下位機和檢測儀表組成，需要采集35個模擬量、803個開關量。模擬量包括液位、液位差、流量、壓力、pH值等；開關量包括各種設備的運行狀態(tài)與保護裝置的動作狀態(tài)。系統(tǒng)軟件設計分為IPC軟件和PLC軟件兩種。
①IPC以Intellution FIX為開發(fā)平臺，采用可視化開發(fā)技術進行圖形界面的過程處理，實時顯示圖形，用戶界面清晰，在上位機和大型模擬屏上顯示整個截流工程的工藝參數(shù)、工藝流 程及設備狀態(tài)，操作人員可以清晰、直觀地監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀況。各種操作均以按鈕、下拉菜單、列表框來實現(xiàn)，緊急情況下能在IPC和PV550上對各泵站的 水泵進行控制。另外，系統(tǒng)還采用了數(shù)據(jù)完整性保護技術、動態(tài)交換技術、文件共享技術等，能從網(wǎng)絡上的任何一個節(jié)點上直接訪問數(shù)據(jù)庫、圖片以及其他文件，實 現(xiàn)了人機繪畫及監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)完整性、開放式結構、歷史趨勢曲線、報表打印等功能，滿足了污水截流工程的實際需要。
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。一個塊(也稱點)是一組過程控制指令代碼，它執(zhí)行規(guī)定的動 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)整鏈的掃描時間或修改其相位來提高數(shù)據(jù)庫的效率。
b.使用動態(tài)數(shù)據(jù)交換技術，把過程信息傳送給其他應用程序，如SPC(過程控制統(tǒng)計)程序等；在畫面和過程數(shù)據(jù)庫中插入來自其他應用程序的數(shù)據(jù)和另一 個SCADA節(jié)點的信息，將該數(shù) 據(jù)放入鏈中并且進行報警和趨勢處理；在Excel中快速地建立標準的報表，并能根據(jù)實時數(shù)據(jù)進行更新。從Excel工作薄中獲取數(shù)據(jù)時使用下列語法：= EXCEL1［FILE.XLS］SHEET1!R1C1。同時，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 表標題或文本中的靜態(tài)數(shù)據(jù)和連續(xù)變化的數(shù)據(jù)，如實時數(shù)據(jù)、當前數(shù)據(jù)和時間。
c.對所有不能存儲在數(shù)據(jù)庫中而又要用這些數(shù)據(jù)進行趨勢顯示的數(shù)據(jù)，如水泵運行時間、質量測試等，在Excel文件中創(chuàng)建了實驗數(shù)據(jù)文件，每行代表一 行實驗數(shù)據(jù)，這樣就可以在同一個趨勢圖中顯示歷史數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)。另外，從關系數(shù)據(jù)庫中提取所需的時間是可以調(diào)整的，這取決于信息量和數(shù)據(jù)庫的大小，采用 把關系數(shù)據(jù)庫存儲在簇中并創(chuàng)建簇索引的方法，來提高數(shù)據(jù)提取的速度，達到優(yōu)化數(shù)據(jù)提取的目的。
d.為了防止非授予權寫入數(shù)據(jù)庫塊，確保數(shù)據(jù)的完整性，在定義數(shù)據(jù)塊時，定義了安全區(qū)域。一旦數(shù)據(jù)庫節(jié)點有了安全保護，操作員必須首先進入注冊程序，并且輸入相應的名字和口令字。登錄后，操作員才可以使用被授權的功能。
②PLC梯形圖軟件是以RSLogix500為開發(fā)平臺，軟件的使用可另外配置編程終端，也可以在上位機上進行，通過KF3將微機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在上位機上。
下位機控制主程序包含初始化、遙控、自控等8個子程序(其中泵站自控子程序流程如圖2)，其特點是集數(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)的自動巡回檢測，進行數(shù)據(jù)整理、運算、存儲、輸出報警信號，與上位機通過X.28分組交換構成廣域通信網(wǎng)，實現(xiàn)遠程通訊和控制。具體功 能如下：
a.采集泵站壓力、水位、水位差、流量、pH值等八個模擬量。
b.采集水泵運行、故障、電動閘閥全開、全關、運行、故障，啟閉機全開、全關、運行、故障，格柵運行、故障等126～320個開關量(各泵站不等)。
c.與中控室保持聯(lián)絡，實時傳送數(shù)據(jù)。
d.解釋、執(zhí)行中控室的遙控指令。
e.自動控制水泵的運行，并保證泵與閥的聯(lián)動。
f.自動對故障源定位并報警。
g.與中控室自動校對。
 
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。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)的運行費用。
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(JSPAC)，通過MODEM 進行遠程通訊。
分組交換技術是面向連接的數(shù)據(jù)通信技術，它具有差錯控制功能，保證高質量的傳輸，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)程的終端和計算機之間進行通信，分組多路通信可實現(xiàn)一點對多點同時通 信，可建立發(fā)送數(shù)據(jù)優(yōu)先權，便于分散設點的用戶共享資源，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，通信費用低等優(yōu) 點。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)的計算機可以和網(wǎng)上的其他計算機系統(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。能進行快 速可靠的數(shù)據(jù)通信是選 擇這一網(wǎng)絡進行遠程通信的原因。
如何利用JSPAC的X.28業(yè)務實現(xiàn)PLC之間的通信，這是本系統(tǒng)技術難點之一。X.28建議定義了ASCII終端與PAD(PAD為分組拆裝設 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。當用戶與PAD通信時為命令狀態(tài)，通過訪問PAD可以完成對參數(shù)的修改，或向JSPAC發(fā)送各種命令。當用戶終端與JSPAC上的主機進行通 信，即進行數(shù)據(jù)通信時，為數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)，此時的網(wǎng)絡對用戶來說是透明的。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行實時監(jiān)控外，還通過X.28分組交換構成廣域通信網(wǎng)，調(diào)試人員在電信部門的協(xié)助下，經(jīng)過多次反復，使系統(tǒng)順利實現(xiàn)了遠程通訊。
JSPAC通信系統(tǒng)采用主—從結構，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。 中控室中的工控機通過KF3與PLC0進行通訊，PLC0與PLC1間通過內(nèi)備DH—485通訊口進行通訊，PLC0與其他各分站均選用相同型號 (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計算機系統(tǒng)能不能協(xié)調(diào)運行的關鍵問題。在實際運行中，上位機與下位機之間有兩種通訊方式。
①上位機主動
其中又有兩種方式：一是上位機對下位機進行寫命令操作；二是上位機主動讀取。在機組啟動時，下位機監(jiān)測啟動過程，對大量的啟動數(shù)據(jù)進行處理。發(fā)送中 斷，告知上位機啟動的機組號，上位機接到信號后讀取啟動數(shù)據(jù)，繪制啟動曲線。正常運行后，上位機間隔10min讀取下位機中的數(shù)據(jù)。
②上位機被動
當有事故或故障發(fā)生時，下位機發(fā)送事故或故障代號，上位機根據(jù)下位機的通訊協(xié)議進行特殊的處理。
中控室通訊功能：雙串行口，可與有線信道、網(wǎng)絡、模擬屏及泵站SLC500可編程序控制器進行通訊。
3　系統(tǒng)接地問題的考慮
　　由于系統(tǒng)所控制的設備功率較大，以及環(huán)境條件比較復雜，強大的電場和磁場干擾不容忽視。為了使系統(tǒng)能夠可靠地運行，采用了“半浮地”技術，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。
4 結論
　　污水泵站控制系統(tǒng)采用了國際上最流行的、可靠的多任務監(jiān)控軟件Intellution FIX和RSLog ix500高級編程軟件，以實現(xiàn)建立穩(wěn)定、可靠、實時的泵站監(jiān)控和管理系統(tǒng)。通過幾年來的運行表明，該系統(tǒng)的設計是成功的，它實現(xiàn)了對整個污水截流系統(tǒng)的控制操作、數(shù)據(jù)采集和信息的實時性、準確性、完整性和統(tǒng)一性。