污水泵站控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)-工程設(shè)計

1、污水泵站控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)-工程設(shè)計污水泵站控制系統(tǒng)的設(shè)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(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SLC500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(shè)計2.1系統(tǒng)設(shè)計原則根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范，其設(shè)計原則為： 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。采用雙機熱備用方式。 實時性。自動地控制泵站各個設(shè)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。 可維護性。采用模塊化設(shè)計以方便維護。 可讀

3、性和可擴展性。2.2系統(tǒng)設(shè)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。 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(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，各監(jiān)控站仍能實現(xiàn)就地控制。 系統(tǒng)具有高可靠性中央控制室設(shè)置成雙機系統(tǒng)，采用雙機熱備份方式。自動化儀表驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)均選用可靠設(shè)備。 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。 系統(tǒng)擴展靈活，重組容易。 模塊化兼容的應(yīng)用

4、軟件。泵站SCADA主站計算機系統(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)(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?？刂葡到y(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。2.3系統(tǒng)的硬件設(shè)計根據(jù)設(shè)計任務(wù)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(shè)備的狀態(tài)和相關(guān)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(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(yīng)的硬件產(chǎn)品：信號采集點數(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)計系統(tǒng)采用二級結(jié)構(gòu)，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(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)備的運行狀態(tài)與保護裝置的動作狀態(tài)。系統(tǒng)軟件設(shè)計分為IPC軟件和PLC軟件兩種。IPC以Intellution FIX為開發(fā)平臺，采用可視化開發(fā)技術(shù)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

7、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(shè)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(shù)、動態(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(jié)構(gòu)、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，

8、 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(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(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）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

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(dāng)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(zhì)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(guān)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(guān)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(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，定義了安全區(qū)域。

10、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(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，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(gòu)成

11、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(guān)、運行、故障，啟閉機 全開、全關(guān)、運行、故障，格柵運行、故障等 126 320個開關(guān)量（各 泵站不等）。c. 與中控室保持聯(lián)絡(luò)，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)的運行費用。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 進行遠程通訊。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(quán)，便于分散設(shè)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

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(luò)進行遠程通信的原因。如何利用JSPAC的X.28業(yè)務(wù)實現(xiàn)PLC之間的通信，這是本系統(tǒng)技術(shù) 難點之一。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(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(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)順利實現(xiàn)了遠程通訊。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。中控室中的工控機通過 KF3與PLC0進行通訊，PLC0與PLC1間通 過內(nèi)備DH485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),

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計算機系統(tǒng)能不能協(xié)調(diào)運行的關(guān)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。 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)。 上位機被動當(dāng)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(luò)、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(shè)備功率較大，