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1  項(xiàng)目概況
    太原城市供水公司呼延凈水廠為山西省重點(diǎn)工程，建設(shè)資金來源于國債，是萬家寨引黃入晉工程的組成部分。黃河水源從萬家寨水庫提取，經(jīng)五級提升進(jìn)入汾河水庫，再由汾河水庫經(jīng)管道、隧洞流入呼延凈水廠。水廠規(guī)模為日供水首期40萬噸/日，近期將達(dá)到80萬噸/日。全廠主要構(gòu)成有儲(chǔ)藥池、加藥間、加氯加氨間、配水車間、凈水車間（混合、蓄凝、沉淀、大小虹吸濾池）、清水池、污泥濃縮脫水車間及綜合樓（中控室）等。
2  系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本項(xiàng)目采用羅克韋爾自動(dòng)化的全線產(chǎn)品，以Logix控制平臺(tái)和開放的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)NetLinxTM體系為核心，采用最新的控制器、驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及工控軟件產(chǎn)品組建了一個(gè)由計(jì)算機(jī)、PLC、現(xiàn)場在線儀表組成的多級的、開放的、模塊化的、實(shí)時(shí)多任務(wù)的集散型的可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)。
該系統(tǒng)采用集成工業(yè)現(xiàn)場總線、控制總線和100/1 000M高速以太網(wǎng)組成的混合三層體系結(jié)構(gòu)，既支持基于瀏覽器的B/S結(jié)構(gòu)體系，也支持C/S結(jié)構(gòu)體系，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 
圖1  太原呼延凈水廠系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

    整個(gè)呼延水廠的輸入/輸出信息形式多樣（包括圖像、圖形、文字、語音、數(shù)字等多媒體形式），信息量大，對系統(tǒng)功能要求高。控制監(jiān)視任務(wù)不僅僅限于單機(jī)的檢測和控制問題，而且還要求實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控、診斷、優(yōu)化、預(yù)報(bào)、調(diào)度。以PLC和計(jì)算機(jī)為核心的信息處理機(jī)制將完成對綜合信息的管理、生產(chǎn)過程的計(jì)劃、調(diào)度、監(jiān)視與自動(dòng)化控制。系統(tǒng)具有以下三個(gè)主要方面的功能：
(1)  現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、分析、處理、動(dòng)態(tài)追蹤、工藝控制等前臺(tái)生產(chǎn)現(xiàn)場檢測與控制；
(2)  水質(zhì)數(shù)據(jù)、設(shè)備故障信息管理等后臺(tái)信息管理；
(3)  水廠運(yùn)行監(jiān)控與計(jì)劃調(diào)度指揮，現(xiàn)場電視監(jiān)視、內(nèi)部電話監(jiān)控等多媒體系統(tǒng)。
    為了實(shí)現(xiàn)以上功能的集成，太原呼延凈水廠廣泛采用了多媒體技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、高速以太網(wǎng)技術(shù)、工業(yè)控制技術(shù)、通信技術(shù)與視頻圖像監(jiān)控技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，可以定義為集成現(xiàn)場工業(yè)總線的高速以太網(wǎng)多媒體計(jì)算機(jī)信息管理、控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)分為三個(gè)層次（如圖2所示）。

圖2  太原呼延凈水廠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

(1)  信息層 由計(jì)算機(jī)硬件與軟件系統(tǒng)組成。其中硬件部分主要為工作站、服務(wù)器、工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸線路等組成，完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、控制、通信、顯示等功能。軟件系統(tǒng)主要由基于羅克韋爾自動(dòng)化組態(tài)軟件開發(fā)的呼延水廠生產(chǎn)過程控制與作業(yè)管理信息系統(tǒng)、呼延水廠運(yùn)行監(jiān)控與計(jì)劃調(diào)度指揮系統(tǒng)和基于微軟SQL數(shù)據(jù)庫開發(fā)的生產(chǎn)管理（水質(zhì)監(jiān)測、生產(chǎn)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)故障報(bào)警信息）信息系統(tǒng)等組成。 該體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對呼延水廠生產(chǎn)系統(tǒng)軟硬件資源的充分利用，使系統(tǒng)具有更高的兼容性、開放性和安全性。系統(tǒng)采用IBM部門級服務(wù)器，對生產(chǎn)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份、存儲(chǔ)，以保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)的高度安全性。監(jiān)控工作站、管理工作站、現(xiàn)場過程數(shù)據(jù)服務(wù)器（Web服務(wù)器）、視頻服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用軟件的用戶之間通過TCP/IP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息的傳輸與共享。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)只有通過服務(wù)器才能夠與用戶、現(xiàn)場設(shè)備之間進(jìn)行信息的交流（監(jiān)控計(jì)算機(jī)除外）。用戶既可以通過Windows內(nèi)建的IE瀏覽器實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場信息的獲取與交互，也可以直接與數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行信息的交流，再通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制。用戶不直接參與控制現(xiàn)場設(shè)備與數(shù)據(jù)庫，既保證了數(shù)據(jù)的安全性及底層設(shè)備的健壯性又實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互界面的透明性與友好性。
(2)  控制層 現(xiàn)場控制站以ControlLogixTM平臺(tái)為控制核心，分布在各工藝段，PLC之間和中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過光纖采用ControlNetTM網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相連，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的高速傳輸。PLC自動(dòng)監(jiān)測重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和工藝參數(shù)變化，并對設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制。根據(jù)工藝流程（如圖3所示），全廠共設(shè)6套PLC控制站：
    1＃PLC站設(shè)在加藥間，負(fù)責(zé)投藥系統(tǒng)和配藥系統(tǒng)。根據(jù)進(jìn)水流量、原水濁度、溫度及沉淀后SCD值進(jìn)行加藥系統(tǒng)的PID自動(dòng)調(diào)節(jié)；并通過網(wǎng)絡(luò)通訊控制進(jìn)水流量調(diào)節(jié)器。
    2＃PLC站設(shè)在加氯加氨間，控制液氯及液氨的氣化、加氯加氨機(jī)的投用與切換，完成加氯加氨過程的監(jiān)測和控制。
    3＃PLC站設(shè)在沉淀池配電間，控制配水井排泥角閥、格柵機(jī)、電動(dòng)蝶閥門、各閥島電磁閥箱，控制反應(yīng)沉淀區(qū)域的排泥過程。
    4＃PLC站設(shè)在濾池電氣配電間，自動(dòng)完成濾池過濾與反沖洗過程控制、高低壓配電系統(tǒng)的監(jiān)測、對回收水池及排泥池的監(jiān)視與控制。
    5＃PLC站設(shè)在自用水泵房，用于出廠水的水質(zhì)監(jiān)測、控制自用水泵的啟停、通過網(wǎng)絡(luò)通訊對出廠水的調(diào)節(jié)控制器進(jìn)行控制。
    6＃PLC站設(shè)在濃縮脫水機(jī)房。完成回收水的濃縮過程，并為脫水系統(tǒng)輸送濃縮后的污泥，與脫水系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接采集脫水設(shè)備及脫水過程的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

 
圖3  太原呼延凈水廠工藝總圖

    另配置PLC0，用于中央控制室模擬屏的實(shí)時(shí)刷新。
    由于采用了通信網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)冗余和處理器冗余，構(gòu)成了一個(gè)安全、可靠的控制系統(tǒng)：當(dāng)控制網(wǎng)絡(luò)、控制CPU故障或不使用時(shí)，冗余部分可自動(dòng)進(jìn)行無擾動(dòng)切換，投入工作而不影響整個(gè)工藝過程的連續(xù)控制和檢測。
(3)  設(shè)備層 采用DEVICE NETTM網(wǎng)絡(luò)連接分布于水廠的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將變頻器、閥島、儀表等直接采用總線電纜連接，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字和模擬輸入/輸出模塊、智能信號(hào)裝置和過程調(diào)節(jié)裝置及PLC之間的數(shù)據(jù)數(shù)字化傳輸，把I/O信號(hào)通道分散到實(shí)際需要的現(xiàn)場設(shè)備附近，使安裝和布線的費(fèi)用減少到最小，從而使成本費(fèi)用大大地節(jié)省。這種用于低層設(shè)備的低成本、高效率信息集成模式，已經(jīng)逐漸成為控制領(lǐng)域的主流。
3  系統(tǒng)特點(diǎn)
(1)  可靠性高、技術(shù)先進(jìn) 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)基于單一的主/從地址總線，系統(tǒng)運(yùn)行過程中由單一設(shè)備主宰總線并控制所有數(shù)據(jù)傳送。這種集中的設(shè)計(jì)方法，降低了總線的傳輸效率，無法充分發(fā)揮帶寬。ControlBusTM通過提供基于并行通訊網(wǎng)絡(luò)的，多主的生產(chǎn)者/客戶者信息概念打破了這種模式，并將生產(chǎn)者/客戶者技術(shù)直接應(yīng)用于背板總線，可以同時(shí)完成1對1、1對多的信息傳遞。控制器不再作為通訊控制中心，無需干預(yù)背板上的數(shù)據(jù)交換，設(shè)備之間可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)廣播和通訊，提高了系統(tǒng)的帶寬和性能。采用這種技術(shù)構(gòu)造的控制系統(tǒng)具有更大靈活性，應(yīng)用響應(yīng)更快，處理器負(fù)擔(dān)低和數(shù)據(jù)處理時(shí)間短，減少了網(wǎng)絡(luò)和背板數(shù)據(jù)傳輸量，縮短 I/O 等待時(shí)間。控制網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)是一種高速確定性網(wǎng)絡(luò)，為同一鏈路上對等通信提供了具有相同帶寬的實(shí)時(shí)控制和報(bào)文傳送服務(wù)，更提供了I/O數(shù)據(jù)在控制器或操作員界面設(shè)備之間共享的功能，這種多控制器共享對等通信互鎖數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)大大簡化了PLC的程序量，省卻了大量的CPU之間通訊指令。在數(shù)據(jù)傳送過程中，網(wǎng)絡(luò)提供確定性和可重復(fù)性功能，保證了數(shù)據(jù)傳遞的可靠性。
(2)  Web瀏覽 系統(tǒng)運(yùn)用RSWebserver和Windows內(nèi)建的IE瀏覽器實(shí)現(xiàn)了與Internet的連接，為用戶提供了一個(gè)真正的瘦客戶端服務(wù)系統(tǒng)。位于生產(chǎn)控制中心的數(shù)據(jù)服務(wù)器可作為一Web網(wǎng)站被享有特定權(quán)限的用戶登錄訪問，獲得授權(quán)的用戶可在任何地方通過公司指定的Web服務(wù)器網(wǎng)址，利用支持HTML3.2超文本協(xié)議的瀏覽器獲得整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行信息。
(3)  易于操作及維護(hù) ControlNetTM、DeviceNetTM及Logix平臺(tái)的模塊化結(jié)構(gòu)，為用戶提供了豐富的診斷信息，系統(tǒng)自身可以自動(dòng)對硬件及網(wǎng)絡(luò)上的錯(cuò)誤進(jìn)行分析和更正，并實(shí)時(shí)檢測設(shè)備潛在的維護(hù)需求，避免整個(gè)系統(tǒng)崩潰。操作員可以通過嵌入在前端計(jì)算機(jī)運(yùn)行的、友好的人機(jī)界面程序（基于RSVIEW32TM平臺(tái)開發(fā)）直觀、全面地了解系統(tǒng)的健壯程度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、預(yù)測系統(tǒng)隱患所在，將故障查找時(shí)間降至最低，大幅減少了系統(tǒng)維護(hù)的工作量。
(4)  支持多種接口 整個(gè)控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)主架構(gòu)采用Rockwell公司的NetLinxTM技術(shù)。它不僅支持Logix平臺(tái)，同樣可以兼容其他的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。系統(tǒng)中其他一些從國內(nèi)外單獨(dú)引進(jìn)的設(shè)備如調(diào)流調(diào)壓閥、污泥脫水機(jī)、直流屏等分別采用了Modbus、Profibus-DP和RS-485等協(xié)議。Logix平臺(tái)和NetLinxTM技術(shù)提供了網(wǎng)絡(luò)間橋接和路由功能，將不同協(xié)議的接口數(shù)據(jù)通過無源背板總線在網(wǎng)絡(luò)上以CIP的模式傳遞。
4  結(jié)語
    由于該系統(tǒng)具有較高的可靠性、穩(wěn)定性以及靈活的可擴(kuò)展功能和對復(fù)雜環(huán)境及處理要求的適應(yīng)性，為水廠的少人值守管理模式，創(chuàng)造了良好的技術(shù)條件。目前系統(tǒng)已正式投運(yùn)近半年多，其性能完全能滿足運(yùn)行要求，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益。