1  引言

        石家莊市供水總公司地表水廠是1996年建成投產(chǎn)的自動化地表水廠。水廠設(shè)計生產(chǎn)能力日產(chǎn)水30萬噸。原plc自控系統(tǒng)已運(yùn)行十年，現(xiàn)已非主流產(chǎn)品，無法實現(xiàn)自身的升級換代和擴(kuò)展，而且備件貨源逐步枯竭。隨著設(shè)備存續(xù)周期的臨近，不排除出現(xiàn)大面積故障的可能，進(jìn)而直接導(dǎo)致控制系統(tǒng)的局部或整體癱瘓。在這種嚴(yán)峻形勢下，對plc自控系統(tǒng)進(jìn)行改造勢在必行。

        改造工程選用穩(wěn)定性、擴(kuò)充性、先進(jìn)性和兼容性俱佳的羅克韋爾公司的controllogix系列plc產(chǎn)品作為本次改造的主力自控產(chǎn)品。目前改造工程取得了前所未有的成效，開創(chuàng)了多項技術(shù)創(chuàng)新先河。在送水泵房實現(xiàn)了變頻調(diào)速恒壓供水的設(shè)計要求，在保證供水管網(wǎng)壓力恒定的前提下，僅節(jié)電一項一年就可以為水廠節(jié)約開支約70萬元。同時成功地實現(xiàn)了controllogix系統(tǒng)與第三方設(shè)備的modbus通訊，特別是遠(yuǎn)程的兩個取水管理站與中控室之間的數(shù)據(jù)通訊，采用無線modbus的方式實現(xiàn)controllogix系統(tǒng)與第三方設(shè)備之間的通訊，成為整個工程的亮點。改造過程中新plc系統(tǒng)與舊plc系統(tǒng)（squared自控設(shè)備）之間的數(shù)據(jù)交換采用opc服務(wù)器的方式加以實現(xiàn)，這樣既保證了整個水廠的日常制水生產(chǎn)不被中斷，又為用戶節(jié)省了采用過渡硬件設(shè)備所需要的投資。兩套自控系統(tǒng)自始至終保證數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，在一般的技術(shù)改造工程中是很少見的。使用這種技術(shù)，可以保證兩套系統(tǒng)真正實現(xiàn)無縫割接。

2  plc自動控制系統(tǒng)的組成

2.1系統(tǒng)簡介

        根據(jù)水廠生產(chǎn)工藝及管理要求，在系統(tǒng)設(shè)計時以原系統(tǒng)的站點結(jié)構(gòu)為依據(jù),保留原有的6個主站、9個子站。6個主站采用controllogix系列plc；9個子站采用compactlogix系列plc，廠區(qū)內(nèi)主干網(wǎng)以及主站與子站之間均采用controlnet冗余網(wǎng)絡(luò)，上位機(jī)及觸摸屏均掛在controlnet冗余網(wǎng)絡(luò)上。為保證信號的穩(wěn)定和介質(zhì)的抗干擾性，在伴有高電壓及大電流的區(qū)段選用光纖作為網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)。廠區(qū)中控室與崗南取水管理站和黃壁莊取水管理站數(shù)據(jù)傳輸采用無線通訊的方式實現(xiàn)。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 modbus通訊接口改造

        由于配電室的中壓配電柜控制和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)選用施耐德電氣梅蘭日蘭sepam 2000系列智能微機(jī)綜合繼電保護(hù)裝置，使用modbus協(xié)議通過sy/net協(xié)議轉(zhuǎn)換器spe4連接到原有的plc自控系統(tǒng)。在controllogix系統(tǒng)投入使用之后需要針對性的接口改造。去掉spe4，利用controllogix系列plc第三方的通訊模塊mvi56-mcm來支持對modbus網(wǎng)絡(luò)的通訊。所要做的工作是通過mvi56-mcm模塊實現(xiàn)新plc系統(tǒng)與sepam2000的通訊。與使用modbus協(xié)議的其余第三方設(shè)備的通訊與此類似。

3  變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)

        石家莊地表水廠清水泵房配備三臺定速泵，三臺變頻調(diào)速泵。送水泵將兩個清水池內(nèi)的水通過兩個出水管線輸送到供水管網(wǎng)，原則上保持管網(wǎng)壓力恒定。原plc自控系統(tǒng)由于未成功完成對變頻調(diào)速泵的pid參數(shù)整定，調(diào)速泵的泵速未實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，加之其配泵方案的設(shè)計不適合使用要求，清水泵房的原plc自控系統(tǒng)實際只完成數(shù)據(jù)采集功能，送水泵一度處于手動狀態(tài)，變頻調(diào)速恒壓供水無法實現(xiàn)。改造后的清水泵房采用變頻調(diào)速的運(yùn)行方式，系統(tǒng)可根據(jù)實際設(shè)定水壓自動調(diào)節(jié)調(diào)速泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速或加減泵，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力始終保持在給定值，實現(xiàn)了最大限度的節(jié)能、節(jié)水、節(jié)支，并使系統(tǒng)處于可靠的運(yùn)行狀態(tài)。恒壓供水的實現(xiàn)一方面歸功于先進(jìn)合理的工藝設(shè)計，根據(jù)實際的生產(chǎn)和設(shè)備情況重新進(jìn)行工藝整定，為地表水廠量身定做的配泵方案，使恒壓供水、自動配泵最終得以實現(xiàn)。另一方面依托controllogix系列plc的強(qiáng)大功能，特別是智能精確的pid調(diào)節(jié)功能，使管網(wǎng)壓力的控制精度達(dá)到0.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過工藝要求，僅高效節(jié)能一項直接為地表水廠年節(jié)約資金約70萬元，帶來的隱性效益更是不可估。

4  controllogix無線通訊設(shè)計

        由于崗南水庫取水管理站和黃壁莊水庫取水管理站的自控系統(tǒng)相對獨立，相當(dāng)于水廠控制系統(tǒng)的兩塊飛地。水廠中控室只要求實時掌握管理站的運(yùn)行情況，并沒有在系統(tǒng)內(nèi)向管理站下達(dá)任何控制指令。因此管理站的改造工作不受水廠自控系統(tǒng)的影響，新系統(tǒng)投運(yùn)后采用無線通訊的方式將管理站內(nèi)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿畯S控制系統(tǒng)。崗南水庫取水管理站的自控系統(tǒng)不在改造范圍之內(nèi)，使用motorola公司的moscad系列rtu來完成現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸工作，上位軟件選用pcsoft公司的wizcon組態(tài)軟件，使用的是mdlc通訊協(xié)議。如何通過無線通訊的方式實現(xiàn)controllogix系統(tǒng)與第三方設(shè)備的互聯(lián)互通，是工程設(shè)計、實施中的一個難點。根據(jù)崗南水庫、黃壁莊水庫和地表水廠之間的特殊的地理、地形情況，在三方組成的無線通訊網(wǎng)絡(luò)中，黃壁莊水庫取水管理站設(shè)計為主站，地表水廠中控室為1號從站，崗南水庫取水管理站為2號從站。由黃壁莊水庫取水管理站讀取崗南水庫取水管理站的數(shù)據(jù)，會同自身的數(shù)據(jù)一同寫到地表水廠中控室。無線通訊網(wǎng)絡(luò)各站點之間采用modbus通訊協(xié)議，各plc站點的controllogix系統(tǒng)通過modbus通訊模塊mvi56-mcm的rs232口與無線通訊網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。黃壁莊水庫取水管理站的controllogix系統(tǒng)通過modbus通訊模塊mvi56-mcm的rs485口與使用modbus協(xié)議的第三方設(shè)備——流量計進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。無線通訊網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2  無線通訊網(wǎng)絡(luò)

5  新舊系統(tǒng)的軟件兼容

        由于地表廠自控系統(tǒng)的改造工作不能影響整個供水生產(chǎn)的正常進(jìn)行，因此改造工作應(yīng)該是分步驟實施的。這種階段式改造必然導(dǎo)致新系統(tǒng)與原系統(tǒng)長期共存。那么，兩套系統(tǒng)的互聯(lián)互通就是該項目的又一難點。新舊系統(tǒng)的兼容是暫時行為，在總體投資上不應(yīng)該過分加大，因此我們選用比較經(jīng)濟(jì)的軟件兼容方式，即使用第三方的opc服務(wù)器作為兩個系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的橋梁。新自控系統(tǒng)將已改造站點的數(shù)據(jù)按照原系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式寫入原自控系統(tǒng)，從而保證原自控系統(tǒng)的顯示完整。為了完成這一目的，新自控系統(tǒng)增加opc服務(wù)器，同時原自控系統(tǒng)內(nèi)的plc程序?qū)⒆霰匾母膭右赃m應(yīng)這種運(yùn)行模式。實現(xiàn)兼容的方式如圖3所示。

圖3  opc服務(wù)器軟件兼容

6  結(jié)束語

        controllogix系統(tǒng)在石家莊地表水廠運(yùn)行穩(wěn)定，以其先進(jìn)的技術(shù)充分滿足了水廠自控系統(tǒng)的要求。變頻調(diào)速恒壓供水的實現(xiàn)展示了plc的強(qiáng)大功能，與modbus第三方產(chǎn)品的通訊和兼容證明了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和開放性強(qiáng)，進(jìn)一步擴(kuò)展了羅克韋爾自動化的plc應(yīng)用的空間和靈活性。
 

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