1引言

    山西省太谷縣水廠(chǎng)引本縣龐莊水庫地上水進(jìn)行處理，是山西省國債資助重點(diǎn)工程之一，是為進(jìn)一步保護、節省地下水資源，深入發(fā)展城鎮經(jīng)濟而建設的重點(diǎn)項目。該水廠(chǎng)設計規模為日供水量1萬(wàn)方，其主要建筑物有：一級泵房、斜管沉淀池（緩建）、V型濾池、清水池、二級泵房及加藥加氯間等，水處理工藝較先進(jìn)。

    龐莊水庫常年保持在高水位狀態(tài)，為減少運行成本，在取水口與一級泵房出水口處加布一條旁通管道，這樣靠自流即能滿(mǎn)足水廠(chǎng)正常運行供水量，在水庫水位較低時(shí)方運行一級泵房供水，達到節能目的。為調整進(jìn)水量，在進(jìn)水管道上裝設一只電動(dòng)調節碟閥。

    源水進(jìn)入水廠(chǎng)后，在源水管道上投加混凝劑PAC、絮凝劑PAM及一次加氯，經(jīng)靜態(tài)管道混合器混合后直接進(jìn)入微絮凝濾池進(jìn)行反應過(guò)濾，該水廠(chǎng)濾池采用V型濾池，其反沖洗采用氣水混沖方式。

    處理后的水經(jīng)二級泵房提壓進(jìn)入縣城供水管網(wǎng)，為控制供水壓力采用變頻設備自動(dòng)調節供水量。

    整個(gè)水廠(chǎng)的運行基本實(shí)現了全自動(dòng)控制，所有運行參數都由在線(xiàn)數據采集設備自動(dòng)采集，所采集運行數據被送入PLC，PLC通過(guò)光纖采用Modbus/TCP協(xié)議與上位監控系統進(jìn)行數據交換，以監視和控制水廠(chǎng)各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節設備的運行。

    本文主要介紹杭州和利時(shí)公司自主研發(fā)的LM在水廠(chǎng)自動(dòng)化控制系統中的應用。水廠(chǎng)工藝過(guò)程復雜，為了實(shí)現水廠(chǎng)自動(dòng)化運行要求，圍繞LM PLC的優(yōu)越的性能設計了本工程的方案，方案中主要利用了LM PLC的模擬量處理、以太網(wǎng)通訊、串口通訊等功能，實(shí)現了以GPRS和以太網(wǎng)方式與SmartPro3.1.3監控中心組成網(wǎng)絡(luò )。本工程系統性能穩定、具有很高的可靠性，能在保證水廠(chǎng)正常工作。

    2 自動(dòng)化控制系統組成

    該水廠(chǎng)自動(dòng)化監控系統采用GPRS通訊與以太網(wǎng)通訊相結合方式，由監控中心與五個(gè)PLC控制站構成?？刂葡到y組織網(wǎng)絡(luò )見(jiàn)圖1。

       

                                   圖1 控制系統組織網(wǎng)絡(luò )圖

    PLC控制站分為廠(chǎng)內和廠(chǎng)外兩個(gè)部分，廠(chǎng)內利用兩套PLC系統采集水廠(chǎng)流量、水位、電壓、電流、濁度、加氯量等信號，兩套系統主要設備都裝配在兩個(gè)PLC機柜中，機柜上安裝Eview的一個(gè)觸摸屏，可以進(jìn)行現場(chǎng)監控。兩個(gè)PLC控制柜分別安裝在二級泵房和加藥加氯間，通過(guò)光纖組成以太網(wǎng)與上位SmartPro監控中心連接。

    廠(chǎng)外有三個(gè)PLC控制站，這三個(gè)系統比較簡(jiǎn)單，其中兩個(gè)控制站用來(lái)測量管網(wǎng)末端壓力，另一個(gè)控制站調節遠處進(jìn)水管道上的電動(dòng)調節碟閥。這三套系統基于GPRS技術(shù)與監控中心通訊，主要是通過(guò)深圳宏電公司DTU和移動(dòng)公司GPRS網(wǎng)絡(luò )來(lái)完成。DTU主要完成PLC與監控中心數據傳輸的任務(wù)，PLC通過(guò)RS232串口與宏電的DTU通訊，DTU再通過(guò)移動(dòng)公司GPRS網(wǎng)絡(luò )進(jìn)入INTERNET，與有固定IP地址的SmartPro監控中心進(jìn)行數據交換。

    監控中心由兩個(gè)操作員站組成，兩個(gè)操作員站同時(shí)又作為一主一從服務(wù)器用來(lái)存儲實(shí)時(shí)運行數據，服務(wù)器上裝有SmartPro組態(tài)軟件做為上位監控界面。

    3 控制系統功能介紹

    本控制系統設計采用三種控制方式，即監控中心遠程控制、現場(chǎng)PLC控制、設備現場(chǎng)手動(dòng)控制等，其優(yōu)先級別分別為現場(chǎng)手動(dòng)控制最高，其次為現場(chǎng)PLC控制，最低為監控中心遠程控制。

    各自動(dòng)控制單元實(shí)現的功能分別是：

    壓力測量站：采用LM 系列PLC LM3109和LM3310模塊，裝在一個(gè)PLC控制箱中。主要實(shí)現的功能是將采集到水網(wǎng)末端的壓力值每隔一段時(shí)間就向監控中心發(fā)送一次，監控中心根據傳上來(lái)的壓力值可以調整二次泵房恒壓供水的出口壓力設定值。
調節閥控制站：采用LM系列PLC LM3109、LM3310和LM3320模塊，裝在一個(gè)PLC控制箱中。主要實(shí)現的功能有：采集取水電動(dòng)機、電動(dòng)蝶閥及現場(chǎng)儀表的狀態(tài)信號及數據信號并對以上設備發(fā)送控制信號，通過(guò)預裝PID調節程序自動(dòng)調節電動(dòng)機運行頻率和電動(dòng)調節蝶閥的開(kāi)度：

    ◆取水泵電機、閥門(mén)運行狀態(tài)監測及控制；

    ◆接受監控中心控制指令、工藝參數的整定指令，并判斷其正確性、可行性后加以執行；

    ◆采集單泵進(jìn)、出口壓力和出水總管壓力及原水濁度、PH值等數據；

    ◆根據水庫水位的高低，其控制運行方式有兩種：

    第一種運行方式是：水庫水位較低時(shí)一級泵房水泵機組投入運行，根據折板反應池的水位反饋信號，通過(guò)預裝PID調節程序調節1#、2#電機的變頻器的運行頻率，以實(shí)現折板反應池水位的恒定運行；

    第二種運行方式是：水庫水位較高時(shí)，開(kāi)啟原水旁路閥門(mén)，實(shí)現原水的供水自流，達到節能運行目的，同時(shí)根據折板反應池的水位反饋信號，通過(guò)預裝PID調節程序自動(dòng)調節閥門(mén)開(kāi)度，以實(shí)現進(jìn)水的自動(dòng)調節。

    加藥加氯間站：采用LM系列PLC CPU模塊LM3109、4個(gè)模擬量輸入LM3310、以太網(wǎng)模塊LM3403和模擬量輸出LM3320模塊，裝在一個(gè)PLC控制柜中。主要實(shí)現的功能有：采集加藥加氯間和濾池中現場(chǎng)設備和儀表的狀態(tài)信號和數據信號，并對其發(fā)送控制信號，通過(guò)自動(dòng)控制程序實(shí)現設備的自動(dòng)運行控制。

    加藥加氯過(guò)程和濾池過(guò)濾過(guò)程功能：

    ◆根據原水流量自動(dòng)控制加礬量和前加氯量；

    ◆根據濾后水余氯反饋信號控制后加氯投加量；

    ◆攪拌機、計量泵等設備運行狀態(tài)的監測；

    ◆氯源運行工況監測，并自動(dòng)完成氯瓶的切換；

    ◆檢測漏氯報警信號并自動(dòng)開(kāi)啟氯氣中和設備；

    ◆采集進(jìn)水流量、水質(zhì)參數（包括沉淀池出水濁度、濾池出水濁度、加氯后余氯等）、液位、氯瓶重量、加氯加藥量等信號；
 
    ◆操作終端上動(dòng)態(tài)顯示工藝檢測參數和設備工作狀態(tài)并實(shí)時(shí)向控制室傳送數據；

    ◆根據清水池液位的變化趨勢控制1#-至3#濾池的進(jìn)水閥門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉，使清水池的液位保持在設定范圍內，避免清水池溢流；

    ◆實(shí)時(shí)采集每格濾池的運行水位和水頭損失，根據濾池水位，通過(guò)預裝PID調節程序調節清水閥的開(kāi)啟度，實(shí)現濾池恒水位過(guò)濾；

    ◆對濾格的進(jìn)水、出水等閥門(mén)進(jìn)行故障檢測、判斷并進(jìn)行故障時(shí)保護控制，特別是與之相關(guān)的設備必須同時(shí)進(jìn)行保護控制；

    ◆實(shí)時(shí)向中央控制計算機傳送工藝檢測參數和設備工作狀態(tài)信號；

    ◆接受中央控制室下達的控制指令，包括對某個(gè)濾池進(jìn)行強制沖洗的指令等（濾池中的反沖洗系統是獨立的，并不在本文介紹范圍內），判斷其正確性、可行性后加以執行；

    二級泵房站：采用LM系列PLC CPU模塊LM3109、4個(gè)模擬量輸入LM3310、以太網(wǎng)模塊LM3403和模擬量輸出LM3320模塊，裝在一個(gè)PLC控制柜中。主要實(shí)現的功能有：采集現場(chǎng)設備和儀表的運行狀態(tài)和數據信號，并根據用戶(hù)實(shí)際的用水情況，通過(guò)預裝PID調節程序自動(dòng)調節電動(dòng)機運行頻率，達到恒壓供水的目的：

    ◆二級泵房機組電動(dòng)機、出水閥門(mén)、引真空設備運行狀態(tài)的監測與控制；

    ◆泵房排水泵運行狀態(tài)監測； 

    ◆采集相關(guān)水質(zhì)儀表數據信號，包括出廠(chǎng)水濁度、PH值、余氯等；
 
    ◆采集清水池、吸水井液位、單泵出口壓力和出水總管壓力、出水總管流量、電機工作電壓和電流等信號；

    ◆根據出水總管實(shí)際壓力自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉水泵運行臺數，并通過(guò)預裝PID調節程序調節2#或3#電機變頻器的運行頻率，達到恒壓供水的目的；

    ◆以吸水井液位的低限值作為1#-至4#泵的停機保護依據，以避免電機空轉；

    ◆操作終端上動(dòng)態(tài)顯示工藝檢測參數和設備工作狀態(tài)并實(shí)時(shí)向控制室傳送數據；

    ◆接受中央控制室下達的控制指令、工藝參數的整定指令，并判斷其正確性、可行性后執行。

    監控中心

    本水廠(chǎng)計算機監控系統采用SmartPro3.1.3系統，該系統提供了友好的人機界面(見(jiàn)圖2全廠(chǎng)工藝流程圖)，具備如下功能：
 
    1 實(shí)現了工藝流程監控

    該系統實(shí)現了水廠(chǎng)整體工藝流程、各主要工藝設備運行狀態(tài)、過(guò)程控制及各生產(chǎn)環(huán)節生產(chǎn)數據的實(shí)時(shí)采集與顯示，主要畫(huà)面有：全廠(chǎng)工藝流程圖、一級泵房工藝流程圖、濾池工藝流程圖、二級泵房工藝流程圖、加藥加氯間工藝流程圖及在線(xiàn)儀表實(shí)時(shí)參數顯示表、生產(chǎn)數據歷史趨勢圖等。實(shí)現的工藝生產(chǎn)設備監控功能有：所有被監控制設備的運行狀態(tài)、啟?？刂?、設備與設備之間的連鎖控制、工藝參數的PID設定以控制設備開(kāi)啟度，以及設備溫度、電流、壓力、液位、流量等參數的顯示、報警、記錄、趨勢以及累積量計算等。

    2 調節回路顯示與控制

    包括設備開(kāi)度調節、運行頻率調節、投加量調節等所有調節回路，可修改設定值、控制方式、調節參數等。
        
        

                             圖2 全廠(chǎng)工藝流程圖
 
    3 報警功能

    包括工藝數據報警、設備故障報警、系統故障報警，并根據不同的報警信息提供不同的報警畫(huà)面，在故障確認后可實(shí)現報警解除。

    4 歷史數據的存儲與檢

    記錄生產(chǎn)過(guò)程中所有參數的歷史數據，記錄時(shí)間不小于一個(gè)月，并可根據要求任意設置。對重要的數據進(jìn)行在線(xiàn)存儲?？梢酝ㄟ^(guò)歷史報表或者歷史趨勢曲線(xiàn)的方式來(lái)檢索歷史數據。

    統計分析、歷史記錄，根據生產(chǎn)數據，建立生產(chǎn)數據庫系統，并對這些數據進(jìn)行有目的的分析，可以做出不同角度、不同應用場(chǎng)合的數據分析和歷史記錄。

    5 操作記錄

    記錄生產(chǎn)過(guò)程中操作員所進(jìn)行的所有操作，記錄時(shí)間不小于一個(gè)月，并根據要求任意設置。

    6 報表顯示和打印

    采用了DDE技術(shù)，從而使用戶(hù)能夠直接使用Excel編制報表，借助Excel的強大功能，用戶(hù)可以隨心所欲地編制各種各樣的報表，可以是實(shí)時(shí)數據的報表，也可以是歷史數據的報表。報表打印所有受控設備的工作情況、工作狀態(tài)，儀表測點(diǎn)設備的溫度、流量、壓力、液位等參數的定時(shí)記錄打印，以及各種管理報表，班報表、日報表、月報表和年報表。

    7 系統的安全管理

    對重要設備的操作、重要參數的修改均會(huì )自動(dòng)記錄，包括登錄的操作員、對設備進(jìn)行的操作、時(shí)間以及修改前的參數值、修改后的參數等，以利于進(jìn)行管理及事故分析；系統設置為多用戶(hù)、多區域方式，各類(lèi)用戶(hù)均有自己的用戶(hù)名和密碼，對應著(zhù)不同的安全級別，決定了操作員可觀(guān)察的范圍、可使用的功能、可修改的參數等。最多可以設置為8級用戶(hù)、8級區域。

    4 控制系統軟件實(shí)現介紹

    SmartPro是監控中心采用的SCADA軟件，它要以GPRS和以太網(wǎng)的兩種方式與PLC通訊。

    GPRS 是通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service)的英文簡(jiǎn)稱(chēng)，是在現有GSM 系統上發(fā)展出來(lái)的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM 用戶(hù)提供分組形式的數據業(yè)務(wù)，是一種新的移動(dòng)數據通信業(yè)務(wù)，在移動(dòng)用戶(hù)和數據網(wǎng)絡(luò )之間提供一種連接，給移動(dòng)用戶(hù)提供高速無(wú)線(xiàn)IP。GPRS DTU是支持GPRS技術(shù)的一種通訊設備，通過(guò)RS－232通訊口完成與PLC的數據交互。PLC定時(shí)將數據發(fā)送給GPRS DTU，同時(shí)PLC實(shí)時(shí)接收DTU發(fā)來(lái)的數據完成相應控制功能，GPRS DTU發(fā)送數據的過(guò)程為：數據送到中國移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò )中，然后再經(jīng)過(guò)INTRNET，最后在數據中心通過(guò)ADSL進(jìn)行接收，數據中心路由器收到各站的數據后轉發(fā)到指定端口的數據服務(wù)器上，GPRS DTU接收數據的過(guò)程為發(fā)送數據的反過(guò)程。GPRS DTU在收到PLC發(fā)來(lái)的數據會(huì )立即轉發(fā)到數據中心。根據本工程實(shí)際情況，PLC每次向DTU發(fā)送幀格式數據量為140字節，接受幀格式數據量同樣為140字節，包括所有模擬量和開(kāi)關(guān)量。

    DTU在使用前，先要進(jìn)行參數設定，參數設定主要指三個(gè)參數，一個(gè)是DTU 身份識別碼，當系統中有多個(gè)DTU時(shí)通過(guò)它識別不同的DTU；另個(gè)是數據中心的IP地址，指明DTU與那個(gè)地址連接；再有就是串口通訊參數，要和PLC串口的通訊參數相同，才能和PLC建立起通訊。用戶(hù)可以通過(guò)超級終端，串口調試工具，以及DTU公司提供的配置工具這三種方式給DTU進(jìn)行參數配置。只有設置正確的DTU才可以和SmartPro監控中心通訊，SmartPro工程與 GPRS-DTU的通訊一定要通過(guò)一個(gè)由SmartPro 開(kāi)發(fā)部門(mén)專(zhuān)有的開(kāi)發(fā)工具，就是一個(gè)SmartPro通過(guò)網(wǎng)卡接受/發(fā)送數據包的一個(gè)驅動(dòng)程序。這個(gè)驅動(dòng)程序一定要放到相應的SmartPro工程存放的目錄中才能起作用，在運行SmartPro工程后要啟動(dòng)這個(gè)驅動(dòng)程序，這樣就可以在內部設備中操作DTU傳輸的數據了。

    以太網(wǎng)是一種網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，基于CSMA/CD（載波偵聽(tīng)/碰撞檢測）控制各節點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò )的訪(fǎng)問(wèn)，在中等通信量時(shí)，以太網(wǎng)技術(shù)是非常有效的，高性能的。以太網(wǎng)是目前開(kāi)放性最好的網(wǎng)絡(luò )，為大多數廠(chǎng)家的工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品所應用，能夠輕松滿(mǎn)足用戶(hù)將來(lái)的擴容需要，從而能夠很好保護用戶(hù)的投資。SmartPro 軟件系統本身提供對MODBUS TCP/IP 協(xié)議的支持，同樣LM系列PLC中的以太網(wǎng)模塊也支持所有MODBUS TCP/IP協(xié)議，所以SmartPro工程與PLC工業(yè)以太網(wǎng)通訊可以順利完成，直接組態(tài)中建立MODBUS TCP設備即可。本工程中SmartPro 工程的I/O 服務(wù)器與兩個(gè)LM PLC控制柜通過(guò)交換機和鎧裝光纖組成星型網(wǎng)絡(luò )。

    在PLC控制柜上還有一個(gè)Eview的觸摸屏，屏的程序主要顯示水廠(chǎng)內的參數和對現場(chǎng)設備進(jìn)行控制，完成現場(chǎng)PLC控制層作用。加藥加氯間站的屏顯示數據和控制設備與二級泵站的屏是不同的，是根據每個(gè)站的功能不同而編寫(xiě)的。屏進(jìn)入畫(huà)面如下：

              


    在本工程中下位程序根據程序段實(shí)現功能不同，主要可以分為數據采集程序、自由口通訊程序、以太網(wǎng)通訊程序和動(dòng)作執行程序，采用LM PLC程序編寫(xiě)軟件PowerPro編寫(xiě)。

    5結論

    本文介紹了采用LM系列PLC的水廠(chǎng)自動(dòng)化控制系統。在現今水廠(chǎng)自動(dòng)化控制系統大部分采用中大型PLC的情況下，LM系列小型一體化PLC以其強大的功能取代了中大型PLC應用到水廠(chǎng)自動(dòng)化控制系統中,達到了智能化控制的目的，滿(mǎn)足了可靠性和安全性的要求，同時(shí)減小了系統空間，降低了系統的成本。

    參考文獻

    [1] 杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司. LM硬件手冊，2006

    [2] 杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司. LM軟件手冊，2006

    [3] 杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司. HOLLiAS-LEC SmartPro使用手冊，       2006