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1  項目概況
    太原城市供水公司呼延凈水廠為山西省重點工程，建設資金來源于國債，是萬家寨引黃入晉工程的組成部分。黃河水源從萬家寨水庫提取，經五級提升進入汾河水庫，再由汾河水庫經管道、隧洞流入呼延凈水廠。水廠規模為日供水首期40萬噸/日，近期將達到80萬噸/日。全廠主要構成有儲藥池、加藥間、加氯加氨間、配水車間、凈水車間（混合、蓄凝、沉淀、大小虹吸濾池）、清水池、污泥濃縮脫水車間及綜合樓（中控室）等。
2  系統設計
    本項目采用羅克韋爾自動化的全線產品，以Logix控制平臺和開放的現場總線網絡NetLinxTM體系為核心，采用最新的控制器、驅動、網絡架構及工控軟件產品組建了一個由計算機、PLC、現場在線儀表組成的多級的、開放的、模塊化的、實時多任務的集散型的可擴展的數據采集和監控系統。
該系統采用集成工業現場總線、控制總線和100/1 000M高速以太網組成的混合三層體系結構，既支持基于瀏覽器的B/S結構體系，也支持C/S結構體系，系統體系結構如圖1所示。

 
圖1  太原呼延凈水廠系統體系結構

    整個呼延水廠的輸入/輸出信息形式多樣（包括圖像、圖形、文字、語音、數字等多媒體形式），信息量大，對系統功能要求高。控制監視任務不僅僅限于單機的檢測和控制問題，而且還要求實現對整個系統的監控、診斷、優化、預報、調度。以PLC和計算機為核心的信息處理機制將完成對綜合信息的管理、生產過程的計劃、調度、監視與自動化控制。系統具有以下三個主要方面的功能：
(1)  現場生產數據的采集、分析、處理、動態追蹤、工藝控制等前臺生產現場檢測與控制；
(2)  水質數據、設備故障信息管理等后臺信息管理；
(3)  水廠運行監控與計劃調度指揮，現場電視監視、內部電話監控等多媒體系統。
    為了實現以上功能的集成，太原呼延凈水廠廣泛采用了多媒體技術、現場總線技術、高速以太網技術、工業控制技術、通信技術與視頻圖像監控技術等關鍵技術，可以定義為集成現場工業總線的高速以太網多媒體計算機信息管理、控制系統。整個系統的架構分為三個層次（如圖2所示）。

圖2  太原呼延凈水廠網絡結構拓撲圖

(1)  信息層 由計算機硬件與軟件系統組成。其中硬件部分主要為工作站、服務器、工業電視監視系統、網絡傳輸線路等組成，完成系統的數據采集、監測、控制、通信、顯示等功能。軟件系統主要由基于羅克韋爾自動化組態軟件開發的呼延水廠生產過程控制與作業管理信息系統、呼延水廠運行監控與計劃調度指揮系統和基于微軟SQL數據庫開發的生產管理（水質監測、生產數據和系統故障報警信息）信息系統等組成。 該體系結構實現了對呼延水廠生產系統軟硬件資源的充分利用，使系統具有更高的兼容性、開放性和安全性。系統采用IBM部門級服務器，對生產管理系統數據進行備份、存儲，以保證生產數據的高度安全性。監控工作站、管理工作站、現場過程數據服務器（Web服務器）、視頻服務器、數據庫及應用軟件的用戶之間通過TCP/IP通信協議實現信息的傳輸與共享。數據庫中的數據只有通過服務器才能夠與用戶、現場設備之間進行信息的交流（監控計算機除外）。用戶既可以通過Windows內建的IE瀏覽器實現生產現場信息的獲取與交互，也可以直接與數據服務器進行信息的交流，再通過監控計算機實現對現場設備的控制。用戶不直接參與控制現場設備與數據庫，既保證了數據的安全性及底層設備的健壯性又實現了人機交互界面的透明性與友好性。
(2)  控制層 現場控制站以ControlLogixTM平臺為控制核心，分布在各工藝段，PLC之間和中央監控計算機通過光纖采用ControlNetTM網絡協議相連，實現控制信號的高速傳輸。PLC自動監測重要設備的運行狀態和工藝參數變化，并對設備進行自動控制。根據工藝流程（如圖3所示），全廠共設6套PLC控制站：
    1＃PLC站設在加藥間，負責投藥系統和配藥系統。根據進水流量、原水濁度、溫度及沉淀后SCD值進行加藥系統的PID自動調節；并通過網絡通訊控制進水流量調節器。
    2＃PLC站設在加氯加氨間，控制液氯及液氨的氣化、加氯加氨機的投用與切換，完成加氯加氨過程的監測和控制。
    3＃PLC站設在沉淀池配電間，控制配水井排泥角閥、格柵機、電動蝶閥門、各閥島電磁閥箱，控制反應沉淀區域的排泥過程。
    4＃PLC站設在濾池電氣配電間，自動完成濾池過濾與反沖洗過程控制、高低壓配電系統的監測、對回收水池及排泥池的監視與控制。
    5＃PLC站設在自用水泵房，用于出廠水的水質監測、控制自用水泵的啟停、通過網絡通訊對出廠水的調節控制器進行控制。
    6＃PLC站設在濃縮脫水機房。完成回收水的濃縮過程，并為脫水系統輸送濃縮后的污泥，與脫水系統進行網絡連接采集脫水設備及脫水過程的狀態數據。

 
圖3  太原呼延凈水廠工藝總圖

    另配置PLC0，用于中央控制室模擬屏的實時刷新。
    由于采用了通信網絡的介質冗余和處理器冗余，構成了一個安全、可靠的控制系統：當控制網絡、控制CPU故障或不使用時，冗余部分可自動進行無擾動切換，投入工作而不影響整個工藝過程的連續控制和檢測。
(3)  設備層 采用DEVICE NETTM網絡連接分布于水廠的傳感器和執行機構，將變頻器、閥島、儀表等直接采用總線電纜連接，實現了數字和模擬輸入/輸出模塊、智能信號裝置和過程調節裝置及PLC之間的數據數字化傳輸，把I/O信號通道分散到實際需要的現場設備附近，使安裝和布線的費用減少到最小，從而使成本費用大大地節省。這種用于低層設備的低成本、高效率信息集成模式，已經逐漸成為控制領域的主流。
3  系統特點
(1)  可靠性高、技術先進 傳統控制系統網絡設計基于單一的主/從地址總線，系統運行過程中由單一設備主宰總線并控制所有數據傳送。這種集中的設計方法，降低了總線的傳輸效率，無法充分發揮帶寬。ControlBusTM通過提供基于并行通訊網絡的，多主的生產者/客戶者信息概念打破了這種模式，并將生產者/客戶者技術直接應用于背板總線，可以同時完成1對1、1對多的信息傳遞。控制器不再作為通訊控制中心，無需干預背板上的數據交換，設備之間可直接進行數據廣播和通訊，提高了系統的帶寬和性能。采用這種技術構造的控制系統具有更大靈活性，應用響應更快，處理器負擔低和數據處理時間短，減少了網絡和背板數據傳輸量，縮短 I/O 等待時間。控制網網絡是一種高速確定性網絡，為同一鏈路上對等通信提供了具有相同帶寬的實時控制和報文傳送服務，更提供了I/O數據在控制器或操作員界面設備之間共享的功能，這種多控制器共享對等通信互鎖數據設計大大簡化了PLC的程序量，省卻了大量的CPU之間通訊指令。在數據傳送過程中，網絡提供確定性和可重復性功能，保證了數據傳遞的可靠性。
(2)  Web瀏覽 系統運用RSWebserver和Windows內建的IE瀏覽器實現了與Internet的連接，為用戶提供了一個真正的瘦客戶端服務系統。位于生產控制中心的數據服務器可作為一Web網站被享有特定權限的用戶登錄訪問，獲得授權的用戶可在任何地方通過公司指定的Web服務器網址，利用支持HTML3.2超文本協議的瀏覽器獲得整個系統的運行信息。
(3)  易于操作及維護 ControlNetTM、DeviceNetTM及Logix平臺的模塊化結構，為用戶提供了豐富的診斷信息，系統自身可以自動對硬件及網絡上的錯誤進行分析和更正，并實時檢測設備潛在的維護需求，避免整個系統崩潰。操作員可以通過嵌入在前端計算機運行的、友好的人機界面程序（基于RSVIEW32TM平臺開發）直觀、全面地了解系統的健壯程度，及時發現、預測系統隱患所在，將故障查找時間降至最低，大幅減少了系統維護的工作量。
(4)  支持多種接口 整個控制系統通訊網絡主架構采用Rockwell公司的NetLinxTM技術。它不僅支持Logix平臺，同樣可以兼容其他的網絡協議。系統中其他一些從國內外單獨引進的設備如調流調壓閥、污泥脫水機、直流屏等分別采用了Modbus、Profibus-DP和RS-485等協議。Logix平臺和NetLinxTM技術提供了網絡間橋接和路由功能，將不同協議的接口數據通過無源背板總線在網絡上以CIP的模式傳遞。
4  結語
    由于該系統具有較高的可靠性、穩定性以及靈活的可擴展功能和對復雜環境及處理要求的適應性，為水廠的少人值守管理模式，創造了良好的技術條件。目前系統已正式投運近半年多，其性能完全能滿足運行要求，產生了很好的經濟效益。