1  項目概況
    太原城市供水公司呼延凈水廠(chǎng)為山西省重點(diǎn)工程，建設資金來(lái)源于國債，是萬(wàn)家寨引黃入晉工程的組成部分。黃河水源從萬(wàn)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(chǎng)。水廠(chǎng)規模為日供水首期40萬(wàn)噸/日，近期將達到80萬(wàn)噸/日。全廠(chǎng)主要構成有儲藥池、加藥間、加氯加氨間、配水車(chē)間、凈水車(chē)間（混合、蓄凝、沉淀、大小虹吸濾池）、清水池、污泥濃縮脫水車(chē)間及綜合樓（中控室）等。
2  系統設計
    本項目采用羅克韋爾自動(dòng)化的全線(xiàn)產(chǎn)品，以L(fǎng)ogix控制平臺和開(kāi)放的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )NetLinxTM體系為核心，采用最新的控制器、驅動(dòng)、網(wǎng)絡(luò )架構及工控軟件產(chǎn)品組建了一個(gè)由計算機、PLC、現場(chǎng)在線(xiàn)儀表組成的多級的、開(kāi)放的、模塊化的、實(shí)時(shí)多任務(wù)的集散型的可擴展的數據采集和監控系統。
該系統采用集成工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)、控制總線(xiàn)和100/1 000M高速以太網(wǎng)組成的混合三層體系結構，既支持基于瀏覽器的B/S結構體系，也支持C/S結構體系，系統體系結構如圖1所示。

 
圖1  太原呼延凈水廠(chǎng)系統體系結構

    整個(gè)呼延水廠(chǎng)的輸入/輸出信息形式多樣（包括圖像、圖形、文字、語(yǔ)音、數字等多媒體形式），信息量大，對系統功能要求高?？刂票O視任務(wù)不僅僅限于單機的檢測和控制問(wèn)題，而且還要求實(shí)現對整個(gè)系統的監控、診斷、優(yōu)化、預報、調度。以PLC和計算機為核心的信息處理機制將完成對綜合信息的管理、生產(chǎn)過(guò)程的計劃、調度、監視與自動(dòng)化控制。系統具有以下三個(gè)主要方面的功能：
(1)  現場(chǎng)生產(chǎn)數據的采集、分析、處理、動(dòng)態(tài)追蹤、工藝控制等前臺生產(chǎn)現場(chǎng)檢測與控制；
(2)  水質(zhì)數據、設備故障信息管理等后臺信息管理；
(3)  水廠(chǎng)運行監控與計劃調度指揮，現場(chǎng)電視監視、內部電話(huà)監控等多媒體系統。
    為了實(shí)現以上功能的集成，太原呼延凈水廠(chǎng)廣泛采用了多媒體技術(shù)、現場(chǎng)總線(xiàn)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)與視頻圖像監控技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，可以定義為集成現場(chǎng)工業(yè)總線(xiàn)的高速以太網(wǎng)多媒體計算機信息管理、控制系統。整個(gè)系統的架構分為三個(gè)層次（如圖2所示）。

圖2  太原呼延凈水廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )結構拓撲圖

(1)  信息層 由計算機硬件與軟件系統組成。其中硬件部分主要為工作站、服務(wù)器、工業(yè)電視監視系統、網(wǎng)絡(luò )傳輸線(xiàn)路等組成，完成系統的數據采集、監測、控制、通信、顯示等功能。軟件系統主要由基于羅克韋爾自動(dòng)化組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)的呼延水廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程控制與作業(yè)管理信息系統、呼延水廠(chǎng)運行監控與計劃調度指揮系統和基于微軟SQL數據庫開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)管理（水質(zhì)監測、生產(chǎn)數據和系統故障報警信息）信息系統等組成。 該體系結構實(shí)現了對呼延水廠(chǎng)生產(chǎn)系統軟硬件資源的充分利用，使系統具有更高的兼容性、開(kāi)放性和安全性。系統采用IBM部門(mén)級服務(wù)器，對生產(chǎn)管理系統數據進(jìn)行備份、存儲，以保證生產(chǎn)數據的高度安全性。監控工作站、管理工作站、現場(chǎng)過(guò)程數據服務(wù)器（Web服務(wù)器）、視頻服務(wù)器、數據庫及應用軟件的用戶(hù)之間通過(guò)TCP/IP通信協(xié)議實(shí)現信息的傳輸與共享。數據庫中的數據只有通過(guò)服務(wù)器才能夠與用戶(hù)、現場(chǎng)設備之間進(jìn)行信息的交流（監控計算機除外）。用戶(hù)既可以通過(guò)Windows內建的IE瀏覽器實(shí)現生產(chǎn)現場(chǎng)信息的獲取與交互，也可以直接與數據服務(wù)器進(jìn)行信息的交流，再通過(guò)監控計算機實(shí)現對現場(chǎng)設備的控制。用戶(hù)不直接參與控制現場(chǎng)設備與數據庫，既保證了數據的安全性及底層設備的健壯性又實(shí)現了人機交互界面的透明性與友好性。
(2)  控制層 現場(chǎng)控制站以ControlLogixTM平臺為控制核心，分布在各工藝段，PLC之間和中央監控計算機通過(guò)光纖采用ControlNetTM網(wǎng)絡(luò )協(xié)議相連，實(shí)現控制信號的高速傳輸。PLC自動(dòng)監測重要設備的運行狀態(tài)和工藝參數變化，并對設備進(jìn)行自動(dòng)控制。根據工藝流程（如圖3所示），全廠(chǎng)共設6套PLC控制站：
    1＃PLC站設在加藥間，負責投藥系統和配藥系統。根據進(jìn)水流量、原水濁度、溫度及沉淀后SCD值進(jìn)行加藥系統的PID自動(dòng)調節；并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )通訊控制進(jìn)水流量調節器。
    2＃PLC站設在加氯加氨間，控制液氯及液氨的氣化、加氯加氨機的投用與切換，完成加氯加氨過(guò)程的監測和控制。
    3＃PLC站設在沉淀池配電間，控制配水井排泥角閥、格柵機、電動(dòng)蝶閥門(mén)、各閥島電磁閥箱，控制反應沉淀區域的排泥過(guò)程。
    4＃PLC站設在濾池電氣配電間，自動(dòng)完成濾池過(guò)濾與反沖洗過(guò)程控制、高低壓配電系統的監測、對回收水池及排泥池的監視與控制。
    5＃PLC站設在自用水泵房，用于出廠(chǎng)水的水質(zhì)監測、控制自用水泵的啟停、通過(guò)網(wǎng)絡(luò )通訊對出廠(chǎng)水的調節控制器進(jìn)行控制。
    6＃PLC站設在濃縮脫水機房。完成回收水的濃縮過(guò)程，并為脫水系統輸送濃縮后的污泥，與脫水系統進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )連接采集脫水設備及脫水過(guò)程的狀態(tài)數據。

 
圖3  太原呼延凈水廠(chǎng)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，構成了一個(gè)安全、可靠的控制系統：當控制網(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(wú)擾動(dòng)切換，投入工作而不影響整個(gè)工藝過(guò)程的連續控制和檢測。
(3)  設備層 采用DEVICE NETTM網(wǎng)絡(luò )連接分布于水廠(chǎng)的傳感器和執行機構，將變頻器、閥島、儀表等直接采用總線(xiàn)電纜連接，實(shí)現了數字和模擬輸入/輸出模塊、智能信號裝置和過(guò)程調節裝置及PLC之間的數據數字化傳輸，把I/O信號通道分散到實(shí)際需要的現場(chǎng)設備附近，使安裝和布線(xiàn)的費用減少到最小，從而使成本費用大大地節省。這種用于低層設備的低成本、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  系統特點(diǎn)
(1)  可靠性高、技術(shù)先進(jìn) 傳統控制系統網(wǎng)絡(luò )設計基于單一的主/從地址總線(xiàn)，系統運行過(guò)程中由單一設備主宰總線(xiàn)并控制所有數據傳送。這種集中的設計方法，降低了總線(xiàn)的傳輸效率，無(wú)法充分發(fā)揮帶寬。ControlBusTM通過(guò)提供基于并行通訊網(wǎng)絡(luò )的，多主的生產(chǎn)者/客戶(hù)者信息概念打破了這種模式，并將生產(chǎn)者/客戶(hù)者技術(shù)直接應用于背板總線(xiàn)，可以同時(shí)完成1對1、1對多的信息傳遞?？刂破鞑辉僮鳛橥ㄓ嵖刂浦行?，無(wú)需干預背板上的數據交換，設備之間可直接進(jìn)行數據廣播和通訊，提高了系統的帶寬和性能。采用這種技術(shù)構造的控制系統具有更大靈活性，應用響應更快，處理器負擔低和數據處理時(shí)間短，減少了網(wǎng)絡(luò )和背板數據傳輸量，縮短 I/O 等待時(shí)間?？刂凭W(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)控制和報文傳送服務(wù)，更提供了I/O數據在控制器或操作員界面設備之間共享的功能，這種多控制器共享對等通信互鎖數據設計大大簡(jiǎn)化了PLC的程序量，省卻了大量的CPU之間通訊指令。在數據傳送過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò )提供確定性和可重復性功能，保證了數據傳遞的可靠性。
(2)  Web瀏覽 系統運用RSWebserver和Windows內建的IE瀏覽器實(shí)現了與Internet的連接，為用戶(hù)提供了一個(gè)真正的瘦客戶(hù)端服務(wù)系統。位于生產(chǎn)控制中心的數據服務(wù)器可作為一Web網(wǎng)站被享有特定權限的用戶(hù)登錄訪(fǎng)問(wèn)，獲得授權的用戶(hù)可在任何地方通過(guò)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)系統的運行信息。
(3)  易于操作及維護 ControlNetTM、DeviceNetTM及Logix平臺的模塊化結構，為用戶(hù)提供了豐富的診斷信息，系統自身可以自動(dòng)對硬件及網(wǎng)絡(luò )上的錯誤進(jìn)行分析和更正，并實(shí)時(shí)檢測設備潛在的維護需求，避免整個(gè)系統崩潰。操作員可以通過(guò)嵌入在前端計算機運行的、友好的人機界面程序（基于RSVIEW32TM平臺開(kāi)發(fā)）直觀(guān)、全面地了解系統的健壯程度，及時(shí)發(fā)現、預測系統隱患所在，將故障查找時(shí)間降至最低，大幅減少了系統維護的工作量。
(4)  支持多種接口 整個(gè)控制系統通訊網(wǎng)絡(luò )主架構采用Rockwell公司的NetLinxTM技術(shù)。它不僅支持Logix平臺，同樣可以兼容其他的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。系統中其他一些從國內外單獨引進(jìn)的設備如調流調壓閥、污泥脫水機、直流屏等分別采用了Modbus、Profibus-DP和RS-485等協(xié)議。Logix平臺和NetLinxTM技術(shù)提供了網(wǎng)絡(luò )間橋接和路由功能，將不同協(xié)議的接口數據通過(guò)無(wú)源背板總線(xiàn)在網(wǎng)絡(luò )上以CIP的模式傳遞。
4  結語(yǔ)
    由于該系統具有較高的可靠性、穩定性以及靈活的可擴展功能和對復雜環(huán)境及處理要求的適應性，為水廠(chǎng)的少人值守管理模式，創(chuàng )造了良好的技術(shù)條件。目前系統已正式投運近半年多，其性能完全能滿(mǎn)足運行要求，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟效益。