集散型控制技术在供水工程上的应用
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摘要：本文以工程实例介绍了集散型控制系统在工业生产中的应用。详细阐述了系统设计思路和一些技术难点的解决方法。
关键词：组态软件；工控机；PLC；变频器；通讯
中图分类号：TV674 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）18-0066-02
0 引言
随着计算机技术的飞速发展，集散型控制系统在工业生产中得到了广泛的应用。所谓集散型控制，就是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种控制技术。它具有通用性强、组态灵活、控制功能完善、人机界面友好、数据处理功能强大、运行安全可靠等诸多特点。同时，随着大功率半导体技术和微电子技术的快速发展，变频器的性价比逐步提高，在各行业也得到了日益广泛的应用。
我公司变频供水系统综合应用了工控组态、变频驱动、可编程序控制器、远程数据通讯等先进技术，构成了一个典型的集散型控制系统。从实际运行情况看，该系统大幅度提高了公司供水的自动化水平，提高了供水可靠性，降低了电能消耗，取得了可观的经济效益和社会效益。
1 系统设计要求
公司供水系统包括大口井至水厂取水，水厂至十一区供水，水厂至一区取水，一区至二、三区供水和一区至八、九区供水等五个子系统。设计之初，我们就明确提出了如下要求，以指导接下来的设计工作。
①往十一区，二、三区，八、九区供水应用变频技术，实现恒压变频供水；
②对大口井水泵应用软启动技术；
③水厂泵房、大口井泵房、一区泵房设现场控制单元，完成数据采集、控制、通讯工作；
④值班室设工控机一台，对整个系统进行监控和管理；
⑤系统软、硬件设计首先考虑可靠性要求。
2 设备选型
工控机选用研华工控机IPC-610P（PⅢ866/128M/40G+MOXA多串口卡），安装Windows98或Windows2000操作系统；选用昆仑256点通用版工控组态软件作为系统软件；变频器选用三垦力达电气有限公司的SPF系列高性能多功能静音式变频器；软启动器选用罗克韦尔公司的产品，过载能力强、性能极好；可编程序控制器及模拟量采集模块选用西门子的S7-200系列产品，即CPU226和EM231，该系列产品功能齐全，性价比高，是中、小型系统的首选；指令元件选用施耐德的产品，热继电器选用西门子的产品，其它低压电器则选用国产名牌德力西的产品。
3 系统原理
如图1所示，工控机作为上位机置于水厂值班室内，运行经过二次开发的组态软件，完成对整个系统的监控和管理工作：远程控制各泵房水泵启停；在显示器上显示各泵房采集的数据量（电机电流、电源电压、供水压力及频率、水位等）；根据各泵房采集的数据量进行判断和控制；动态显示各水泵的工作状态、记录故障详情并作报警提示；与各泵房的PLC进行数据通讯。可编程序控制器PLC作为现场控制单元，由CPU模块、I/O模块及模拟量模块组成，完成如下工作：按设定的方式控制水泵运行；采集各数据量并对数据进行分析后作出相应控制；将采集到的模拟量和开关量远传至工控机。
电机电流、电源电压、水位等模拟量经过电量隔离变送器或液位变送器转换为0-5V或4-20mA的标准信号送至模拟量模块EM231进行采集，而供水压力和变频器输出频率则直接由变频器的模拟量输出端子送至模拟量模块EM231进行采集。
4 变频供水原理
如图2所示，该系统采用恒压变频供水技术，其基本原理就是由压力传感器、变频器和水泵构成一闭环控制系统。变频器根据设定压力和压力传感器检测到的即时管网压力进行PI运算，得出一个频率值，驱动水泵电机以该频率运行，这样，系统就能根据用水量的变化改变电机运行频率（即改变电机转速），从而保证管网压力处于恒定状态。
5 通讯的实现
随着计算机在工业控制领域的广泛应用，计算机和计算机之间、计算机和现场控制单元（包括PLC、变频器、现场仪表、智能采集模块等）之间以及现场控制单元相互之间的通讯要求越来越强烈，也正是这种强烈要求促进了通讯技术的快速发展。工业控制领域内还是以串行通讯为主，从最初的RS232到现在的各种现场总线，我们可以选择更多的通讯方式，然而，各大公司的工控产品所支持的通讯方式之间兼容性并不是很好，给我们的选择造成了困难。
经过仔细考虑和实际测试，我们最终确定了合适的通讯方式。工控机本身带有两个RS232通讯接口，为了满足和三处泵房的通讯需求，我们扩充了一块MOXA多串口卡；可编程序控制器CPU226本身带有两个RS485通讯接口。工控机和水厂泵房距离近，就采用RS485进行通讯，通讯物理介质为屏蔽双绞线（RVVP-2×0.75），此种通讯方式传输距离约为数百米，传输速率较快。工控机和一区泵房相距约1千米、工控机和大口井泵房相距约1.5千米，它们之间已有电话电缆（20对）相连。为了节约成本，我们优先考虑利用已有的电话电缆线作为通讯物理介质。首先我们想用RS485进行通讯，并在线路两端加了远程通讯驱动模块，但是由于线路长、通讯介质不合适、电磁干扰大，最后失败了。后经多方查找资料，决定采用调制解调器进行远程通讯。利用调制解调器通过公共电话网进行远程数据通讯，理论上是可行的，并且其通讯距离可以通过增加中继而无限延伸。通俗的讲，只要两个地方能通电话，那么就能通过这种方式实现通讯连接，其缺点就是传输速率慢。如图3所示，工控机和一区泵房内的PLC利用Modem及C区交换机进行通讯，工控机和大口井泵房内的PLC利用Modem及一部小交换机（2/8线）进行通讯，该小交换机还顺带解决了值班室、水厂泵房、大口井泵房之间的电话联络问题。从实际运行情况看，效果挺好，通讯速率也能满足要求，这样就解决了该工程的一个难题。
6 结束语
这次变频供水系统设计采用了集散型控制技术，取得了满意的效果。其实在其它领域，比如输配电，也可以采用集散型控制技术以大幅提高自动化水平和管理水平。从技术角度讲，集散型控制系统仅仅是针对工业生产过程的较底层的控制系统。目前，各大公司纷纷推出了基于计算机网络的工厂级信息管理系统，其特点就是将参与生产的各要素作为信息在局域网上互联共享，以方便管理者进行管理和决策。我们这次尝试也算是为工厂信息化发展作一个铺垫。
参考文献：
[1]S7-200产品目录.
[2]S7-200可编程序控制器系统手册.
[3]廖常初.PLC编程及应用.机械工业出版社.
[4]殷立华.可编程序控制器及工业控制网络.西安地图出版社.