摘要： 隨著計算機技術的不斷發展，PLC控制技術得以不斷擴展和完善，其功能遠遠超出了邏輯控制和順序控制的范疇，具備了模擬控制、過程控制以及遠程通信等功能。PLC支持多種工業標準總線，易于組成工程控制網。佛山北江水廠自控系統實施中采用了施耐德電氣公司的高端PLC——Quantum，采用符合Ethernet/ IP標準的100Mb / s全雙工交換式光纖自愈工業以太環網方式，大大提高工程的生產率。
關鍵詞：PLC 工業以太網 透明就緒
1 前言
隨著電子技術特別是計算機技術的進步,我國自來水行業的自動化應用有了飛速的發展,目前國內主流的水廠一般都采用基于高端PLC的集散型控制系統。
Quantum作為施耐德電氣最高端PLC系列提供了一個規模可變的模塊化結構的，能夠非常容易地實現從單一機架到工廠級體系機構配置，滿足最高性能品質應用的要求。透明工廠技術提供的集成Web服務器功能使Quantum能通過標準Web瀏覽器為數據庫信息，過程圖標，過程診斷等提供儲存與服務功能。
在水廠采用基于透明就緒技術的施耐德高端PLC產品在保證了工程質量的情況下還提高了整個控制系統的穩定性和易維護性。在項目中取得了良好的效果。
2項目簡介
佛山北江水廠項目,建成后日處理能力為110萬立方米, 首期規模為30萬立方米/日，北江水廠首期工程將于今年12月底建成通水，它將有效解決三水區中北部區域日益突出的供水供、需矛盾，促進三水區中北部區域社會經濟建設快速發展，滿足居民生活水平提高的需求。今后，北江水廠將在三水二橋與西江水廠串通，形成雙水源供水，互為備用，確保佛山市飲用水安全。
3 透明就緒
透明就緒通過采用通用的通訊協議，TCP/IP,Modbus,Web為自動化的解決方案提供了新的自由度，從1998年首次推出以來已經有超過30萬套的自動化設備采用了透明就緒方案
透明就緒采用三層的結構方式。首先在廠區范圍內布置一套以太網,用于車間子站與中心監控室及其他子站的通訊。在水廠采用以太網結構,不僅能緊跟世界科技發展的潮流,而且有很好的性價比,更重要的是與水司的辦公自動化網絡、調度網絡等均能很好地結合。以太網的介質建議采用光纖,因為其抗干擾性強,通訊距離長,升級方便。其次以車間為單位設立子站,配置PLC連接底層I/O,監控子站范圍內儀表、設備的運行及生產過程,并負責與廠級上位機的通訊,還可以通過網絡觀察其他子站的情況。第三層也就是子站的底層, I/O采用基于工業現場總線方式的智能I/O系統，通過工業現場網絡將前端I/O單元分散到工業現場的設備和儀表附近,這樣不但大大削減了現場到I/O之間一一對應的信號電纜,節約了自控系統的安裝費用,將信號受干擾的可能性降至最低,還使用戶以后的維護、擴展十分方便。
4工藝流程及設計要求
4.1工藝流程
水廠主廠區內主要工藝構筑物有：曝氣池、加氯間、普通快濾池、清水池、二級泵站等。由原水泵打來的原水首先進入曝氣池溶氧，目的是去除水中二氧化碳，提高水中PH值，保證水中錳離子的氧化反應速度。待加氯消毒后進入快濾池進行過濾，以去除原水中的鐵、錳離子和懸浮雜質，然后經過后加氯排入清水池，由送水泵房送入城市輸水管網。濾池要定時進行反沖洗，以除去濾料表面的雜質。
4.2控制要求
根據工藝流程及構筑物的地理分布，自動化控制系統主要完成加氯間、凈水車間和送水泵房的管理和工藝流程的自動控制。系統采用“集中監測，分散控制”的方式，由廠級中央監控工作站、現場分散控制站和生產現場設備組成全廠工業控制統。自動檢測的主要工藝參數有：進水濁度、HP值、電導率，進水流量、壓力，反沖洗水泵閥門開啟位置、運行狀態，濾池出水濁度，濾池單池水頭損失（差壓），清水池液位等，水廠總出水流量、壓力、濁度、PH值、余氯等。
檢測的電氣參數有：配電系統的電壓、電流、有功／有功電能、無功／無功電能等。
4.3通信網絡要求
通信系統分管理級和控制級，管理級選用100M工業以太網，通信介質為光纖。控制級選用工業網，通過專用屏蔽電纜進行通信。
4.4硬件要求
系統采用PLC+PC的方式進行控制。PLC完成具體的控制和監測，PC機利用組態軟件實現監控、報警、統計和報表打印等功能。
4.5 軟件要求
全廠生產管理層和生產過程監控層采用施耐德電氣的 Vejio Citect 編制出便于管理和監控的軟件界面，生產現場設備層采用Unitypro程序設計出符合生產工藝環節的過程控制軟件。
5 設計任務分析
從水廠生產實際情況和在自控系統中的作用來看，水廠自控系統由生產現場設備層、生產過程監控層和全廠生產管理層三個層次組成
生產現場設備層包括加氯間、凈水車間和送水泵房的微型PLC和相關電機和儀表設備。生產過程監控層由PLC控制系統及其控制網絡組成，它主要完成過程控制、狀態監視、數據采集、故障報警處理等功能，是自控系統的核心部分，包含有凈水車間PLC分站和送水泵房PLC分站。
全廠生產管理層包括中央控制室、廠長室，主要負責全廠生產過程狀態的監視和故障報警、生產數據分析以及報表生成等，必要時可以參與遠程控制。
6 系統設計
6.1 設計原則
遵循先進性、實用性、可靠性、經濟性、開放性的原則，滿足供水工程生產管理和水處理工藝對自動化控制的要求。實現“集中監控和管理、分散控制、數據共享”，以保證整個水廠的運行協調、一致。
6.2系統配置圖
水廠自控系統的配置情況如圖所示。
6.3硬件配置和防雷措施
本系統PLC配置如下：
整個系統由4套冗余的Quantum 140CPU67160設備加上34套內置以太網和Modbus的M340- BMXP342020構成。．之所以選擇Quantum和Modicon M340，主要是考慮在滿足控制要求的基礎上的經濟性和適用性。Quantum性能較高，且由于采用了熱冗余技術，能對大型水廠的連續生產帶來充分的保證，而M340價格較低，又在不降低整體控制系統質量的情況下節省了投資。M340主要用來執行邏輯控制，而送水泵房、加氯間以及每格濾池和所執行的邏輯控制比較少，因此采用M340完全適用。本系統采用單獨的接地防雷措施，接地電阻小于1歐姆，并且該接地與其他電氣設備的接地的間隔距離符合規范要求。
6.4中央監控系統
該控制室為整個系統的中央控制室，負責全廠各工況的集中控制、監視和管理，通過以太網和現場控制操作站進行信息交換。通過施耐德電氣的Vejio Citect的冗余服務器，能更穩定的為操作人員提供各凈水車間、清水池、送水泵站及相關配套設備的工藝流程及進廠、出廠水的各項工藝、電氣等參數并負責打印各種報表、輸出數據等。同時由于透明就緒技術的采用，上位機同時可以提供遠程監控各PLC現場分站，實時接收PLC采集的各種數據，建立全廠檢測參數數據庫，處理并顯示各種數據等功能。
6.5現場監控分站
現場監控分站由凈水車間監控站和送水泵房監控站組成。現場監控分站采用了施耐德電氣的XBTG系列觸摸屏，既充分體現人交互界面的人性化，同時也保證了嚴酷情況下設備的可靠性。
6.6現場設備控制單元
1 設計中采用施耐德電氣最新型的Modicon M340作為現場設備控制單元。M340由電源模塊、通信模塊、數字量輸入／輸出模塊、模擬量輸入／輸出模塊等構成，通過總線方式控制閥門的啟閉，采集閥門及水泵、儀表的運行狀態和參數。凈水車間的每格濾池都有一個獨立的M340，每個M340配備觸摸屏作為顯示和操作的界面，對該濾池的工況進行監控。同時設置一個公共的監控，對每格濾池的反沖洗泵及閥門等進行管理和控制。主要監控設備：濾池進水閥、出水閥、排水閥、反沖進水閥、反沖洗泵、16個濾池。
主要參數顯示：每格濾池水位、水頭損失。
控制內容：每格濾池運行控制；反沖洗控制。
2 送水泵房PLC控制4套水泵機組和出水閥門的運行，對4臺送水泵的電機的運行進行監控，對水泵電機定子溫度、用電量進行監測。監測送水泵房變電系統及出廠水水質、流量、壓力、清水池和吸水井液位等。
3加氯間M340負責加氯設備的自動控制以及漏氯中和裝置和風機的運轉等，并做相應的調節，根據出廠水的余氯含量和流量自動控制加氯量，實現加氯和漏氯報警過程的監測及自動控制，操作員亦能人工操作手動控制。
主要監控設備：加氯機，漏氯中和裝置，軸流風機。
控制內容：控制加氯量，并根據漏氯報警器的狀態起動氯中和裝置，定時運行軸流風機等。
6.7通訊網絡
對于一個自動化工程，特別對于中大規模控制系統來講，選擇網絡是非常重要的。首先，網絡必須是開放的，以方便不同設備的集成及未來系統規模的擴展；其次，針對不同網絡層次的傳輸性能要求，選擇網絡的形式；再次綜合考慮系統成本、設備兼容性、現場環境適用性等具體問題，確定不同層次所使用的網絡標準。
凈水車間、送水泵房、中央控制室之間采用100M工業以太網連接，傳輸介質為光纖。PLC與濾池、加氯間，以及PLC與被控設備之間采用工業網連接，傳輸介質為屏蔽銅芯電纜。
6.8軟件設置
采用Unitypro和Vijeo Citect對整個水廠自動化控制系統的管理和維護進行組態，上位機的軟件實現以下功能：動態流程畫面顯示：動態顯示全廠工藝流程圖和各工藝單元流程圖。
動態數據顯示：動態顯示各種模擬信號、開關信號、各類累計量信號的數值和范圍清單。
趨勢曲線：顯示各主要工藝參數變化曲線，各種模擬量的歷史曲線、即時曲線圖。報表打印：即時報表、日報表、月報表、年報表。
控制調節功能：在動態流程圖和細部詳圖上能進行各種被控工藝參數設定值的調整。
報警功能：故障發生時中控室及相應PLC發出聲響報警，控制軟件自動彈出相應故障點詳圖，顯示故障現象，并提示參考解決方案。
數據庫管理功能：能建立生產數據庫、操作信息庫、故障信息庫。
數據處理功能：能利用實時數據和歷史數據、計算主要生產指標。并進行配水電耗和單位配水電耗的成本分析和計算。
在線修改：能在線修改程序。
7 性能分析
7.1系統的可靠性、穩定性和壽命周期
本系統組件的設計符合真正的工業等級，滿足國內、國際的安全標準。并且易配置、易接線、易維護、隔離性好，結構堅固，抗腐蝕，能適應較寬的溫度變化范圍。系統具備良好的電磁兼容性，能夠承受工業環境的嚴格要求，平均壽命大于15年。
7.2系統的先進性與經濟性
本控制系統有一套完整的自我診斷功能，可以在系統運行中自動診斷出任何一個部件出現的故障，并且在監控軟件中及時、準確地反映出故障狀態、故障時間、故障地點以及相關信息。在系統發生故障后，PLC的狀態能夠返回到系統根據工藝要求預先設置的狀態上。系統運行后可以方便、快捷、準確地控制生產各環節的運行，大大節約了人力資源，提高了生產效率。
7.3擴展性和兼容性
本系統采用目前比較先進的主流產品，具有很強的兼容性。為了保證在今后的擴建和改造時滿足控制要求，在設計時充分考慮了系統的擴展能力，在滿足現有功能要求的基礎上，保留有PLC的系統冗余。
8 結論
隨著該自動化系統的建成，水廠生產自動化將形成以生產過程的信息采集、信息集成和信息傳遞為主，并與企業的生產工藝調度、生產水質監控、自動投加藥等技術密切結合的生產自控信息網絡。促使水廠在生產、營銷和辦公等方面廣泛利用計算機和網絡技術，全方位優化企業，形成規范的、現代的信息化管理系統。從而降低生產成本和費用，提高企業的經濟效益和行業競爭力。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
