石家莊東方龍水業(yè)科技有限責任公司 李鎖軍 代偉
摘要：石家莊地表水廠自動化控制系統(tǒng)改造工程全部采用Rockwell Automation公司的ControlLogix和CompactLogix，廠區(qū)的通訊采用ControlNet冗余網(wǎng)絡(luò)，遠程通訊采用無線方式。在改造中設(shè)計并實現(xiàn)了新、舊系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)兼容?？刂乒に囈浦驳倪^程中，完成了PLC程序優(yōu)化和工藝改進。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃 數(shù)據(jù)兼容 程序優(yōu)化 工藝改進
1 引 言
石家莊市供水總公司地表水廠是1996年建成投產(chǎn)的自動化程度很高的地表水廠。水廠設(shè)計日產(chǎn)水30萬噸，技術(shù)和工藝全部從國外引進，已運行十年的自控系統(tǒng)面臨癱瘓。石家莊供水公司根據(jù)十年的運行經(jīng)驗，決心依靠自身的技術(shù)實力，通過自主研發(fā)對水廠自控系統(tǒng)進行改造。2006年開始對全廠的PLC自控系統(tǒng)進行全面改造，為了不影響整個供水生產(chǎn)的正常進行，改造工程分二期進行，至2007年11月改造工程全部竣工。改造后的自控系統(tǒng)滿足了八水廠生產(chǎn)的要求，進一步完善了原系統(tǒng)的性能，并實現(xiàn)多項技術(shù)突破和工藝改進。新系統(tǒng)開創(chuàng)了多項技術(shù)創(chuàng)新之先河，明顯超出了原系統(tǒng)的設(shè)計水平，原系統(tǒng)的遺留問題均得到妥善解決。送水泵房實現(xiàn)變頻調(diào)速，恒壓供水，取得良好的節(jié)能效果；成功的實現(xiàn)了PLC自控系統(tǒng)與第三方設(shè)備的通訊，奠定了工程成功的基礎(chǔ)；針對進廠水加藥、沉淀、過濾的設(shè)備和工藝現(xiàn)狀，實現(xiàn)多項工藝改革和創(chuàng)新；在改造過程中，新、舊系統(tǒng)的軟件兼容調(diào)試成功，為公司節(jié)約了大筆硬件兼容的費用。
2控制網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化
2.1原自控系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)
地表水廠原自控系統(tǒng)使用Square D PLC作為自控系統(tǒng)的主力設(shè)備。邏輯上設(shè)有7個主站、9個子站。其中公司調(diào)度中心的PLC已經(jīng)拆除，黃壁莊取水管理站PLC與廠區(qū)的無線通訊聯(lián)系由于設(shè)備原因已經(jīng)中斷。子站采用小型的SY/MAX 50系列PLC，其他站采用中型的SY/MAX 400系列PLC。廠區(qū)內(nèi)PLC依照Square D的產(chǎn)品要求使用雙絞線和光纖組成SY/NET工控網(wǎng)絡(luò)（不包括脫水間PLC）。中控室與黃壁莊取水口PLC采用400兆赫無線通訊的方式交換數(shù)據(jù)。SY/NET網(wǎng)絡(luò)通訊速率2M，無線通訊速率為9600bps。Square D PLC采用HDLC協(xié)議，該協(xié)議相對比較簡單，但效率較高。系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 八水廠原自控系統(tǒng)的拓撲圖
2.2新自控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃
在整個網(wǎng)絡(luò)體系中我們采用了 Rockwell Automation公司的Netlinx結(jié)構(gòu)。在這個網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中采用的是CIP協(xié)議，基于Producer/Consumer的通訊方式，不再是以前的主-從方式。這樣CPU就不再是瓶頸，既降低了CPU的負擔，又可以實現(xiàn)I/O共享。機組之間的數(shù)據(jù)交換可以通過I/O直接進行，而不需要再通過CPU進行交換。這樣機組間的數(shù)據(jù)交換速度基本上可以達到實時的程度。
控制級采用ControlNet這種全新網(wǎng)絡(luò)模式，網(wǎng)絡(luò)間采用雙介質(zhì)冗余，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這種生產(chǎn)者/消費者(PRODUCER/CONSUMER)模式，它不需要單獨的源/目的地址，代之以數(shù)據(jù)標識，因此不同的消費者（信息接收者）可以根據(jù)數(shù)據(jù)標識同時接收來自生產(chǎn)者（信息產(chǎn)生者）的信息，如果某些信息是它所不需要的，它可以忽略，而只處理那些它所需要的信息，這種全新的網(wǎng)絡(luò)模式是對傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模式的革命，它極大地提高了網(wǎng)絡(luò)效率。該模式同時也被DEVICENET和FOUNDATION FIELDBUS所采用，代表了下一代網(wǎng)絡(luò)的趨勢。
系統(tǒng)監(jiān)控主要采用A-B公司的ControlLogix系統(tǒng)，在整個系統(tǒng)中都設(shè)計有通訊功能。ControlLogix的結(jié)構(gòu)能夠利用獨特的ControlBus底板為整個系統(tǒng)創(chuàng)建通信網(wǎng)關(guān)，ControlBus底板不采用典型的主–從模式，而采用另一種方法，該方法基于生產(chǎn)者/消費者，在CONTROLNET和DEVICENET通信網(wǎng)絡(luò)中會遇到這種模式。對于一些小型站，采用了A-B公司的CompactLogix系統(tǒng)，CompactLogix在控制站上還配有人機界面系統(tǒng)，采用了A-B公司的PanelView操作員界面，能夠提供豐富的功能，包括先進的報警處理，屏幕安全設(shè)置，模擬量表盤，存儲卡兼容，在線打印等，這些功能將為操作員提供更為直觀的操作方法。
不同的控制系統(tǒng)，相同的編程組態(tài)環(huán)境，統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)體系，這樣的設(shè)計節(jié)省了很多培訓費用和工程執(zhí)行時間。
根據(jù)水廠生產(chǎn)工藝及管理要求，在系統(tǒng)設(shè)計時以原系統(tǒng)的站點結(jié)構(gòu)為依據(jù),保留原有的6個主站、9個子站。6個主站采用Contrologix系列PLC；9個子站采用Compactlogix系列PLC，濾站8個子站分別控制16個濾池的動作，脫水間的帶式壓濾機也由一個子PLC主導控制。脫水間PLC、8個濾池子站PLC采用Compactlogix系列PLC，其他站采用Contrologix系列PLC。廠區(qū)內(nèi)主干網(wǎng)即各主站PLC之間以及主站與子站之間均采用ControlNET冗余網(wǎng)絡(luò)，通訊時如果A網(wǎng)出現(xiàn)故障可改用B網(wǎng)，無需人工設(shè)置。為保證信號的穩(wěn)定和介質(zhì)的抗干擾性，在伴有高電壓及大電流的區(qū)段選用光纖作為網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)。中控室與黃壁莊取水管理站PLC、崗南取水管理站RTU通過第三方通訊模塊MVI56-MCM進行無線數(shù)據(jù)通訊。上位機及觸摸屏均掛在ControlNET冗余網(wǎng)絡(luò)上。ControlNET網(wǎng)的通訊速度為5M/s，無線通訊速率為19200bps。
3自控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)兼容
3.1數(shù)據(jù)兼容的設(shè)計背景
由于地表廠自控系統(tǒng)的改造工作不能影響整個供水生產(chǎn)的正常進行，因此改造工作應(yīng)該是分步驟實施的。這種階段式改造必然導致新系統(tǒng)與原系統(tǒng)長期共存。那么，兩套系統(tǒng)的互聯(lián)互通就是該項目的一個難點。系統(tǒng)兼容就是指新自控系統(tǒng)與原自控系統(tǒng)在共存期間的互聯(lián)互通問題，新自控系統(tǒng)將把已經(jīng)改造站點的數(shù)據(jù)按照原自控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)要求寫入原自控系統(tǒng)，從而保證原自控系統(tǒng)的顯示完整。但是，原自控系統(tǒng)不能向新自控系統(tǒng)的設(shè)備發(fā)送指令。
新系統(tǒng)與原系統(tǒng)的兼容性可以從兩個方向來解決：硬件兼容和軟件兼容。兩種兼容方式各有利弊，從保護投資的角度考慮，軟件兼容解決方案是一個比較可行的方案。
3.2硬件兼容
硬件兼容是指通過在新系統(tǒng)和原系統(tǒng)之間增加硬件適配器的方法來雙向轉(zhuǎn)換兩種不同的PLC協(xié)議，從而實現(xiàn)兩個系統(tǒng)的互連互通。這種方式的典型應(yīng)用是揚州第四水廠的濾池改造項目。這種改造方式的系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示：
圖2 硬件兼容系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
這種處理兼容性的方法可以做到比較平穩(wěn)地從原系統(tǒng)過渡到新系統(tǒng)，比較適合工期較長的改造項目。當然，它也存在一定的弊端。首先，選用的硬件適配器是一個過渡的投資，這個設(shè)備在新系統(tǒng)建成之后就失去存在的意義，而且一般來說，專用的協(xié)議轉(zhuǎn)換適配器由于用途單一，往往價格較高，昂貴的投資可能只使用一到兩年，從硬件成本上來考慮很不劃算；另外，這種改造方式并不能節(jié)約軟件開發(fā)成本，所有原系統(tǒng)中的下位程序和上位軟件都需要重新編寫、重新開發(fā)；還有，使用硬件兼容從改造角度來講會限制新系統(tǒng)的設(shè)備選型范圍，使改造工作從某種意義上成為對一種過時產(chǎn)品的高級升級。硬件兼容的系統(tǒng)改造示意圖如圖3所示
圖3 硬件兼容的系統(tǒng)改造示意圖
3.3軟件兼容
軟件兼容是指從上位軟件來考慮新系統(tǒng)與原系統(tǒng)的互連互通問題。一般來說，工控上位組態(tài)軟件都會支持多種PLC協(xié)議，這樣做的目的就是為了使該軟件可以支持更多廠家的PLC產(chǎn)品，從而最大限度地提高其產(chǎn)品的適用性。所以我們可以讓組態(tài)軟件來完成兩個系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。組態(tài)軟件從新系統(tǒng)中讀來數(shù)據(jù)寫入原系統(tǒng)中可以在過渡階段保持原系統(tǒng)的邏輯完整性；另一方面新系統(tǒng)從原系統(tǒng)中讀取數(shù)據(jù)來完成新系統(tǒng)的控制策略，測試新系統(tǒng)的綜合性能。這種兼容性解決方案一方面可以減少工程投資，另一方面不會過多增加編程的工作量。當然這種方式也不是完美無缺的。系統(tǒng)的兼容性是需要上位組態(tài)軟件在系統(tǒng)中的存活來維持的。如果上位機宕機或退出運行狀態(tài)那么兩個系統(tǒng)的互通鏈條就會中斷。這就要求上位軟件的開發(fā)工作要超前于硬件的安裝調(diào)試，最起碼要同時完成，而且上位程序必須在實驗室先期進行全面的測試，務(wù)必在程序安裝到位后盡量進行最少的修改工作。當然，硬件兼容解決方案也存在類似的問題，畢竟技術(shù)改造項目以最小限度地影響正常生產(chǎn)為首要條件。
新、舊自控系統(tǒng)的兼容將采用OPC的方式加以實現(xiàn)。具體的做法是：以中控室的一臺新系統(tǒng)的上位機作為OPC服務(wù)器，該服務(wù)器運行Kepware for Square D服務(wù)。Kepware for Square D的服務(wù)器端與新系統(tǒng)的上位軟件（RsView SE）交換數(shù)據(jù)，客戶端與原自控系統(tǒng)的PLC相連。通過Kepware for Square D 做為新系統(tǒng)和舊系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換橋梁。已經(jīng)并入新系統(tǒng)的站點數(shù)據(jù)將通過上位軟件以O(shè)PC的方式直接寫入原系統(tǒng)中的PLC5 CPU中。OPC服務(wù)器通過串口與PLC5的RS232口連接。由于Kepware for Square D不支持與SY/LINK卡的通訊，因此需要在PLC5的程序中額外增加將新系統(tǒng)的數(shù)據(jù)寫入SY/LINK卡郵箱（mailbox）的程序。通過這種方式，新系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)就可以在原系統(tǒng)中傳輸并顯示了。軟件兼容解決方案的系統(tǒng)拓撲圖如圖4所示：
圖4 軟件兼容系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
4地表水廠的工藝改進
4.1控制策略的移植
控制策略的移植實際上就是把舊系統(tǒng)的PLC中運行的各種控制工藝程序移植到新的PLC程序中。一般來說，這個工作理論上很簡單，只是讀懂舊程序，按照新設(shè)備的編程約束重新編寫程序，使兩種自控設(shè)備在相同激勵下保持行為一致。但是在實際操作上這部分工作最繁瑣、最容易出現(xiàn)安全隱患。首先兩種控制設(shè)備在編程規(guī)則、實現(xiàn)手段上必然存在差異，程序員必須熟悉兩種設(shè)備的特點，不可能只進行簡單機械的拷貝就可以完成任務(wù)。另外，原系統(tǒng)的控制程序是經(jīng)過現(xiàn)場各種復雜條件考驗、結(jié)合系統(tǒng)維護人員多年來辛勤工作總結(jié)出來的策略結(jié)晶。新系統(tǒng)不可能有足夠多時間磨礪和現(xiàn)場考驗，大部分的程序修改和現(xiàn)場模擬必須在實驗室來完成，這必然會在一定程度上出現(xiàn)偏差和遺漏。力爭把隱患發(fā)生的可能性降到最低限度，這部分工作是決定新系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵因素。
4.2程序優(yōu)化和工藝改進
在PLC程序設(shè)計當中，程序員不要拘泥于原程序，要根據(jù)設(shè)備和工藝現(xiàn)狀，以全新的方式實現(xiàn)了原系統(tǒng)的所有性能，并展開改進和創(chuàng)新。地表水廠進廠水經(jīng)過沉淀池沉淀后通過16個濾池過濾到清水池，濾池是地表水處理的重要一環(huán)，直接關(guān)系到水質(zhì)的好壞。程序員在程序設(shè)計中勇于創(chuàng)新，實現(xiàn)濾池反沖洗工藝的多項改進。
首先消除了濾池液位的不合理的異常報警，彌補了原系統(tǒng)程序設(shè)計的漏洞。濾池正常過濾時液位控制在0.95m，并設(shè)有高、低液位報警。濾池反沖洗時液位只有0.25m左右，低于正常過濾液位。原程序在反沖洗時會發(fā)生不合理的低液位報警，新系統(tǒng)經(jīng)過程序員的精心設(shè)計，克服了這一弊端。
其次改進了濾池反沖洗工藝，節(jié)水的同時使工藝更趨合理。原系統(tǒng)濾池反沖洗時，進水提板閘板關(guān)閉的同時打開出水提板閘。此時液位尚高，濾池內(nèi)大量的水排到污泥處理系統(tǒng)；在除錳期，污泥處理系統(tǒng)停用，就被直接當作污水排掉。程序設(shè)計人員與工藝人員密切配合，大膽改進。反沖洗開始時，關(guān)閉進水提板閘板，將清水出水閥全開，延時2分鐘，使濾池內(nèi)的水繼續(xù)正常過濾到清水池，待液位下降到接近反沖洗液位時，再打開反沖洗出水提板閘。改進以后的反沖洗工藝明顯地減少了設(shè)備損耗，節(jié)約了水源。
濾池反沖洗的氣洗&水洗的時間要根據(jù)水質(zhì)進行調(diào)整，新系統(tǒng)將反沖洗氣洗&水洗的時間設(shè)計成操作界面可調(diào)，使操作更加便捷。
沉淀池刮泥橋的自動運行靠南、北限位開關(guān)控制。如果限位開關(guān)沒有正常壓上，自動運行的刮泥橋不能停下來，曾經(jīng)造成刮泥橋驅(qū)動電機燒毀的惡性事故。程序設(shè)計人員為刮泥橋的自動運行增加了超時保護和報警，并增加了運行時間的計量和顯示，方便了用戶，消除了設(shè)備隱患。
崗南、黃壁莊取水管理站與廠區(qū)的數(shù)據(jù)通訊中斷多年，新系統(tǒng)實現(xiàn)了崗、黃取水管理站與廠區(qū)的無線數(shù)據(jù)通訊，結(jié)束了廠區(qū)與崗、黃靠電話聯(lián)系的局面。崗、黃水庫取水管理站的自控系統(tǒng)相對獨立，相當于水廠控制系統(tǒng)的兩塊飛地。新系統(tǒng)投運后采用無線通訊的方式將管理站內(nèi)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿畯S控制系統(tǒng)。崗南取水管理站的自控系統(tǒng)使用的RTU、黃壁莊取水管理站的取水流量計都是使用MODBUS協(xié)議的第三方設(shè)備，實現(xiàn)了新系統(tǒng)與第三方設(shè)備的互聯(lián)互通，并成功恢復廠區(qū)與崗、黃取水管理站的無線通訊是工程設(shè)計、實施中的一個靚點。
濾池工藝圖如圖5所示：
圖5 濾池控制工藝
5結(jié)束語
石家莊地表水廠的自控系統(tǒng)改造工程中，采用全新的控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計理念，成功實現(xiàn)改造過程中的軟件兼容，在不影響生產(chǎn)的前提下，完成控制工藝的移植，并對PLC程序展開優(yōu)化，成功完成多項工藝改進，成為整個工程的亮點。
作者簡介
李鎖軍 高級工程師，現(xiàn)任職于石家莊東方龍水業(yè)科技有限責任公司。
（轉(zhuǎn)載）
