基于中小型PLC在大型自来水厂的设计和实现

 

　　一、引言

　　随着工业技术的发展，人们对自动控制设备的要求越来越高。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

　　与传统继电保护相比，其具有许多明显的特点。可靠性高，抗干扰能力强；具有丰富的I/O接口模块；编程简单；安装方便/维护方便；配套齐全、功能完善；体积小、重量轻、能耗低；系统设计、调试周期短。它用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少，并正在逐步取代传统的继电器控制。但在使用时由于工业生产现场的环境恶劣，干扰源众多，所以在应用PLC控制系统时，在编程、安装以及在某些具体控制系统中，应该具体问题具体分析，才能使控制系统更加高效可靠。

　　本文介绍了由中小型PLC组成的控制系统在广东南海市第二水厂自控项目的应用。南海市第二水厂设计总规模为日供水100万m3,首期工程为日供水25万m3，于1997年4月建成投产，二期25万m3/d工程即将建成投产，自控项目主要对一期自控工程进行改造和二期自控工程建设，并为后续扩建预留接口。

　　二、生产工艺

　　本系统应用水厂的生产过程如图一示：

 

　　主要分为以下几个工艺过程：

　　（1）取水 通过多台大型离心泵将江河地表水抽入净水厂。

　　（2）药剂的制备与投加 按工艺要求制备合适的混凝剂，并投入混凝剂及氯气，达到混凝和消毒的目的。

　　（3）混凝 包括混合与絮凝，即地表水投入混凝剂后进行反应，并排出反应后沉淀的污泥。

　　（4）平流沉淀 与混凝剂反应后的水低速流过平流沉淀池，以便悬浮颗粒沉淀，并排出沉淀的污泥。

　　（5）过滤 沉淀水通过颗粒介质（石英砂）以去除其中悬浮杂质使水澄清，并定时反冲洗石英砂。

　　（6）送水 通过多台大型离心泵将自来水以一定的压力和流量送入城市管网。

　　三、控制方案

 

　　由于自来水生产工艺主要具有以下特点：

　　（1）各生产工艺段相对独立，单体设备多。

　　（2）采集的数据量大，整个系统共有数字量输入、输出超过3000路，模拟量输入、输出超过1000路，且工艺参数种类多，包括压力、流量、温度、差压、液位、电流、电压、功率等，但上下游相关联的生产参数少。

　　（3）自来水生产具有连续性、不可替代性和不间断性。

　　（4）各工艺段距离远，设备分散，组网相对复杂。根据以上特点，本系统选用OMRON的中小型PLC对各工艺段生产设备分散控制，利用OMRON Protocol和Controller Link组成网络，在各工艺段控制室和中控室设置上位机，构建人机界面进行生产管理和对生产数据进行后续处理。全厂控制网络如图二示。

　　在取水及送水工艺段上，主要设备由多台大型的离心水泵和10KV高压直配电机组成，每一电机由相应的高压配电柜控制，因此为每一面高压配电柜选用一台Sepam2000(施耐德生产，专用于配电柜控制的小型PLC)进行数据采集和控制，每一泵阀在现场选用一台OMRON CPM2A用于数据采集和控制，通过RS422接口连成网络，由控制室的OMRON C200HG中型PLC利用OMRON Protocol协议与它们通讯，对其读写数据和进行统一调度，这样可以节省大量的数据采集电缆，而且当某台PLC发生故障时可以方便断开其维修而不影响其它设备的正常生产。对于沉淀池排泥车的控制，由于排泥车在长达近百米的沉淀池上前后移动，因此其控制所用小型PLC利用电台与控制室间的C200HG通过RS232接口进行1：N通讯，电台型号为MDS-SCADA-24810，为直接数字调制解调电台，工作频率范围在2.4G~2.4835GHz，支持标准的异步通讯协议，工作稳定可靠，协议同样采用OMRON Protocol，软件用OMRON-CX-Protocol编制。二期滤池选用多个小型PLC（OMRON CQM1H）分散控制，可以较好地解决因控制设备故障造成全部滤池停产而影响安全供水的问题。整个Controller Link网络由中继器分成两段，主要是为了满足Controller Link对通讯距离的要求，同时可适应以后扩展的需要。系统中生产工艺所要求的全部参数都由PLC采集和控制，上位机只是人机界面和对生产数据进行后续处理，大大地提高了系统的可靠性。本控制方案全部选用中小型PLC，对主要的生产设备分散控制，同时利用网络将它们紧密联结，实现集中管理，降低了故障风险，提高了可靠性，是一种经济可行的方案。

　　四、相关中小型PLC介绍

　　中小型PLC通常不配置模拟量输入/输出模块，PLC的I/O接口只能接收开关量，而在工业控制中有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。

　　目前，PLC在向微型化、网络化、pc化和开放性方向发展。中、小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活；为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机借口模块等；增强外部故障的检测与处理能力等。

　　Controller Link 是OMRON提供的一种工厂自动化网络。它可以在合适的PLC和各种微型计算机之间方便地、灵活地发送和接收大容量数据包，支持能共享数据的数据链接和在需要时发送和接收数据的信息服务，网络采用屏蔽双绞线电缆或光纤连接，传输距离随波特率而变，在采用两层中继器的情况下，波特率在500kbit/s时，传输距离可达3Km，支持62个节点。Controller Link网络是一种使用令牌总线通信的网络，这种总线型拓扑结构具有的灵活性，易于扩充和维护，满足系统可扩展性的需求。由于采用了分布式控制技术，可确保Controller Link网络不会因某个站点故障而崩溃，提高了系统的稳定性。

　　OMRON Protocol 利用OMRON的通讯板，与连接在RS232或RS422/485的各种通用组件（如各种牌子型号的PLC、现场仪表等）进行数据发送、接收的程序，通过通讯协议支持软件（OMRON-CX- Protocol）让用户自由编制，以PMCR指令就能够实行的原始通讯协议。

　　五、程序结构

　　本系统全部设备的控制都由PLC来完成，程序利用OMRON-CX-Programmer软件编制，在上位机上通过Controller Link网络或串行口传送至PLC的CPU单元。在各工艺段及单体设备其控制程序亦相对独立，部分相同的工艺采用子程序模式。对于部分要求较高的工艺参数的控制，则利用PLC的PID指令进行闭环控制，已能满足生产要求。因此程序结构比较简单，调试和维修方便。下面用水泵的开停和滤池的自动操作两个工序作说明。

　　1、水泵的开停控制流程 水泵的启动和停止由操作人员在上位机发送指令，由PLC一步化完成操作。程序结构图如图三示。

　　2、滤池自动控制流程 过滤由多格滤池共同完成，对于每一格滤池，其工艺过程基本相同，包括正常过滤和反冲洗状态，因此采用子程序的控制模式，程序结构图如图四示。

　　六、结束语

　　本项目是由工业计算机和中小型PLC组成的集散型控制系统，利用了PLC抗干扰能力强、组网方便、适用于工业现场的持点，在上位机能实现对全厂生产设备的控制和工艺参数的设置、调整与监测，满足大型自来水厂自动控制的要求。整个方案安全可靠、经济实用，易于编程、操作及维修，在广东南海第二水厂得到良好的应用。

 

  

参考文献:

[1]. PLC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PLC_1248813.html.
[2]. RS232 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS232_585128.html.