污水泵站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-工程設(shè)計(jì)

1、污水泵站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-工程設(shè)計(jì)污水泵站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(xiàng)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(yùn)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(yuǎn)期 （2010年）所能接納的污水量為30Xl04m3/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(jìn)行排污?？刂葡到y(tǒng)主要由Intellution FIX人機(jī)界面、高速數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)（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(gè)開放式、模塊化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，并使系統(tǒng)可以靈活、方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的

2、編程和組態(tài)工作。系統(tǒng)設(shè)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(tái)SLC500系列PLC0系統(tǒng)、模擬屏一面 及二臺(tái)工控機(jī)（一用一備）,PLC0實(shí)時(shí)采集各泵站的現(xiàn)場信號，并在 模擬屏及上位計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，其設(shè)計(jì)原則為： 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(shè)計(jì)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(guān)性。 可靠性。采用雙機(jī)熱備用方式。 實(shí)時(shí)性。自動(dòng)地控制泵站各個(gè)設(shè)備，如閥門和水泵等的正常自動(dòng)運(yùn) 行，在出現(xiàn)異常時(shí)迅速處理并報(bào)警。 可維護(hù)性。采用模塊化設(shè)計(jì)以方便維護(hù)。 可讀

3、性和可擴(kuò)展性。2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想截流工程采用分級分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，對截流工程的工藝過程進(jìn) 行集中管理、分散控制。 采用分級、分布式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)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(dú)立的監(jiān)控站，能實(shí)現(xiàn)就地控制的各種功能。系統(tǒng)功能還 包括能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制、就地控制和遠(yuǎn)程控制的相互切換，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，各監(jiān)控站仍能實(shí)現(xiàn)就地控制。 系統(tǒng)具有高可靠性中央控制室設(shè)置成雙機(jī)系統(tǒng)，采用雙機(jī)熱備份方式。自動(dòng)化儀表驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)均選用可靠設(shè)備。 故障診斷實(shí)時(shí)性在一個(gè)控制周期內(nèi)實(shí)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(jìn)行切換和報(bào)警。 系統(tǒng)擴(kuò)展靈活，重組容易。 模塊化兼容的應(yīng)用

4、軟件。泵站SCADA主站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用開放式體系結(jié)構(gòu)， 有利于將來系統(tǒng) 的升級。中心控制室計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、管理大樓計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、七個(gè)現(xiàn)場泵分控站及檢測儀表，通過DH 485通訊網(wǎng)(PLCO與PLC1間)和江蘇 省公用分組交換數(shù)據(jù)通信網(wǎng)(PLCO與PLC2PLC7間)構(gòu)成了一個(gè)先 進(jìn)的管理控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA),實(shí)現(xiàn)了對整個(gè)鎮(zhèn)江市城市污 水截流工程的集中管理及分散控制?？刂葡到y(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。2.3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書統(tǒng)計(jì)各數(shù)據(jù)量，并進(jìn)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(jī)(PLC0)通過DH485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

5、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(jì)算機(jī)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(shè)備的狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中的七個(gè)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(jī)架、電源、處理器(CPU)、各種輸入/輸出(I/O) 模塊和一 個(gè)編程用的操作員接口設(shè)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： 處理器模板(SLC5/03); 離散型 I/O 模板(1746 IB16、1746 OW16、1746 OB23 模板); 模擬量I/O模板(1746 NI4、1746 NO4I模板); 電源

6、模板(1746 P2); 操作員終端(PanelView550,2711- K5A2)。所以，為一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)配置 PLC硬件時(shí)，要根據(jù)以下的次序來選 擇相應(yīng)的硬件產(chǎn)品：信號采集點(diǎn)數(shù)-I/O模板T處理器T電源T框架 2.4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用二級結(jié)構(gòu)，由上位機(jī)、下位機(jī)和檢測儀表組成，需要采集 35個(gè)模擬量、803個(gè)開關(guān)量。模擬量包括液位、液位差、流量、壓力、 pH值等；開關(guān)量包括各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與保護(hù)裝置的動(dòng)作狀態(tài)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為IPC軟件和PLC軟件兩種。IPC以Intellution FIX為開發(fā)平臺(tái)，采用可視化開發(fā)技術(shù)進(jìn)行圖形 界面的過程處理，實(shí)時(shí)顯示圖形，用戶界面清晰，在上位機(jī)和

7、大型模 擬屏上顯示整個(gè)截流工程的工藝參數(shù)、工藝流程及設(shè)備狀態(tài)，操作人員可以清晰、直觀地監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。各種操作均以按鈕、下 拉菜單、列表框來實(shí)現(xiàn)，緊急情況下能在 IPC和PV550上對各泵站 的 水泵進(jìn)行控制。另外，系統(tǒng)還采用了數(shù)據(jù)完整性保護(hù)技術(shù)、動(dòng)態(tài) 交換技術(shù)、文件共享技術(shù)等，能從網(wǎng)絡(luò)上的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)上直接訪問 數(shù)據(jù)庫、圖片以及其他文件，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)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(jié)構(gòu)、歷史趨勢曲線、報(bào)表打印等功 能，滿足了污水截流工程的實(shí)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(gè)塊（也稱點(diǎn)）是一組過程控制指令代碼，

8、 它執(zhí)行規(guī)定的動(dòng)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(shè)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(shí)間或修改其相位來提高數(shù)據(jù)庫的效率。b. 使用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)，把過程信息傳送給其他應(yīng)用程序，如SPC（過程控制統(tǒng)計(jì)）程序等；在畫面和過程數(shù)據(jù)庫中插入來自其他應(yīng) 用程序的數(shù)據(jù)和另一 個(gè)SCADA節(jié)點(diǎn)的信息，將該數(shù) 據(jù)放入鏈中并 且進(jìn)行報(bào)警和趨勢處理；在 Excel中快速地建立標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)表，并能根 據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。從Excel工作薄中獲取數(shù)據(jù)時(shí)使用下列語法：=EXCEL1 : FILE.XLS SHEET1!R1C1。同時(shí)，在 Excel 工作表中增 加

9、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(bào)表標(biāo)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、當(dāng)前數(shù)據(jù)和 時(shí)間。c. 對所有不能存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中而又要用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢顯示的數(shù)據(jù)，如水泵運(yùn)行時(shí)間、質(zhì)量測試等，在 Excel文件中創(chuàng)建了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 文件，每行代表一 行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這樣就可以在同一個(gè)趨勢圖中顯示 歷史數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。另外，從關(guān)系數(shù)據(jù)庫中提取所需的時(shí)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(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)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(dá)到優(yōu)化數(shù)據(jù) 提取的目的。d. 為了防止非授予權(quán)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(shí)，定義了安全區(qū)域。

10、一旦數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)有了安全保護(hù)，操作員必須 首先進(jìn)入注冊程序，并且輸入相應(yīng)的名字和口令字。登錄后，操作員 才可以使用被授權(quán)的功能。PLC梯形圖軟件是以RSLogix500為開發(fā)平臺(tái)，軟件的使用可另外 配置編程終端，也可以在上位機(jī)上進(jìn)行，通過 KF3將微機(jī)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(chǔ)在上位機(jī)上下位機(jī)控制主程序包含初始化、遙控、自控等8個(gè)子程序（其中泵站自控子程序流程如圖2）,其特點(diǎn)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(dòng)巡回檢測，進(jìn)行數(shù)據(jù) 整理、運(yùn)算、存儲(chǔ)、輸出報(bào)警信號，與上位機(jī)通過X.28分組交換構(gòu)成

11、廣域通信網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(gè)模擬量。b采集水泵運(yùn)行、故障、電動(dòng)閘閥全開、全關(guān)、運(yùn)行、故障，啟閉機(jī) 全開、全關(guān)、運(yùn)行、故障，格柵運(yùn)行、故障等 126 320個(gè)開關(guān)量（各 泵站不等）。c. 與中控室保持聯(lián)絡(luò)，實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)。d. 解釋、執(zhí)行中控室的遙控指令。e. 自動(dòng)控制水泵的運(yùn)行，并保證泵與閥的聯(lián)動(dòng)。f. 自動(dòng)對故障源定位并報(bào)警。g. 與中控室自動(dòng)校對。2.5系統(tǒng)通訊由于PLC1（江濱泵站）與PLCO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(luò)。采用這

12、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(yùn)行費(fèi)用。PLC0與各泵站PLC27之間采用江蘇省公用分組交換數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（JSPAC）,通過MODEM 進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊。分組交換技術(shù)是面向連接的數(shù)據(jù)通信技術(shù)， 它具有差錯(cuò)控制功能，保 證高質(zhì)量的傳輸，網(wǎng)內(nèi)全程誤碼率v 1X10-10,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(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通信，分組多路通信可實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對多點(diǎn) 同時(shí)通 信，可建立發(fā)送數(shù)據(jù)優(yōu)先權(quán)，便于分散設(shè)點(diǎn)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(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)

13、。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(jì)算機(jī)可以和網(wǎng)上的其他計(jì)算機(jī)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(jìn)行快速可靠的數(shù)據(jù)通信是選 擇這一網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的原因。如何利用JSPAC的X.28業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)PLC之間的通信，這是本系統(tǒng)技術(shù) 難點(diǎn)之一。X.28建議定義了 ASCII終端與PAD（PAD為分組拆裝設(shè) 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(dāng)用戶與PAD通信時(shí)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(dāng)用戶終端與JSPAC上的主機(jī)進(jìn)行通 信， 即進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，為數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)，此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)對用戶來說是透

14、明 的。通過X.28建議可以完成ASCII終端與JSPAC上主機(jī)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(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控外，還通 過X.28分組交換構(gòu)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(fù)，使系統(tǒng)順利實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程通訊。JSPAC通信系統(tǒng)采用主一從結(jié)構(gòu)，中控室里的 PLCO為主站，泵站 (PLC17)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(jī)通過 KF3與PLC0進(jìn)行通訊，PLC0與PLC1間通 過內(nèi)備DH485通訊口進(jìn)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),

15、傳輸速率為9600bps,傳 輸系統(tǒng)誤碼率v 1X10-6。主站與從站之間的通訊問題是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能不能協(xié)調(diào)運(yùn)行的關(guān)鍵問題。在實(shí)際運(yùn)行中，上位機(jī)與下位機(jī)之間有兩種通訊方式。 上位機(jī)主動(dòng)其中又有兩種方式：一是上位機(jī)對下位機(jī)進(jìn)行寫命令操作； 二是上位 機(jī)主動(dòng)讀取。在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，下位機(jī)監(jiān)測啟動(dòng)過程，對大量的啟動(dòng)數(shù) 據(jù)進(jìn)行處理。發(fā)送中 斷，告知上位機(jī)啟動(dòng)的機(jī)組號，上位機(jī)接到信 號后讀取啟動(dòng)數(shù)據(jù)，繪制啟動(dòng)曲線。正常運(yùn)行后，上位機(jī)間隔10min讀取下位機(jī)中的數(shù)據(jù)。 上位機(jī)被動(dòng)當(dāng)有事故或故障發(fā)生時(shí)，下位機(jī)發(fā)送事故或故障代號，上位機(jī)根據(jù)下 位機(jī)的通訊協(xié)議進(jìn)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(luò)、模擬屏及泵站SLC500可編程序控制器進(jìn)行通訊。3系統(tǒng)接地問題的考慮由于系統(tǒng)所控制的設(shè)備功率較大，