石家莊東方龍水業(yè)科技有限公司 李鎖軍 高鹍

摘要：石家莊地表水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)全部采用羅克韋爾自動(dòng)化的ControlLogix和CompactLogix系列PLC，廠區(qū)的通訊采用ControlNet冗余網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程通訊采用無(wú)線方式。在送水泵房實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速恒壓供水，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了ControlLogix系統(tǒng)與使用Modbus協(xié)議的第三方產(chǎn)品之間的數(shù)據(jù)通訊。

關(guān)鍵詞：PLC Modbus 變頻調(diào)速 通訊 兼容性

1 引 言

　　石家莊市供水總公司地表水廠是1996年建成投產(chǎn)的自動(dòng)化程度很高的地表水廠。水廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力日產(chǎn)水30萬(wàn)噸。原 PLC自控系統(tǒng)已運(yùn)行10年，現(xiàn)已非主流產(chǎn)品，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自身的升級(jí)換代和擴(kuò)展，而且備件貨源逐步枯竭。隨著設(shè)備存續(xù)周期的臨近，不排除出現(xiàn)大面積故障的可能，進(jìn)而直接導(dǎo)致控制系統(tǒng)的局部或整體癱瘓。在這種嚴(yán)峻形勢(shì)下，對(duì)PLC自控系統(tǒng)進(jìn)行改造勢(shì)在必行。

　　地表水廠擔(dān)當(dāng)著石家莊市供水任務(wù)的半壁江山，只有改造工程成功完成，才能保證地表水廠生產(chǎn)順利進(jìn)行。從某種意義上講，工程的順利與否是關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的大事；同時(shí)將為水行業(yè)自控系統(tǒng)的改造開辟成功的先河。

　　改造工程選用穩(wěn)定性、擴(kuò)充性、先進(jìn)性和兼容性俱佳的羅克韋爾公司的ControlLogix系列PLC產(chǎn)品作為本次改造的主力自控產(chǎn)品。目前改造工程取得了前所未有的成效，開創(chuàng)了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新先河。在送水泵房實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速恒壓供水的設(shè)計(jì)要求，在保證供水管網(wǎng)壓力恒定的前提下，僅節(jié)電一項(xiàng)一年就可以為水廠節(jié)約開支約70萬(wàn)元。同時(shí)成功地實(shí)現(xiàn)了ControlLogix系統(tǒng)與第三方設(shè)備的Modbus通訊，特別是遠(yuǎn)程的兩個(gè)取水管理站與中控室之間的數(shù)據(jù)通訊，采用無(wú)線Modbus的方式實(shí)現(xiàn)ControlLogix系統(tǒng)與第三方設(shè)備之間的通訊，成為整個(gè)工程的亮點(diǎn)。改造過(guò)程中新PLC系統(tǒng)與舊PLC系統(tǒng)（SquareD自控設(shè)備）之間的數(shù)據(jù)交換采用OPC服務(wù)器的方式加以實(shí)現(xiàn)，這樣既保證了整個(gè)水廠的日常制水生產(chǎn)不被中斷，又為用戶節(jié)省了采用過(guò)渡硬件設(shè)備所需要的投資。兩套自控系統(tǒng)自始至終保證數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，在一般的技術(shù)改造工程中是很少見的。使用這種技術(shù)，可以保證兩套系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)無(wú)縫割接。

2PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成

(1)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　根據(jù)水廠生產(chǎn)工藝及管理要求，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)以原系統(tǒng)的站點(diǎn)結(jié)構(gòu)為依據(jù),保留原有的6個(gè)主站、9個(gè)子站。6個(gè)主站采用ControlLogix系列PLC；9個(gè)子站采用CompactLogix系列PLC，廠區(qū)內(nèi)主干網(wǎng)以及主站與子站之間均采用ControlNet冗余網(wǎng)絡(luò)，上位機(jī)及觸摸屏均掛在ControlNet冗余網(wǎng)絡(luò)上。為保證信號(hào)的穩(wěn)定和介質(zhì)的抗干擾性，在伴有高電壓及大電流的區(qū)段選用光纖作為網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)。廠區(qū)中控室與崗南取水管理站和黃壁莊取水管理站數(shù)據(jù)傳輸采用無(wú)線通訊的方式實(shí)現(xiàn)。

(2)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1為八水廠自控系統(tǒng)拓?fù)鋱D。

圖1 八水廠自控系統(tǒng)拓?fù)鋱D

3變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)

　　石家莊地表水廠清水泵房配備三臺(tái)定速泵，三臺(tái)變頻調(diào)速泵。送水泵將兩個(gè)清水池內(nèi)的水通過(guò)兩個(gè)出水管線輸送到供水管網(wǎng)，原則上保持管網(wǎng)壓力恒定。原PLC自控系統(tǒng)，由于未成功完成對(duì)變頻調(diào)速泵的PID參數(shù)整定，調(diào)速泵的泵速未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)；加之其配泵方案的設(shè)計(jì)不適合國(guó)情，清水泵房的原PLC自控系統(tǒng)實(shí)際只完成數(shù)據(jù)采集功能，主要設(shè)備——送水泵一度處于手動(dòng)狀態(tài)，使變頻調(diào)速恒壓供水成為泡影。

　　改造后的清水泵房采用變頻調(diào)速的運(yùn)行方式，系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際設(shè)定水壓自動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)速泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速或加減泵，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力始終保持在給定值，實(shí)現(xiàn)了最大限度的節(jié)能、節(jié)水、節(jié)支，并使系統(tǒng)處于可靠的運(yùn)行狀態(tài)。恒壓供水的實(shí)現(xiàn)一方面歸功于先進(jìn)合理的工藝設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)和設(shè)備情況重新進(jìn)行工藝整定，為地表水廠量身定做的配泵方案，使恒壓供水、自動(dòng)配泵最終得以實(shí)現(xiàn)。另一方面依托ControlLogix系列PLC的強(qiáng)大功能，特別是智能精確的PID調(diào)節(jié)功能，使管網(wǎng)壓力的控制精度達(dá)到0.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)工藝要求，僅高效節(jié)能一項(xiàng)直接為地表水廠年節(jié)約資金約70萬(wàn)元，帶來(lái)的隱性效益更是不可估量。

4ControlLogix系統(tǒng)與第三方產(chǎn)品的Modbus通訊

　　由于配電室的中壓配電柜控制和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)選用SEPAM2000，該設(shè)備使用Modbus協(xié)議，通過(guò)SY/NET協(xié)議轉(zhuǎn)換器SPE4連接到原有的PLC自控系統(tǒng)。顯然在新系統(tǒng)投入使用之后，SPE4已經(jīng)失去存在的意義了。在這里需要特別提出針對(duì)配電室的改造思路。在去掉SPE4之后，SEPAM2000的數(shù)據(jù)在出口端是使用Modbus協(xié)議的。ControlLogix系列PLC有第三方的通訊模塊MVI56-MCM來(lái)支持對(duì)Modbus網(wǎng)絡(luò)的通訊。我們所要做的工作是在新PLC系統(tǒng)中通過(guò)MVI56-MCM模塊實(shí)現(xiàn)新PLC系統(tǒng)與SEPAM2000的通訊。與使用MODBUS協(xié)議的其余第三方設(shè)備的通訊與此類似。

　　這種數(shù)據(jù)流動(dòng)方式如下圖2所示：

圖2 數(shù)據(jù)流動(dòng)方式

5ControlLogix系統(tǒng)中的無(wú)線通訊設(shè)計(jì)

　　由于崗南水庫(kù)取水管理站和黃壁莊水庫(kù)取水管理站的自控系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，相當(dāng)于水廠控制系統(tǒng)的兩塊飛地。水廠中控室只要求實(shí)時(shí)掌握管理站的運(yùn)行情況，并沒有在系統(tǒng)內(nèi)向管理站下達(dá)任何控制指令。因此管理站的改造工作不受水廠自控系統(tǒng)的影響，新系統(tǒng)投運(yùn)后采用無(wú)線通訊的方式將管理站內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿畯S控制系統(tǒng)。

　　崗南水庫(kù)取水管理站的自控系統(tǒng)不在改造范圍之內(nèi)，使用MOTOROLA公司的MOSCAD系列RTU來(lái)完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸工作，上位軟件選用PCSOFT公司的WIZCON組態(tài)軟件，使用的是MDLC通訊協(xié)議。如何通過(guò)無(wú)線通訊的方式實(shí)現(xiàn)ControlLogix系統(tǒng)與第三方設(shè)備的互聯(lián)互通，是工程設(shè)計(jì)、實(shí)施中的一個(gè)難點(diǎn)。

　　根據(jù)崗南水庫(kù)、黃壁莊水庫(kù)和地表水廠之間的特殊的地理、地形情況，在三方組成的無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)中，黃壁莊水庫(kù)取水管理站設(shè)計(jì)為主站，地表水廠中控室為1號(hào)從站，崗南水庫(kù)取水管理站為2號(hào)從站。由黃壁莊水庫(kù)取水管理站讀取崗南水庫(kù)取水管理站的數(shù)據(jù)，會(huì)同自身的數(shù)據(jù)一同寫到地表水廠中控室。無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)各站點(diǎn)之間采用MODBUS通訊協(xié)議，各PLC站點(diǎn)的ControlLogix系統(tǒng)通過(guò)MODBUS通訊模塊MVI56-MCM的RS232口與無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。黃壁莊水庫(kù)取水管理站的ControlLogix系統(tǒng)通過(guò)MODBUS通訊模塊MVI56-MCM的RS485口與使用MODBUS協(xié)議的第三方設(shè)備——流量計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

　　無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖3所示：

圖3 無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

6新系統(tǒng)與舊系統(tǒng)的軟件兼容

　　由于地表廠自控系統(tǒng)的改造工作不能影響整個(gè)供水生產(chǎn)的正常進(jìn)行，因此改造工作應(yīng)該是分步驟實(shí)施的。這種階段式改造必然導(dǎo)致新系統(tǒng)與原系統(tǒng)長(zhǎng)期共存。那么，兩套系統(tǒng)的互聯(lián)互通就是該項(xiàng)目的又一難點(diǎn)。

　　新舊系統(tǒng)的兼容是暫時(shí)行為，在總體投資上不應(yīng)該過(guò)分加大，因此我們選用比較經(jīng)濟(jì)的軟件兼容方式，即使用第三方的OPC服務(wù)器作為兩個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的橋梁。新自控系統(tǒng)將已改造站點(diǎn)的數(shù)據(jù)按照原系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式寫入原自控系統(tǒng)，從而保證原自控系統(tǒng)的顯示完整。為了完成這一目的，新自控系統(tǒng)增加OPC服務(wù)器，同時(shí)原自控系統(tǒng)內(nèi)的PLC程序?qū)⒆霰匾母膭?dòng)以適應(yīng)這種運(yùn)行模式。

　　實(shí)現(xiàn)兼容的方式如下圖4所示：

圖4 實(shí)現(xiàn)兼容的方式

7結(jié)束語(yǔ)

　　ControlLogix系統(tǒng)在石家莊地表水廠運(yùn)行穩(wěn)定，以其先進(jìn)的技術(shù)充分滿足了水廠自控系統(tǒng)的要求。變頻調(diào)速恒壓供水的實(shí)現(xiàn)展示了PLC的強(qiáng)大功能，與MODBUS第三方產(chǎn)品的通訊和兼容證明了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和開放性強(qiáng)，進(jìn)一步擴(kuò)展了羅克韋爾自動(dòng)化的PLC應(yīng)用的空間和靈活性。

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