常山县城乡供水一体化一期工程自动控制系统研究

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【摘 要】本文结合笔者多年工作的经验，以常山县城乡供水一体化一期工程自动控制系统为研究对象，就其设计进行了深入的研究，谨供大家作参考之用。

【关键词】自动控制系统；站点设置；选型设计；系统特点

1 前言

常山县城乡供水一体化一期工程自动控制系统按分散控制，集中管理的原则设置，全厂设一处中央控制室，管理全厂生产过程，各工艺单体设置基于PLC的控制设备，处理局部的数据采集和控制任务。

自动化系统采用由可编程控制器（PLC）与工业控制计算机构成分散集中控制系统，该系统集控制、数据采集功能为一体，完成整个净水厂的过程控制、工艺流程显示、设备运行状态的监测及故障报警。

自动化系统建成完整的厂区光纤冗余以太环网，实现各单体的自动化控制，并有与管理调度系统接口。PLC控制器通过采集现场仪表的生产实时数据和控制设备的状态信息，根据现场工艺的要求，实现净水处理的过程控制、顺序控制、连锁控制、设备的开机、停机等各种操作，完成净水处理的自动控制。现场控制站的PLC控制器通过工业以太网与上位机交换数据，接收上位机的控制命令，实现远程控制。

2 设计说明

按照控制对象的功能、设备所在地理位置划分，在反冲洗泵房、加药间、脱水机房分别设置PLC控制站，各PLC控制站与中央控制室之间以光缆环网相互连接，在水厂每个滤格各设一个PLC控制子站，通过现场总线与反冲洗泵房PLC通讯。

在管网沿线测压点、各闸门处，采用可靠廉价GPRS移动通讯技术采集与传输数据，实现集中控制和管理，实现全厂运行自动化。

根据所有被监控设备的运行状态以及全厂各关键节点的工艺参数，建立全厂实时运行数据库和历史资料数据库，用于运行优化和设备维护指导。

同时中央控制室预留与水厂MIS系统连接的接口以便使生产过程与办公自动化系统互连，共享数据。

3 系统总体设计

3.1 站点的设置

常山县城乡供水工程共设置3座PLC控制站及4座滤池PLC子站、7个源水管网沿线闸门及测压点PLC子站、4个城区管网测压点PLC子站。

3.2 控制方式设计

主要的工艺设备设中央控制、就地控制、现场控制三层控制模式。中央控制由水厂中央控制室完成，具有最低的控制优先级；就地控制由各个PLC控制站完成；现场控制则在设备或仪表的现场控制箱、按钮箱、变送器等上操作完成，具有最高的控制优先级。

中央控制层设有“自动/手动”的两种控制方式，其中手动控制由操作人员在中央控制室内的工作站上进行设定和控制。

就地控制设有“远动/自动”的两种控制方式，其中远动方式是由中央控制室远程控制，自动方式是由就地的PLC控制站实行自动控制，

现场控制层设有“远动/本地”的两种控制方式，其中远动方式是由该设备或仪表所联接的PLC控制站远程控制，本地方式是由操作人员在现场的控制箱、按钮箱或变送器上进行手动操作和设定。

当中央控制室监控设备或通信发生故障时，就地控制级可降级行使对所在单体的控制功能，维持污水厂的正常生产。

当现场PLC站发生故障时，现场设备可通过“远动/本地”选择开关切换实现手动操作。

当PLC数据通讯网络出现故障时，现场PLC控制站根据最后接收到的数据仍可继续工作。

3.3 人机界面的设置

在滤池子站设计采用触摸屏人机界面终端。触摸屏采用和PLC同一进口品牌，为西门子品牌，且采用TFT真彩产品。保证系统的统一性和很好的兼容性。

3.4 控制网络的设计

基于整个网络系统的整体构架，控制网络设计采用二层网络结构：即控制层和现场总线层。二层网络基于完全开放的、成熟的、先进的技术。

二层网络设计一致的应用层，信息的共享、访问避免任何特殊的编程和特殊的网关设备。网络保持功能的集成。在任何一级网络上，都能够在同一介质上实现系统透明浏览、编程组态、实时控制、数据采集和系统诊断。网络上一般性的信息访问不影响系统实时控制性能。

3.5 阀门控制子站设计

每个阀门及测压点配1个控制箱，箱内按控制5台电动阀门的电器配备制作，箱面安装压力显示仪表；

箱内PLC用西门子300双通讯口产品，箱内预留阀门井排污泵三相插座及维护单相插座、凝露检测除霜加热装置；

配置三相电源防雷器及压力信号防雷器；

每个阀门及测压点与水厂中控室的通讯方式为：GPRS与VPN互备方式。

3.6 测压点设计

每个测压点配1个控制箱，箱面安装压力显示仪表；

箱内PLC用西门子200产品，箱内预留维护单相插座、凝露检测除霜加热装置；

箱内配置单相电源防雷器及压力信号防雷器；

每个测压点与水厂中控室的通讯方式为：GPRS与电信光纤互备方式。

4 PLC系统选型设计

4.1 PLC控制器的具体选型

本方案推荐SIEMENS公司的S7系列PLC（S7-400S7系列的大型PLC系统与S7-300S7系列的中型PLC系统）组成。

I/O点数预留有20%余量，PLC机架必须20%的槽位余量。

主站CPU选择西门子S7412-2DP，包括CPU在内的所有I/O模块及通讯模块均具有带电插拔功能。

远程控制子站及原水闸门控制站采用西门子CPU314C-2DP产品。

城区管网监控站采用西门子S7-200产品。

4.2 S7-400系列PLC系统特点：

S7-400自动化系统采用模块化设计。它所具有的模板的扩展和配置功能使其能够按照每个不同的需求灵活组合。

功能强大的PLC，适用于中高性能控制领域；解决方案满足最复杂的任务要求；功能分级的CPU以及种类齐全的模板，总能为其自动化任务找到最佳的解决方案；实现分布式系统和扩展通讯能力都很简便，组成系统灵活自如；用户友好性强，操作简单，免风扇设计；随着应用的扩大，系统扩展无任何问题

扩展：最多有21个扩展单元(EU)都可以连接到中央控制器(CC)；通过接口模板连接(IM)；集中式扩展；用EU进行分布式扩展；用ET200进行远程扩展。

功能：高速指令处理；用户友好的参数设置；口令保护；系统功能；用户友好的操作员控制和监视功能（HMI）已集成在SIMATIC的操作系统中；CPU的诊断功能和自测试智能诊断系统连续地监视系统功能并记录错误和系统的特殊事件；模式选择开关。

通讯：SIMATICS7-400作为DP主站，可通过集成在SIMATICS7-400CPU上的PROFIBUS-DP接口（选件）。

通过多点接口（MPI）的数据通讯：多点接口（MPI）通讯接口集成在SIMATICS7-400的CPU中，它的用途很广泛：编程和参数设置；控制与监视以及；灵活的配置选择；作为DP主站；在同等通讯伙伴间建立简单的网络结构；多种连接能力：MPI支持最多32个站点的同时连接；通讯连接，S7-400CPU可同时建立最多64个站的连接；最多32个MPI节点，数据传输率最大为12Mbit/s。

4.3 S7-300系列PLC系统特点：

集成接口：直接集成在CPU内的接口，可使用现有的总线技术来建立一个高性能的通信环境。

多接点接口MPI：对于和PG/PC，HMI系统及其它的SIMATICS7/C7/WinAC自动化系统进行通信而言，通信是一种经济而又实惠的解决方案。最多可连接125个MPI节点，通信速率为187.5Kbit/s:

在不同的控制器之间传输过程数据；用这种方法，例如，一个CPU可以存取第三方控制器的输入/输出。

PROFIBUSDP：能将SIMATICS7-300连接到开放式型现场总线PROFIBUSDP(根据EN50170)，因此可建立起较大型的分布式结构系统。这可扩大通信的范围，从SIMATIC控制器到来自第三方制造商的现场设备均可进行通讯。和已有的SIMATICS5或SIMATIC505系统的通信更是不成问题。

4.4 使用STEP7软件对分布式I/O模块进行组态和对集中式I/O模块进行组态，所使用的方法是相同的，因此能节省工程时间和费用。

以这种方法，S7-300可作为主站或从站。