污水泵站控制系统的设计与实现
摘要：讨论了一种针对城市污水泵站控制系统的设计思想和实现方案，包括任务要求之下的硬件和软件设计及通讯等多方面的 内容 。
关键词：可编程控制器 设计 数据 控制 通讯
1 系统概况
镇江市污水截流工程是江苏省苏南环保项目之一，是利用世界银行贷款兴建的市政环保工程，包括：古运河截流系统、内江截流系统、泵站、过江管道、中试氧化塘以及污水排放口等工程，这一系统远期(2010年)所能接纳的污水量为30×104m3/d。其污水外排工程采用多级泵站串联形式，利用地下管道逐级加压提升的 方法 进行排污。
控制系统主要由Intellution FIX人机界面、高速数据通讯 网络 (DH—485和JSPAC)及PLC系统三部分组成。系统组成的概念建立在一个开放式、模块化结构的基础之上，并使系统可以 灵活、方便地实现复杂的编程和组态工作。
系统设中央控制和现场监控两级，即中央控制室和七座泵站(PLC1～7)。中央控制室内装有一台SLC—500系列PLC0系统、模拟屏一面及二台工控机(一用一备)，PLC0实时采集各泵站的现场信号，并在模拟屏及上位 计算 机屏幕上显示出来。
2 系统设计
2.1 系统设计原则
根据控制系统设计规范，其设计原则为：
①模块化。各系统自上而下逐层分解，直至完成所要求的功能，并在设计中尽量减少模块间数据、控制参数的传递，以减少相关性。
②可靠性。采用双机热备用方式。
③实时性。自动地控制泵站各个设备，如阀门和水泵等的正常自动运行，在出现异常时迅速处理并报警。
④可维护性。采用模块化设计以方便维护。
⑤可读性和可扩展性。
2.2 系统设计思想
截流工程采用分级分布式计算机控制系统，对截流工程的工艺过程进行集中管理、分散控制。
①采用分级、分布式结构
系统设中央控制室和泵站现场监控站两级，由中控室统一管理。每座泵站为相对独立的监控站，能实现就地控制的各种功能。系统功能还包括能实现手动控制、就地控制和远程控制 的相互切换，当系统出现故障时，各监控站仍能实现就地控制。
②系统具有高可靠性
中央控制室设置成双机系统，采用双机热备份方式。自动化仪表驱动执行机构均选用可靠设备。
③故障诊断实时性
在一个控制周期内实现对系统内的各种I/O模板的自诊断，发现故障立即进行切换和报警。
④系统扩展灵活，重组容易。
⑤模块化兼容的 应用 软件。
泵站SCADA主站计算机系统采用开放式体系结构，有利于将来系统的升级。中心控制室计算机系统、管理大楼计算机系统、七个现场泵分控站及检测仪表，通过DH—485通讯网(PLC0与PLC1间)和江苏省公用分组交换数据通信网(PLC0与PLC2～PLC7间)构成了一个先 进的管理控制和数据采集系统(SCADA)，实现了对整个镇江市城市污水截流工程的集中管理及分散控制。 控制系统构成如图1所示。
2.3 系统的硬件设计
根据设计任务书统计各数据量，并进行分类，由此来决定所需的模块类型与数量。模拟屏控制机(PLC0)通过DH—485网和分组交换数据通信网(JSPAC)与各分控站通讯，从分控站获得所需数据并向分控站发送命令和信息。PLC0还通过KF3和中控室计算机传递命令和数据，并控制模拟屏。模拟屏显示各现场分站设备的状态和相关数据。
系统中的七个泵站PLC控制系统均由A—B公司提供的基本模块化控制器组成，它包括机架、电源、处理器(CPU)、各种输入/输出(I/O)模块和一个编程用的操作员接口设备。根据现场采集信号与被控信号的类型与数量确定所使用模块的类型与数量。本系统中PLC所用模块为：
①处理器模板(SLC5/03);
②离散型I/O模板(1746—IB16、1746—OW16、1746—OB23模板);
③模拟量I/O模板(1746—NI4、1746—NO4I模板);
④电源模板(1746—P2);
⑤操作员终端(PanelView550,2711—K5A2)。
所以，为一个实际的系统配置PLC硬件时，要根据以下的次序来选择相应的硬件产品：信号采集点数→I/O模板→处理器→电源→框架。
2.4 系统的软件设计
系统采用二级结构，由上位机、下位机和检测仪表组成，需要采集35个模拟量、803个开关量。模拟量包括液位、液位差、流量、压力、pH值等;开关量包括各种设备的运行状态与保护装置的动作状态。系统软件设计分为IPC软件和PLC软件两种。
①IPC以Intellution FIX为开发平台，采用可视化开发技术进行图形界面的过程处理，实时显示图形，用户界面清晰，在上位机和大型模拟屏上显示整个截流工程的工艺参数、工艺流程及设备状态，操作人员可以清晰、直观地监视系统的运行状况。各种操作均以按钮、下拉菜单、列表框来实现，紧急情况下能在IPC和PV550上对各泵站的水泵进行控制。另外，系统还采用了数据完整性保护技术、动态交换技术、文件共享技术等，能从网络上的任何一个节点上直接访问数据库、图片以及其他文件，实现了人机绘画及监控、数据采集、数据管理、数据完整性、开放式结构、 历史 趋势曲线、报表打印等功能，满足了污水截流工程的实际需要。
a.过程数据库是软件的心脏部分，是由过程控制逻辑而形成的一种过程描述，是由块和链组成。一个块(也称点)是一组过程控制指令代码，它执行规定的动作。系统中共创建了模拟输入/输出、数字输入/输出、模拟量寄存器、布尔、设备控制等数据块。在创建并使用数据 库后，可调整链的扫描时间或修改其相位来提高数据库的效率。
b.使用动态数据交换技术，把过程信息传送给其他应用程序，如SPC(过程控制统计)程序等;在画面和过程数据库中插入来自其他应用程序的数据和另一个SCADA节点的信息，将该数 据放入链中并且进行报警和趋势处理;在Excel中快速地建立标准的报表，并能根据实时数据进行更新。从Excel工作薄中获取数据时使用下列语法：=EXCEL1[FILE.XLS]SHEET1!R1C1。同时，在Excel工作表中增加链接。链接用于工作表中显示数据，并能显示历史文件、报 表标题或文本中的静态数据和连续变化的数据，如实时数据、当前数据和时间。
c.对所有不能存储在数据库中而又要用这些数据进行趋势显示的数据，如水泵运行时间、质量测试等，在Excel文件中创建了实验数据文件，每行代表一行实验数据，这样就可以在同一个趋势图中显示历史数据和实验数据。另外，从关系数据库中提取所需的时间是可以调整的，这取决于信息量和数据库的大小，采用把关系数据库存储在簇中并创建簇索引的方法，来提高数据提取的速度，达到优化数据提取的目的。
d.为了防止非授予权写入数据库块，确保数据的完整性，在定义数据块时，定义了安全区域。一旦数据库节点有了安全保护，操作员必须首先进入注册程序，并且输入相应的名字和口令字。登录后，操作员才可以使用被授权的功能。
②PLC梯形图软件是以RSLogix500为开发平台，软件的使用可另外配置编程终端，也可以在上位机上进行，通过KF3将微机中所编写的梯形图程序下载到PLC0的内存中，也可将PLC 0内存中的梯形图程序上载并存储在上位机上。
下位机控制主程序包含初始化、遥控、自控等8个子程序(其中泵站自控子程序流程如图2)，其特点是集数据采集、通讯、遥控、自控于一体。菜单功能齐全，可完成各种参数的自动巡回检测，进行数据整理、运算、存储、输出报警信号，与上位机通过X.28分组交换构成广域通信网，实现远程通讯和控制。具体功能如下：
a.采集泵站压力、水位、水位差、流量、pH值等八个模拟量。
b.采集水泵运行、故障、电动闸阀全开、全关、运行、故障，启闭机全开、全关、运行、故障，格栅运行、故障等126～320个开关量(各泵站不等)。
c.与中控室保持联络，实时传送数据。
d.解释、执行中控室的遥控指令。
e.自动控制水泵的运行，并保证泵与阀的联动。
f.自动对故障源定位并报警。
g.与中控室自动校对。
2.5 系统通讯
由于PLC1(江滨泵站)与PLC0站之间距离较近，故直接利用SLC500的CPU模板固有的DH— 485通讯口，通过专用通讯电缆简单地组成DH—485 网络 。采用这种通讯方式，不仅有效地提高了通讯效率和可靠性，而且大大地降低了系统的运行费用。
PLC0与各泵站PLC2～7之间采用江苏省公用分组交换数据网络(JSPAC)，通过MODEM 进行远程通讯。
分组交换技术是面向连接的数据通信技术，它具有差错控制功能，保证高质量的传输，网内全程误码率<1×10-10，通信资源(信道、端口)利用率高，允许不同类型、不同速率、不同编码方式、不同传输规程的终端和 计算 机之间进行通信，分组多路通信可实现一点对多点同时通信，可建立发送数据优先权，便于分散设点的用户共享资源，信息传输安全、可靠、保密性高，能与公用电话网、低速数据网及其他专用网互连，通信费用低等优点。分组交换网是面向连接的数据通信网，联入分组交换网的计算机可以和网上的其他计算机系统或终端建立联系，互相传递数据、交换信息、共享资源。能进行快速可靠的数据通信是选 择这一网络进行远程通信的原因。
如何利用JSPAC的X.28业务实现PLC之间的通信，这是本系统技术难点之一。X.28建议定义了ASCII终端与PAD(PAD为分组拆装设备)之间的命令语言和命令状态以及数据传送状态 的工作条件。当用户与PAD通信时为命令状态，通过访问PAD可以完成对参数的修改，或向JSPAC发送各种命令。当用户终端与JSPAC上的主机进行通信，即进行数据通信时，为数据传送状态，此时的网络对用户来说是透明的。通过X.28建议可以完成ASCII终端与JSPAC上主机间的通信，具体通信如图3所示。
由于该系统除各泵站采用可编程序控制器进行实时监控外，还通过X.28分组交换构成广域通信网，调试人员在电信部门的协助下，经过多次反复，使系统顺利实现了远程通讯。
JSPAC通信系统采用主—从结构，中控室里的PLC0为主站，泵站(PLC1～7)为从站，采用Polling通讯方式，信息传送采用全双工方式。中控室中的工控机通过KF3与PLC0进行通讯，PLC0与PLC1间通过内备DH—485通讯口进行通讯，PLC0与其他各分站均选用相同型号(Codesx3265v.34)的调制解调器(modem)，传输速率为9600bps，传输系统误码率<1×10-6。
主站与从站之间的通讯 问题 是整个计算机系统能不能协调运行的关键问题。在实际运行中，上位机与下位机之间有两种通讯方式。
①上位机主动
其中又有两种方式：一是上位机对下位机进行写命令操作;二是上位机主动读取。在机组启动时，下位机监测启动过程，对大量的启动数据进行处理。发送中断，告知上位机启动的机组号，上位机接到信号后读取启动数据，绘制启动曲线。正常运行后，上位机间隔10min读取下位机中的数据。
②上位机被动
当有事故或故障发生时，下位机发送事故或故障代号，上位机根据下位机的通讯协议进行特殊的处理。
中控室通讯功能：双串行口，可与有线信道、网络、模拟屏及泵站SLC500可编程序控制器进行通讯。
3 系统接地问题的考虑
由于系统所控制的设备功率较大，以及环境条件比较复杂，强大的电场和磁场干扰不容忽视。为了使系统能够可靠地运行，采用了“半浮地”技术，即外壳接地，系统通过一只2～4μF的电容接至安全的接地点。
4 结论
污水泵站控制系统采用了国际上最流行的、可靠的多任务监控软件Intellution FIX和RSLog ix500高级编程软件，以实现建立稳定、可靠、实时的泵站监控和管理系统。通过几年来的运行表明，该系统的设计是成功的，它实现了对整个污水截流系统的控制操作、数据采集和信息的实时性、准确性、完整性和统一性。
参考 文献 ：
[1]计算机控制技术[M].杭州：浙江大学出版社，1997.
[2]集散型控制系统的设计与 应用 [M].北京：清华大学出版社，1993.
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