摘 要：本文通過分析自來水廠對控制系統(tǒng)的功能要求，主要介紹了三菱自動化的PLC及變頻器在自來水廠的應(yīng)用，以及與FIX組態(tài)軟件構(gòu)成的自控系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：PLC，變頻器，組態(tài)軟件
1、引言
自來水廠的制水過程是從水源地取水經(jīng)輸水管網(wǎng)至水廠，處理達標后通過配水管網(wǎng)送至用戶。惠州市江北水廠是以東江河水為水源的水廠，從取水泵站至水廠約3KM，一期工程設(shè)計供水能力為20萬噸/日，1999年9月22日正式供水。該廠采用集散測控管理系統(tǒng)，控制方式采用PLC+PC的監(jiān)控方式，設(shè)制一個中心控制主站和四個現(xiàn)場分站，各PLC站之間通過三菱MELSECNET/10網(wǎng)通訊，中心控制室與各計算機之間用三菱通訊模塊A1SJ71UC24-R2通訊，現(xiàn)場設(shè)備的控制方式分為手動與自動兩種控制方式：手動時PLC監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài);自動時PLC監(jiān)控設(shè)備的運行。江北水廠所有的PLC均采用三菱AnS系列，完成了邏輯控制、過程控制、PID等多種控制任務(wù)。江北水廠所涉及的變頻控制采用三菱變頻器，它們與PLC配合達到了最優(yōu)控制。上位機采用美國Intellution公司的FIX組態(tài)軟件及國產(chǎn)組態(tài)王軟件。
2、江北水廠對控制系統(tǒng)的要求
1）、分散性
根據(jù)江北水廠工藝的特點，分為取水泵站、投礬車間、投氯車間、反應(yīng)池、平流濾、濾池、清水池、供水泵站等。由于主體設(shè)備過于分散因此需要控制系統(tǒng)設(shè)計成幾個不同功能的分站，通過網(wǎng)絡(luò)使各個站之間既獨立又關(guān)聯(lián)，互不影響地進行各自的控制任務(wù)。
2）、集中監(jiān)控
為了確保供水水制，操作人員需要在中控室對整個水廠的生產(chǎn)情況了解，并進行集中監(jiān)控。
3）、可靠性、安全性
水廠的安全、穩(wěn)定運行直接關(guān)系到千家萬戶，所以從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、軟硬件產(chǎn)品質(zhì)量到控制程序編制等各個環(huán)節(jié)都必須是高可靠性的。
4）、可維護性
系統(tǒng)在系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件和硬件方面具有強大的報警和故障自診斷功能，方便工程師對系統(tǒng)故障進行分析和維護。
5）、可擴展性
系統(tǒng)應(yīng)采用具有一定標準及應(yīng)用較為廣泛的軟硬件產(chǎn)品，并考慮一定的余量，為將來水廠的擴建及系統(tǒng)的變更打下基礎(chǔ)。
6）、開放性
開放性是用戶對控制系統(tǒng)的普遍需求。隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的普及，人們越來越需要過程控制系統(tǒng)與管理信息系統(tǒng)交互信息，從而實現(xiàn)管理與控制一體化。最終達到向管理要效率，向管理要效益。盡管各控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠家在現(xiàn)場控制器模塊級還不可能完全開放或通用，但必須要求上位機監(jiān)控系統(tǒng)具有開放性，例如：監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)基于微軟公司的WindowsNT、2000或9X平臺，支持各種規(guī)范的協(xié)議如OPC、ODBC、ActiveX、DDE等。
3、 控制系統(tǒng)構(gòu)成
1）、 控制系統(tǒng)硬件
如圖所示，江北水廠根據(jù)系統(tǒng)不同功能分為五個PLC站，應(yīng)用三菱MELSECNET/10網(wǎng)組網(wǎng)通訊，通過A1SJ71UC24-R2與計算機通訊。利用電信局幀中繼與公司調(diào)度室進行數(shù)據(jù)傳輸。遠程測壓點通過無線通訊進行數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)生產(chǎn)的特點五個PLC站分別為投加分站、平流池分站、濾池分站、反沖分站、主站。所有PLC站均采用三菱AnS系列PLC。
A、投加分站以過程控制為主，利用儀表、變頻器進行投氯、投礬的回路控制。儀表輸出4-20mA標準信號。
B、排泥車分站以邏輯控制為主，通過PLC發(fā)出的指令，指令通過中間繼電器及變頻器，對行車的電機及泵等設(shè)備進行開停、運行頻率變化等控制，以達到運行的高度自動化。
C、濾池分站是邏輯控制與過程控制相輔相成，并加入了PID控制。在幾個站中濾池分站屬于最復(fù)雜繁煩，我廠有十組濾池，并且都投入運行，三菱PLC完全能達到控制要求。
D、反沖分站主要是以邏輯控制為主，當(dāng)PLC接受到濾池站發(fā)出的反沖要求指令時，開始按程序順序地進行控制。
E、主站以邏輯控制為主，其作用主要是加強報警功能，將各分站發(fā)生的緊急事故，第一時間通知值班人員。
以上各站中主站CPU選用三菱A2ASCPU-S1（I/O點數(shù)1024，存儲容量256K），其它各站選用A2ASCPU（I/O點數(shù)512，存儲容量64K），A/D轉(zhuǎn)換模塊選用A1S68AD，D/A轉(zhuǎn)換模塊選用A1S68DAI，在網(wǎng)絡(luò)方面選用了A1SJ71BR11模塊組成的同軸電纜總線方式的MELSECNET/10網(wǎng)。此網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點是當(dāng)一個站由于電源故障或其它故障而脫網(wǎng)時，這個站將被分離，數(shù)據(jù)鏈接繼續(xù)在有效的站間進行，當(dāng)故障消除時，它自動返回在線狀態(tài)，重新開始通信。從江北水廠投產(chǎn)運行至今，除了一次被雷電擊壞了網(wǎng)絡(luò)模塊以外，還沒有因PLC故障導(dǎo)致生產(chǎn)無法正常運行的事件發(fā)生。
由于篇幅有限，這里主要講一下PID控制，水廠涉及PID控制回路主要是濾池站，在PID控制回路中要給出一個水位的設(shè)定值（SV值），通過PID控制單元將過程值（PV值）與設(shè)定值（SV值）對比，并執(zhí)行PID控制算法，送出適合于執(zhí)行機構(gòu)特性的命令值（MV值）。執(zhí)行機構(gòu)是由模擬輸出控制。我廠共有10組濾池，因些組數(shù)設(shè)為10，設(shè)定執(zhí)行周期為K100（1sec），P值為K1000（10），I值為K2000（200 sec），D值為K0。實際應(yīng)用中能滿足控制要求，達到V型濾池恒水位控制的要求，我廠PID控制可以分為自動和手動兩種方式，自動控制即由PLC進行全自動控制，不需要進行人工干預(yù)。手動控制即在上位機上給定一個閥位輸出值（MV值），通過PLC對閥位進行控制，手動方式時內(nèi)部設(shè)定點不與測量值校準。
編程梯形圖軟件用三菱公司的GPPW軟件，在組網(wǎng)設(shè)置方面非常簡便，在程序調(diào)試方面及在線檢測方面已大大優(yōu)越于老版本的GPPA。
在變頻器的使用中，我們接觸過兩款三菱公司的變頻器，F(xiàn)R-A044-2.2K 和FR-E540-0.75K，產(chǎn)品均采用以微處理器核心的數(shù)字控制技術(shù)，在使用過程中都能達到很好的響應(yīng)能力，具有頻率設(shè)定檢測、負荷選擇、電流輸入等，共計100多個參數(shù)選擇。及對變頻器過載、CPU故障、電機再生電壓過大等多種故障進行監(jiān)控。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，該變頻器可及時停止運行，防止事態(tài)惡習(xí)化，并通過參數(shù)單元顯示故障代碼，提高查找故障的效率。相比FR-E540-0.75K調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置方面沒有FR- A044-2.2K方便。使用變頻器后感覺最大的優(yōu)點是：變速區(qū)段全由軟件設(shè)置，具有柔性控制的特點。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2）、控制系統(tǒng)監(jiān)控組態(tài)軟件
江水水廠的人機監(jiān)控系統(tǒng)由位于中控室的兩套FIX6.15組態(tài)軟件及投加室一套組態(tài)王軟件構(gòu)成，組態(tài)軟件與PLC構(gòu)成了上、下位機關(guān)系。通過專用的I/O dirver將二者結(jié)合起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控（SCADA）的任務(wù) 。組態(tài)軟件支持第三方應(yīng)用程序的運行，具有操作簡單、管理方便、安全性、維護性、可移植性、穩(wěn)定性強的特點。我們還利用FIX通過ODBC SQL實現(xiàn)了與調(diào)度室數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，保證了系統(tǒng)的開發(fā)性和可擴展性。FIX提供了報警系統(tǒng)生成、顯示、存儲報警信息等功能，使下位機PLC的事件實時地顯示出來。
4、 結(jié)束語
本系統(tǒng)在江北水廠已穩(wěn)定運行近四年多，運行結(jié)果表明三菱自動化PLC及變頻器與組態(tài)軟件組成的PLC+PC系統(tǒng)能充分滿足對水廠控制系統(tǒng)的要求，對水廠的安全運行、提高供水質(zhì)量、節(jié)能降耗、優(yōu)化管理等方面起到了至關(guān)重要的作用。
