污水泵站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、污水泵站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)喻一萍鎮(zhèn)江市給排水管理處摘 要： 討論了一種針對(duì)城市污水泵站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方案，包括任務(wù)要求之下的硬件和軟件設(shè)計(jì)及通訊等多方面的內(nèi)容。關(guān)鍵詞： 可編程控制器 設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù) 控制 通訊中圖分類號(hào)：tu992.25文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：c文章編號(hào)：1000-4602(2001)07-0042-04 1系統(tǒng)概況鎮(zhèn)江市污水截流工程是江蘇省蘇南環(huán)保項(xiàng)目之一，是利用世界銀行貸款興建的市政環(huán)保工程，包括：古運(yùn)河截流系統(tǒng)、內(nèi)江截流系統(tǒng)、泵站、過江管道、中試氧化塘以及污水排放口等工程，這一系統(tǒng)遠(yuǎn)期(2010年)所能接納的污水量為30104m3/d。其污水外排工程采用多級(jí)泵站串聯(lián)形式，利

2、用地下管道逐級(jí)加壓提升的方法進(jìn)行排污?？刂葡到y(tǒng)主要由intellution fix人機(jī)界面、高速數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)(dh485和jspac)及plc系統(tǒng)三部分組成。系統(tǒng)組成的概念建立在一個(gè)開放式、模塊化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，并使系統(tǒng)可以 靈活、方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的編程和組態(tài)工作。系統(tǒng)設(shè)中央控制和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控兩級(jí)，即中央控制室和七座泵站(plc17)。中央控制室內(nèi)裝有一臺(tái)slc500系列plc0系統(tǒng)、模擬屏一面及二臺(tái)工控機(jī)(一用一備)，plc0實(shí)時(shí)采集各泵站的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，并在模擬屏及上位計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來。 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，其設(shè)計(jì)原則為：模塊化。各系統(tǒng)自上而下逐層分解，直至完成

3、所要求的功能，并在設(shè)計(jì)中盡量減少模塊間數(shù)據(jù)、控制參數(shù)的傳遞，以減少相關(guān)性?？煽啃浴２捎秒p機(jī)熱備用方式。實(shí)時(shí)性。自動(dòng)地控制泵站各個(gè)設(shè)備，如閥門和水泵等的正常自動(dòng)運(yùn)行，在出現(xiàn)異常時(shí)迅速處理并報(bào)警?？删S護(hù)性。采用模塊化設(shè)計(jì)以方便維護(hù)?？勺x性和可擴(kuò)展性。2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想截流工程采用分級(jí)分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，對(duì)截流工程的工藝過程進(jìn)行集中管理、分散控制。采用分級(jí)、分布式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)中央控制室和泵站現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站兩級(jí)，由中控室統(tǒng)一管理。每座泵站為相對(duì)獨(dú)立的監(jiān)控站，能實(shí)現(xiàn)就地控制的各種功能。系統(tǒng)功能還包括能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制、就地控制和遠(yuǎn)程控制 的相互切換，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，各監(jiān)控站仍能實(shí)現(xiàn)就地控制。系統(tǒng)具有高可靠性

4、中央控制室設(shè)置成雙機(jī)系統(tǒng)，采用雙機(jī)熱備份方式。自動(dòng)化儀表驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)均選用可靠設(shè)備。故障診斷實(shí)時(shí)性在一個(gè)控制周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的各種i/o模板的自診斷，發(fā)現(xiàn)故障立即進(jìn)行切換和報(bào)警。系統(tǒng)擴(kuò)展靈活，重組容易。模塊化兼容的應(yīng)用軟件。泵站scada主站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用開放式體系結(jié)構(gòu)，有利于將來系統(tǒng)的升級(jí)。中心控制室計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、管理大樓計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、七個(gè)現(xiàn)場(chǎng)泵分控站及檢測(cè)儀表，通過dh485通訊網(wǎng)(plc0與plc1間)和江蘇省公用分組交換數(shù)據(jù)通信網(wǎng)(plc0與plc2plc7間)構(gòu)成了一個(gè)先 進(jìn)的管理控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(scada)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)鎮(zhèn)江市城市污水截流工程的集中管理及分散控制。 控制系統(tǒng)構(gòu)成如

5、圖1所示。 2.3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書統(tǒng)計(jì)各數(shù)據(jù)量，并進(jìn)行分類，由此來決定所需的模塊類型與數(shù)量。模擬屏控制機(jī)(plc0)通過dh485網(wǎng)和分組交換數(shù)據(jù)通信網(wǎng)(jspac)與各分控站通訊，從分控站獲得所需數(shù)據(jù)并向分控站發(fā)送命令和信息。plc0還通過kf3和中控室計(jì)算機(jī)傳遞命令和數(shù)據(jù)，并控制模擬屏。模擬屏顯示各現(xiàn)場(chǎng)分站設(shè)備的狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中的七個(gè)泵站plc控制系統(tǒng)均由ab公司提供的基本模塊化控制器組成，它包括機(jī)架、電源、處理器(cpu)、各種輸入/輸出(i/o)模塊和一個(gè)編程用的操作員接口設(shè)備。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)與被控信號(hào)的類型與數(shù)量確定所使用模塊的類型與數(shù)量。本系統(tǒng)中plc所用模塊

6、為：處理器模板(slc5/03)；離散型i/o模板(1746ib16、1746ow16、1746ob23模板)；模擬量i/o模板(1746ni4、1746no4i模板)；電源模板(1746p2)；操作員終端(panelview550,2711k5a2)。所以，為一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)配置plc硬件時(shí)，要根據(jù)以下的次序來選擇相應(yīng)的硬件產(chǎn)品：信號(hào)采集點(diǎn)數(shù)i/o模板處理器電源框架。2.4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用二級(jí)結(jié)構(gòu)，由上位機(jī)、下位機(jī)和檢測(cè)儀表組成，需要采集35個(gè)模擬量、803個(gè)開關(guān)量。模擬量包括液位、液位差、流量、壓力、ph值等；開關(guān)量包括各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與保護(hù)裝置的動(dòng)作狀態(tài)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為ipc軟

7、件和plc軟件兩種。ipc以intellution fix為開發(fā)平臺(tái)，采用可視化開發(fā)技術(shù)進(jìn)行圖形界面的過程處理，實(shí)時(shí)顯示圖形，用戶界面清晰，在上位機(jī)和大型模擬屏上顯示整個(gè)截流工程的工藝參數(shù)、工藝流程及設(shè)備狀態(tài)，操作人員可以清晰、直觀地監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。各種操作均以按鈕、下拉菜單、列表框來實(shí)現(xiàn)，緊急情況下能在ipc和pv550上對(duì)各泵站的水泵進(jìn)行控制。另外，系統(tǒng)還采用了數(shù)據(jù)完整性保護(hù)技術(shù)、動(dòng)態(tài)交換技術(shù)、文件共享技術(shù)等，能從網(wǎng)絡(luò)上的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)上直接訪問數(shù)據(jù)庫(kù)、圖片以及其他文件，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)繪畫及監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)完整性、開放式結(jié)構(gòu)、歷史趨勢(shì)曲線、報(bào)表打印等功能，滿足了污水截流工程的實(shí)

8、際需要。a.過程數(shù)據(jù)庫(kù)是軟件的心臟部分，是由過程控制邏輯而形成的一種過程描述，是由塊和鏈組成。一個(gè)塊(也稱點(diǎn))是一組過程控制指令代碼，它執(zhí)行規(guī)定的動(dòng)作。系統(tǒng)中共創(chuàng)建了模擬輸入/輸出、數(shù)字輸入/輸出、模擬量寄存器、布爾、設(shè)備控制等數(shù)據(jù)塊。在創(chuàng)建并使用數(shù)據(jù) 庫(kù)后，可調(diào)整鏈的掃描時(shí)間或修改其相位來提高數(shù)據(jù)庫(kù)的效率。b.使用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)，把過程信息傳送給其他應(yīng)用程序，如spc(過程控制統(tǒng)計(jì))程序等；在畫面和過程數(shù)據(jù)庫(kù)中插入來自其他應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)和另一個(gè)scada節(jié)點(diǎn)的信息，將該數(shù) 據(jù)放入鏈中并且進(jìn)行報(bào)警和趨勢(shì)處理；在excel中快速地建立標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)表，并能根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。從excel工作薄中獲

9、取數(shù)據(jù)時(shí)使用下列語(yǔ)法：=excel1file.xlssheet1!r1c1。同時(shí)，在excel工作表中增加鏈接。鏈接用于工作表中顯示數(shù)據(jù)，并能顯示歷史文件、報(bào) 表標(biāo)題或文本中的靜態(tài)數(shù)據(jù)和連續(xù)變化的數(shù)據(jù)，如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、當(dāng)前數(shù)據(jù)和時(shí)間。c.對(duì)所有不能存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中而又要用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)顯示的數(shù)據(jù)，如水泵運(yùn)行時(shí)間、質(zhì)量測(cè)試等，在excel文件中創(chuàng)建了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)文件，每行代表一行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這樣就可以在同一個(gè)趨勢(shì)圖中顯示歷史數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。另外，從關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中提取所需的時(shí)間是可以調(diào)整的，這取決于信息量和數(shù)據(jù)庫(kù)的大小，采用把關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)在簇中并創(chuàng)建簇索引的方法，來提高數(shù)據(jù)提取的速度，達(dá)到優(yōu)化數(shù)據(jù)提取的目的

10、。d.為了防止非授予權(quán)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)塊，確保數(shù)據(jù)的完整性，在定義數(shù)據(jù)塊時(shí)，定義了安全區(qū)域。一旦數(shù)據(jù)庫(kù)節(jié)點(diǎn)有了安全保護(hù)，操作員必須首先進(jìn)入注冊(cè)程序，并且輸入相應(yīng)的名字和口令字。登錄后，操作員才可以使用被授權(quán)的功能。plc梯形圖軟件是以rslogix500為開發(fā)平臺(tái)，軟件的使用可另外配置編程終端，也可以在上位機(jī)上進(jìn)行，通過kf3將微機(jī)中所編寫的梯形圖程序下載到plc0的內(nèi)存中，也可將plc 0內(nèi)存中的梯形圖程序上載并存儲(chǔ)在上位機(jī)上。下位機(jī)控制主程序包含初始化、遙控、自控等8個(gè)子程序(其中泵站自控子程序流程如圖2)，其特點(diǎn)是集數(shù)據(jù)采集、通訊、遙控、自控于一體。菜單功能齊全，可完成各種參數(shù)的自動(dòng)巡回檢測(cè)，

11、進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、運(yùn)算、存儲(chǔ)、輸出報(bào)警信號(hào)，與上位機(jī)通過x.28分組交換構(gòu)成廣域通信網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊和控制。具體功能如下：a.采集泵站壓力、水位、水位差、流量、ph值等八個(gè)模擬量。b.采集水泵運(yùn)行、故障、電動(dòng)閘閥全開、全關(guān)、運(yùn)行、故障，啟閉機(jī)全開、全關(guān)、運(yùn)行、故障，格柵運(yùn)行、故障等126320個(gè)開關(guān)量(各泵站不等)。c.與中控室保持聯(lián)絡(luò)，實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)。d.解釋、執(zhí)行中控室的遙控指令。e.自動(dòng)控制水泵的運(yùn)行，并保證泵與閥的聯(lián)動(dòng)。f.自動(dòng)對(duì)故障源定位并報(bào)警。g.與中控室自動(dòng)校對(duì)。 2.5 系統(tǒng)通訊由于plc1(江濱泵站)與plc0站之間距離較近，故直接利用slc500的cpu模板固有的dh 485通訊

12、口，通過專用通訊電纜簡(jiǎn)單地組成dh485網(wǎng)絡(luò)。采用這種通訊方式，不僅有效地提高了通訊效率和可靠性，而且大大地降低了系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。plc0與各泵站plc27之間采用江蘇省公用分組交換數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(jspac)，通過modem 進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊。分組交換技術(shù)是面向連接的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，它具有差錯(cuò)控制功能，保證高質(zhì)量的傳輸，網(wǎng)內(nèi)全程誤碼率110-10，通信資源(信道、端口)利用率高，允許不同類型、不同速率、不同編碼方式、不同傳輸規(guī)程的終端和計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通信，分組多路通信可實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)同時(shí)通信，可建立發(fā)送數(shù)據(jù)優(yōu)先權(quán)，便于分散設(shè)點(diǎn)的用戶共享資源，信息傳輸安全、可靠、保密性高，能與公用電話網(wǎng)、低速數(shù)據(jù)網(wǎng)及其他

13、專用網(wǎng)互連，通信費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。分組交換網(wǎng)是面向連接的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，聯(lián)入分組交換網(wǎng)的計(jì)算機(jī)可以和網(wǎng)上的其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或終端建立聯(lián)系，互相傳遞數(shù)據(jù)、交換信息、共享資源。能進(jìn)行快速可靠的數(shù)據(jù)通信是選 擇這一網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的原因。如何利用jspac的x.28業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)plc之間的通信，這是本系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)之一。x.28建議定義了ascii終端與pad(pad為分組拆裝設(shè)備)之間的命令語(yǔ)言和命令狀態(tài)以及數(shù)據(jù)傳送狀態(tài) 的工作條件。當(dāng)用戶與pad通信時(shí)為命令狀態(tài)，通過訪問pad可以完成對(duì)參數(shù)的修改，或向jspac發(fā)送各種命令。當(dāng)用戶終端與jspac上的主機(jī)進(jìn)行通信，即進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，為數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)，此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)對(duì)

14、用戶來說是透明的。通過x.28建議可以完成ascii終端與jspac上主機(jī)間的通信，具體通信如圖3所示。由于該系統(tǒng)除各泵站采用可編程序控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控外，還通過x.28分組交換構(gòu)成廣域通信網(wǎng)，調(diào)試人員在電信部門的協(xié)助下，經(jīng)過多次反復(fù)，使系統(tǒng)順利實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程通訊。jspac通信系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)，中控室里的plc0為主站，泵站(plc17)為從站，采用polling通訊方式，信息傳送采用全雙工方式。中控室中的工控機(jī)通過kf3與plc0進(jìn)行通訊，plc0與plc1間通過內(nèi)備dh485通訊口進(jìn)行通訊，plc0與其他各分站均選用相同型號(hào)(codesx3265v.34)的調(diào)制解調(diào)器(modem)，傳輸速率

15、為9600bps，傳輸系統(tǒng)誤碼率110-6。主站與從站之間的通訊問題是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能不能協(xié)調(diào)運(yùn)行的關(guān)鍵問題。在實(shí)際運(yùn)行中，上位機(jī)與下位機(jī)之間有兩種通訊方式。上位機(jī)主動(dòng)其中又有兩種方式：一是上位機(jī)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行寫命令操作；二是上位機(jī)主動(dòng)讀取。在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，下位機(jī)監(jiān)測(cè)啟動(dòng)過程，對(duì)大量的啟動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。發(fā)送中斷，告知上位機(jī)啟動(dòng)的機(jī)組號(hào)，上位機(jī)接到信號(hào)后讀取啟動(dòng)數(shù)據(jù)，繪制啟動(dòng)曲線。正常運(yùn)行后，上位機(jī)間隔10min讀取下位機(jī)中的數(shù)據(jù)。上位機(jī)被動(dòng)當(dāng)有事故或故障發(fā)生時(shí)，下位機(jī)發(fā)送事故或故障代號(hào)，上位機(jī)根據(jù)下位機(jī)的通訊協(xié)議進(jìn)行特殊的處理。中控室通訊功能：雙串行口，可與有線信道、網(wǎng)絡(luò)、模擬屏及泵站slc500可編程序控制器進(jìn)行通訊。 3系統(tǒng)接地問題的考慮 由于系統(tǒng)所控制的設(shè)備功率較大，以及環(huán)境條件比較復(fù)雜，強(qiáng)大的電場(chǎng)和磁場(chǎng)干擾不容忽視。為了使系統(tǒng)能夠可靠地運(yùn)行，采用了“半浮地”技術(shù)，即外殼接地，系統(tǒng)通