摘要：討論了一種針對城市污水泵站控制系統(tǒng)的設(shè)計思想和實現(xiàn)方案，包括任務(wù)要求之下的硬件和軟件設(shè)計及通訊等多方面的 內(nèi)容 。

關(guān)鍵詞：可編程控制器 設(shè)計 數(shù)據(jù) 控制 通訊

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(yuǎn)期(2010年)所能接納的污水量為30×104m3/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SLC—500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：

①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。

②可靠性。采用雙機熱備用方式。

③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。

④可維護性。采用模塊化設(shè)計以方便維護。

⑤可讀性和可擴展性。

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。

①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(yuǎn)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。

②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。

③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。

④系統(tǒng)擴展靈活，重組容易。

⑤模塊化兼容的 應(yīng)用 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)(PLC0與PLC1間)和江蘇省公用分組交換數(shù)據(jù)通信網(wǎng)(PLC0與PLC2～PLC7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。 控制系統(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DH—485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：

①處理器模板(SLC5/03);

②離散型I/O模板(1746—IB16、1746—OW16、1746—OB23模板);

③模擬量I/O模板(1746—NI4、1746—NO4I模板);

④電源模板(1746—P2);

⑤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→處理器→電源→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。

①IPC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，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(biāo)準(zhǔn)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(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。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。

②PLC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)成廣域通信網(wǎng)，實現(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PLC0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PLC2～7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(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)，它具有差錯控制功能，保證高質(zhì)量的傳輸，網(wǎng)內(nèi)全程誤碼率<1×10-10，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。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(yuǎn)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(yuǎn)程通訊。

JSPAC通信系統(tǒng)采用主—從結(jié)構(gòu)，中控室里的PLC0為主站，泵站(PLC1～7)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DH—485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)，傳輸速率為9600bps，傳輸系統(tǒng)誤碼率<1×10-6。

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。

①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)。

②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，以及環(huán)境條件比較復(fù)雜，強大的電場和磁場干擾不容忽視。為了使系統(tǒng)能夠可靠地運行，采用了“半浮地”技術(shù)，即外殼接地，系統(tǒng)通過一只2～4μF的電容接至安全的接地點。

4 結(jié)論

污水泵站控制系統(tǒng)采用了國際上最流行的、可靠的多任務(wù)監(jiān)控軟件Intellution FIX和RSLog ix500高級編程軟件，以實現(xiàn)建立穩(wěn)定、可靠、實時的泵站監(jiān)控和管理系統(tǒng)。通過幾年來的運行表明，該系統(tǒng)的設(shè)計是成功的，它實現(xiàn)了對整個污水截流系統(tǒng)的控制操作、數(shù)據(jù)采集和信息的實時性、準(zhǔn)確性、完整性和統(tǒng)一性。

參考 文獻 ：

[1]計算機控制技術(shù)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1997.

[2]集散型控制系統(tǒng)的設(shè)計與 應(yīng)用 [M].北京：清華大學(xué)出版社，1993.

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