ControlLogix系統在石家莊地表水廠的應用
1 引言
石家莊市供水總公司地表水廠是1996年建成投產的自動化地表水廠。水廠設計生產能力日產水30萬噸。原plc自控系統已運行十年，現已非主流產品，無法實現自身的升級換代和擴展，而且備件貨源逐步枯竭。隨著設備存續周期的臨近，不排除出現大面積故障的可能，進而直接導致控制系統的局部或整體癱瘓。在這種嚴峻形勢下，對plc自控系統進行改造勢在必行。
改造工程選用穩定性、擴充性、先進性和兼容性俱佳的羅克韋爾公司的controllogix系列plc產品作為本次改造的主力自控產品。目前改造工程取得了前所未有的成效，開創了多項技術創新先河。在送水泵房實現了變頻調速恒壓供水的設計要求，在保證供水管網壓力恒定的前提下，僅節電一項一年就可以為水廠節約開支約70萬元。同時成功地實現了controllogix系統與第三方設備的modbus通訊，特別是遠程的兩個取水管理站與中控室之間的數據通訊，采用無線modbus的方式實現controllogix系統與第三方設備之間的通訊，成為整個工程的亮點。改造過程中新plc系統與舊plc系統（squared自控設備）之間的數據交換采用opc服務器的方式加以實現，這樣既保證了整個水廠的日常制水生產不被中斷，又為用戶節省了采用過渡硬件設備所需要的投資。兩套自控系統自始至終保證數據互聯互通，在一般的技術改造工程中是很少見的。使用這種技術，可以保證兩套系統真正實現無縫割接。
2 plc自動控制系統的組成
2.1系統簡介
根據水廠生產工藝及管理要求，在系統設計時以原系統的站點結構為依據,保留原有的6個主站、9個子站。6個主站采用controllogix系列plc；9個子站采用compactlogix系列plc，廠區內主干網以及主站與子站之間均采用controlnet冗余網絡，上位機及觸摸屏均掛在controlnet冗余網絡上。為保證信號的穩定和介質的抗干擾性，在伴有高電壓及大電流的區段選用光纖作為網絡介質。廠區中控室與崗南取水管理站和黃壁莊取水管理站數據傳輸采用無線通訊的方式實現。系統拓撲結構如圖1所示。
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| 圖1 系統拓撲結構 |
2.2 modbus通訊接口改造
由于配電室的中壓配電柜控制和數據傳輸系統選用施耐德電氣梅蘭日蘭sepam 2000系列智能微機綜合繼電保護裝置，使用modbus協議通過sy/net協議轉換器spe4連接到原有的plc自控系統。在controllogix系統投入使用之后需要針對性的接口改造。去掉spe4，利用controllogix系列plc第三方的通訊模塊mvi56-mcm來支持對modbus網絡的通訊。所要做的工作是通過mvi56-mcm模塊實現新plc系統與sepam2000的通訊。與使用modbus協議的其余第三方設備的通訊與此類似。
3 變頻調速恒壓供水系統
石家莊地表水廠清水泵房配備三臺定速泵，三臺變頻調速泵。送水泵將兩個清水池內的水通過兩個出水管線輸送到供水管網，原則上保持管網壓力恒定。原plc自控系統由于未成功完成對變頻調速泵的pid參數整定，調速泵的泵速未實現自動調節，加之其配泵方案的設計不適合使用要求，清水泵房的原plc自控系統實際只完成數據采集功能，送水泵一度處于手動狀態，變頻調速恒壓供水無法實現。改造后的清水泵房采用變頻調速的運行方式，系統可根據實際設定水壓自動調節調速泵電機的轉速或加減泵，使供水系統管網中的壓力始終保持在給定值，實現了最大限度的節能、節水、節支，并使系統處于可靠的運行狀態。恒壓供水的實現一方面歸功于先進合理的工藝設計，根據實際的生產和設備情況重新進行工藝整定，為地表水廠量身定做的配泵方案，使恒壓供水、自動配泵最終得以實現。另一方面依托controllogix系列plc的強大功能，特別是智能精確的pid調節功能，使管網壓力的控制精度達到0.5%，遠遠超過工藝要求，僅高效節能一項直接為地表水廠年節約資金約70萬元，帶來的隱性效益更是不可估。
4 controllogix無線通訊設計
由于崗南水庫取水管理站和黃壁莊水庫取水管理站的自控系統相對獨立，相當于水廠控制系統的兩塊飛地。水廠中控室只要求實時掌握管理站的運行情況，并沒有在系統內向管理站下達任何控制指令。因此管理站的改造工作不受水廠自控系統的影響，新系統投運后采用無線通訊的方式將管理站內的現場數據傳輸到水廠控制系統。崗南水庫取水管理站的自控系統不在改造范圍之內，使用motorola公司的moscad系列rtu來完成現場設備的監控和數據傳輸工作，上位軟件選用pcsoft公司的wizcon組態軟件，使用的是mdlc通訊協議。如何通過無線通訊的方式實現controllogix系統與第三方設備的互聯互通，是工程設計、實施中的一個難點。根據崗南水庫、黃壁莊水庫和地表水廠之間的特殊的地理、地形情況，在三方組成的無線通訊網絡中，黃壁莊水庫取水管理站設計為主站，地表水廠中控室為1號從站，崗南水庫取水管理站為2號從站。由黃壁莊水庫取水管理站讀取崗南水庫取水管理站的數據，會同自身的數據一同寫到地表水廠中控室。無線通訊網絡各站點之間采用modbus通訊協議，各plc站點的controllogix系統通過modbus通訊模塊mvi56-mcm的rs232口與無線通訊網絡之間進行數據交換。黃壁莊水庫取水管理站的controllogix系統通過modbus通訊模塊mvi56-mcm的rs485口與使用modbus協議的第三方設備——流量計進行數據通訊。無線通訊網絡的拓撲結構如圖2所示。
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| 圖2 無線通訊網絡 |
5 新舊系統的軟件兼容
由于地表廠自控系統的改造工作不能影響整個供水生產的正常進行，因此改造工作應該是分步驟實施的。這種階段式改造必然導致新系統與原系統長期共存。那么，兩套系統的互聯互通就是該項目的又一難點。新舊系統的兼容是暫時行為，在總體投資上不應該過分加大，因此我們選用比較經濟的軟件兼容方式，即使用第三方的opc服務器作為兩個系統數據交換的橋梁。新自控系統將已改造站點的數據按照原系統的數據格式寫入原自控系統，從而保證原自控系統的顯示完整。為了完成這一目的，新自控系統增加opc服務器，同時原自控系統內的plc程序將做必要的改動以適應這種運行模式。實現兼容的方式如圖3所示。
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| 圖3 opc服務器軟件兼容 |
6 結束語
controllogix系統在石家莊地表水廠運行穩定，以其先進的技術充分滿足了水廠自控系統的要求。變頻調速恒壓供水的實現展示了plc的強大功能，與modbus第三方產品的通訊和兼容證明了系統的可擴展性和開放性強，進一步擴展了羅克韋爾自動化的plc應用的空間和靈活性。
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