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    1引言

    山西省太谷縣水廠引本縣龐莊水庫地上水進行處理，是山西省國債資助重點工程之一，是為進一步保護、節省地下水資源，深入發展城鎮經濟而建設的重點項目。該水廠設計規模為日供水量1萬方，其主要建筑物有：一級泵房、斜管沉淀池（緩建）、V型濾池、清水池、二級泵房及加藥加氯間等，水處理工藝較先進。

    龐莊水庫常年保持在高水位狀態，為減少運行成本，在取水口與一級泵房出水口處加布一條旁通管道，這樣靠自流即能滿足水廠正常運行供水量，在水庫水位較低時方運行一級泵房供水，達到節能目的。為調整進水量，在進水管道上裝設一只電動調節碟閥。

    源水進入水廠后，在源水管道上投加混凝劑PAC、絮凝劑PAM及一次加氯，經靜態管道混合器混合后直接進入微絮凝濾池進行反應過濾，該水廠濾池采用V型濾池，其反沖洗采用氣水混沖方式。

    處理后的水經二級泵房提壓進入縣城供水管網，為控制供水壓力采用變頻設備自動調節供水量。

    整個水廠的運行基本實現了全自動控制，所有運行參數都由在線數據采集設備自動采集，所采集運行數據被送入PLC，PLC通過光纖采用Modbus/TCP協議與上位監控系統進行數據交換，以監視和控制水廠各個生產環節設備的運行。

    本文主要介紹杭州和利時公司自主研發的LM在水廠自動化控制系統中的應用。水廠工藝過程復雜，為了實現水廠自動化運行要求，圍繞LM PLC的優越的性能設計了本工程的方案，方案中主要利用了LM PLC的模擬量處理、以太網通訊、串口通訊等功能，實現了以GPRS和以太網方式與SmartPro3.1.3監控中心組成網絡。本工程系統性能穩定、具有很高的可靠性，能在保證水廠正常工作。

    2 自動化控制系統組成

    該水廠自動化監控系統采用GPRS通訊與以太網通訊相結合方式，由監控中心與五個PLC控制站構成。控制系統組織網絡見圖1。

       

                                   圖1 控制系統組織網絡圖

    PLC控制站分為廠內和廠外兩個部分，廠內利用兩套PLC系統采集水廠流量、水位、電壓、電流、濁度、加氯量等信號，兩套系統主要設備都裝配在兩個PLC機柜中，機柜上安裝Eview的一個觸摸屏，可以進行現場監控。兩個PLC控制柜分別安裝在二級泵房和加藥加氯間，通過光纖組成以太網與上位SmartPro監控中心連接。

    廠外有三個PLC控制站，這三個系統比較簡單，其中兩個控制站用來測量管網末端壓力，另一個控制站調節遠處進水管道上的電動調節碟閥。這三套系統基于GPRS技術與監控中心通訊，主要是通過深圳宏電公司DTU和移動公司GPRS網絡來完成。DTU主要完成PLC與監控中心數據傳輸的任務，PLC通過RS232串口與宏電的DTU通訊，DTU再通過移動公司GPRS網絡進入INTERNET，與有固定IP地址的SmartPro監控中心進行數據交換。

    監控中心由兩個操作員站組成，兩個操作員站同時又作為一主一從服務器用來存儲實時運行數據，服務器上裝有SmartPro組態軟件做為上位監控界面。

    3 控制系統功能介紹

    本控制系統設計采用三種控制方式，即監控中心遠程控制、現場PLC控制、設備現場手動控制等，其優先級別分別為現場手動控制最高，其次為現場PLC控制，最低為監控中心遠程控制。

    各自動控制單元實現的功能分別是：

    壓力測量站：采用LM 系列PLC LM3109和LM3310模塊，裝在一個PLC控制箱中。主要實現的功能是將采集到水網末端的壓力值每隔一段時間就向監控中心發送一次，監控中心根據傳上來的壓力值可以調整二次泵房恒壓供水的出口壓力設定值。
調節閥控制站：采用LM系列PLC LM3109、LM3310和LM3320模塊，裝在一個PLC控制箱中。主要實現的功能有：采集取水電動機、電動蝶閥及現場儀表的狀態信號及數據信號并對以上設備發送控制信號，通過預裝PID調節程序自動調節電動機運行頻率和電動調節蝶閥的開度：

    ◆取水泵電機、閥門運行狀態監測及控制；

    ◆接受監控中心控制指令、工藝參數的整定指令，并判斷其正確性、可行性后加以執行；

    ◆采集單泵進、出口壓力和出水總管壓力及原水濁度、PH值等數據；

    ◆根據水庫水位的高低，其控制運行方式有兩種：

    第一種運行方式是：水庫水位較低時一級泵房水泵機組投入運行，根據折板反應池的水位反饋信號，通過預裝PID調節程序調節1#、2#電機的變頻器的運行頻率，以實現折板反應池水位的恒定運行；

    第二種運行方式是：水庫水位較高時，開啟原水旁路閥門，實現原水的供水自流，達到節能運行目的，同時根據折板反應池的水位反饋信號，通過預裝PID調節程序自動調節閥門開度，以實現進水的自動調節。

    加藥加氯間站：采用LM系列PLC CPU模塊LM3109、4個模擬量輸入LM3310、以太網模塊LM3403和模擬量輸出LM3320模塊，裝在一個PLC控制柜中。主要實現的功能有：采集加藥加氯間和濾池中現場設備和儀表的狀態信號和數據信號，并對其發送控制信號，通過自動控制程序實現設備的自動運行控制。

    加藥加氯過程和濾池過濾過程功能：

    ◆根據原水流量自動控制加礬量和前加氯量；

    ◆根據濾后水余氯反饋信號控制后加氯投加量；

    ◆攪拌機、計量泵等設備運行狀態的監測；

    ◆氯源運行工況監測，并自動完成氯瓶的切換；

    ◆檢測漏氯報警信號并自動開啟氯氣中和設備；

    ◆采集進水流量、水質參數（包括沉淀池出水濁度、濾池出水濁度、加氯后余氯等）、液位、氯瓶重量、加氯加藥量等信號；
 
    ◆操作終端上動態顯示工藝檢測參數和設備工作狀態并實時向控制室傳送數據；

    ◆根據清水池液位的變化趨勢控制1#-至3#濾池的進水閥門的開啟與關閉，使清水池的液位保持在設定范圍內，避免清水池溢流；

    ◆實時采集每格濾池的運行水位和水頭損失，根據濾池水位，通過預裝PID調節程序調節清水閥的開啟度，實現濾池恒水位過濾；

    ◆對濾格的進水、出水等閥門進行故障檢測、判斷并進行故障時保護控制，特別是與之相關的設備必須同時進行保護控制；

    ◆實時向中央控制計算機傳送工藝檢測參數和設備工作狀態信號；

    ◆接受中央控制室下達的控制指令，包括對某個濾池進行強制沖洗的指令等（濾池中的反沖洗系統是獨立的，并不在本文介紹范圍內），判斷其正確性、可行性后加以執行；

    二級泵房站：采用LM系列PLC CPU模塊LM3109、4個模擬量輸入LM3310、以太網模塊LM3403和模擬量輸出LM3320模塊，裝在一個PLC控制柜中。主要實現的功能有：采集現場設備和儀表的運行狀態和數據信號，并根據用戶實際的用水情況，通過預裝PID調節程序自動調節電動機運行頻率，達到恒壓供水的目的：

    ◆二級泵房機組電動機、出水閥門、引真空設備運行狀態的監測與控制；

    ◆泵房排水泵運行狀態監測； 

    ◆采集相關水質儀表數據信號，包括出廠水濁度、PH值、余氯等；
 
    ◆采集清水池、吸水井液位、單泵出口壓力和出水總管壓力、出水總管流量、電機工作電壓和電流等信號；

    ◆根據出水總管實際壓力自動開啟或關閉水泵運行臺數，并通過預裝PID調節程序調節2#或3#電機變頻器的運行頻率，達到恒壓供水的目的；

    ◆以吸水井液位的低限值作為1#-至4#泵的停機保護依據，以避免電機空轉；

    ◆操作終端上動態顯示工藝檢測參數和設備工作狀態并實時向控制室傳送數據；

    ◆接受中央控制室下達的控制指令、工藝參數的整定指令，并判斷其正確性、可行性后執行。

    監控中心

    本水廠計算機監控系統采用SmartPro3.1.3系統，該系統提供了友好的人機界面(見圖2全廠工藝流程圖)，具備如下功能：
 
    1 實現了工藝流程監控

    該系統實現了水廠整體工藝流程、各主要工藝設備運行狀態、過程控制及各生產環節生產數據的實時采集與顯示，主要畫面有：全廠工藝流程圖、一級泵房工藝流程圖、濾池工藝流程圖、二級泵房工藝流程圖、加藥加氯間工藝流程圖及在線儀表實時參數顯示表、生產數據歷史趨勢圖等。實現的工藝生產設備監控功能有：所有被監控制設備的運行狀態、啟停控制、設備與設備之間的連鎖控制、工藝參數的PID設定以控制設備開啟度，以及設備溫度、電流、壓力、液位、流量等參數的顯示、報警、記錄、趨勢以及累積量計算等。

    2 調節回路顯示與控制

    包括設備開度調節、運行頻率調節、投加量調節等所有調節回路，可修改設定值、控制方式、調節參數等。
        
        

                             圖2 全廠工藝流程圖
 
    3 報警功能

    包括工藝數據報警、設備故障報警、系統故障報警，并根據不同的報警信息提供不同的報警畫面，在故障確認后可實現報警解除。

    4 歷史數據的存儲與檢

    記錄生產過程中所有參數的歷史數據，記錄時間不小于一個月，并可根據要求任意設置。對重要的數據進行在線存儲。可以通過歷史報表或者歷史趨勢曲線的方式來檢索歷史數據。

    統計分析、歷史記錄，根據生產數據，建立生產數據庫系統，并對這些數據進行有目的的分析，可以做出不同角度、不同應用場合的數據分析和歷史記錄。

    5 操作記錄

    記錄生產過程中操作員所進行的所有操作，記錄時間不小于一個月，并根據要求任意設置。

    6 報表顯示和打印

    采用了DDE技術，從而使用戶能夠直接使用Excel編制報表，借助Excel的強大功能，用戶可以隨心所欲地編制各種各樣的報表，可以是實時數據的報表，也可以是歷史數據的報表。報表打印所有受控設備的工作情況、工作狀態，儀表測點設備的溫度、流量、壓力、液位等參數的定時記錄打印，以及各種管理報表，班報表、日報表、月報表和年報表。

    7 系統的安全管理

    對重要設備的操作、重要參數的修改均會自動記錄，包括登錄的操作員、對設備進行的操作、時間以及修改前的參數值、修改后的參數等，以利于進行管理及事故分析；系統設置為多用戶、多區域方式，各類用戶均有自己的用戶名和密碼，對應著不同的安全級別，決定了操作員可觀察的范圍、可使用的功能、可修改的參數等。最多可以設置為8級用戶、8級區域。

    4 控制系統軟件實現介紹

    SmartPro是監控中心采用的SCADA軟件，它要以GPRS和以太網的兩種方式與PLC通訊。

    GPRS 是通用分組無線業務(General Packet Radio Service)的英文簡稱，是在現有GSM 系統上發展出來的一種新的承載業務，目的是為GSM 用戶提供分組形式的數據業務，是一種新的移動數據通信業務，在移動用戶和數據網絡之間提供一種連接，給移動用戶提供高速無線IP。GPRS DTU是支持GPRS技術的一種通訊設備，通過RS－232通訊口完成與PLC的數據交互。PLC定時將數據發送給GPRS DTU，同時PLC實時接收DTU發來的數據完成相應控制功能，GPRS DTU發送數據的過程為：數據送到中國移動GPRS網絡中，然后再經過INTRNET，最后在數據中心通過ADSL進行接收，數據中心路由器收到各站的數據后轉發到指定端口的數據服務器上，GPRS DTU接收數據的過程為發送數據的反過程。GPRS DTU在收到PLC發來的數據會立即轉發到數據中心。根據本工程實際情況，PLC每次向DTU發送幀格式數據量為140字節，接受幀格式數據量同樣為140字節，包括所有模擬量和開關量。

    DTU在使用前，先要進行參數設定，參數設定主要指三個參數，一個是DTU 身份識別碼，當系統中有多個DTU時通過它識別不同的DTU；另個是數據中心的IP地址，指明DTU與那個地址連接；再有就是串口通訊參數，要和PLC串口的通訊參數相同，才能和PLC建立起通訊。用戶可以通過超級終端，串口調試工具，以及DTU公司提供的配置工具這三種方式給DTU進行參數配置。只有設置正確的DTU才可以和SmartPro監控中心通訊，SmartPro工程與 GPRS-DTU的通訊一定要通過一個由SmartPro 開發部門專有的開發工具，就是一個SmartPro通過網卡接受/發送數據包的一個驅動程序。這個驅動程序一定要放到相應的SmartPro工程存放的目錄中才能起作用，在運行SmartPro工程后要啟動這個驅動程序，這樣就可以在內部設備中操作DTU傳輸的數據了。

    以太網是一種網絡技術，基于CSMA/CD（載波偵聽/碰撞檢測）控制各節點對網絡的訪問，在中等通信量時，以太網技術是非常有效的，高性能的。以太網是目前開放性最好的網絡，為大多數廠家的工業以太網產品所應用，能夠輕松滿足用戶將來的擴容需要，從而能夠很好保護用戶的投資。SmartPro 軟件系統本身提供對MODBUS TCP/IP 協議的支持，同樣LM系列PLC中的以太網模塊也支持所有MODBUS TCP/IP協議，所以SmartPro工程與PLC工業以太網通訊可以順利完成，直接組態中建立MODBUS TCP設備即可。本工程中SmartPro 工程的I/O 服務器與兩個LM PLC控制柜通過交換機和鎧裝光纖組成星型網絡。

    在PLC控制柜上還有一個Eview的觸摸屏，屏的程序主要顯示水廠內的參數和對現場設備進行控制，完成現場PLC控制層作用。加藥加氯間站的屏顯示數據和控制設備與二級泵站的屏是不同的，是根據每個站的功能不同而編寫的。屏進入畫面如下：

              


    在本工程中下位程序根據程序段實現功能不同，主要可以分為數據采集程序、自由口通訊程序、以太網通訊程序和動作執行程序，采用LM PLC程序編寫軟件PowerPro編寫。

    5結論

    本文介紹了采用LM系列PLC的水廠自動化控制系統。在現今水廠自動化控制系統大部分采用中大型PLC的情況下，LM系列小型一體化PLC以其強大的功能取代了中大型PLC應用到水廠自動化控制系統中,達到了智能化控制的目的，滿足了可靠性和安全性的要求，同時減小了系統空間，降低了系統的成本。

    參考文獻

    [1] 杭州和利時自動化有限公司. LM硬件手冊，2006

    [2] 杭州和利時自動化有限公司. LM軟件手冊，2006

    [3] 杭州和利時自動化有限公司. HOLLiAS-LEC SmartPro使用手冊，       2006