三菱PLC、變頻器及組態(tài)軟件在水廠的應(yīng)用

1、引言

　　自來水廠的制水過程是從水源地取水經(jīng)輸水管網(wǎng)至水廠，處理達(dá)標(biāo)后通過配水管網(wǎng)送至用戶。惠州市江北水廠是以東江河水為水源的水廠，從取水泵站至水廠約3KM，一期工程設(shè)計(jì)供水能力為20萬噸/日，1999年9月22日正式供水。該廠采用集散測(cè)控管理系統(tǒng)，控制方式采用PLC+PC的監(jiān)控方式，設(shè)制一個(gè)中心控制主站和四個(gè)現(xiàn)場(chǎng)分站，各PLC站之間通過三菱MELSECNET/10網(wǎng)通訊，中心控制室與各計(jì)算機(jī)之間用三菱通訊模塊A1SJ71UC24-R2通訊，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制方式分為手動(dòng)與自動(dòng)兩種控制方式：手動(dòng)時(shí)PLC監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài);自動(dòng)時(shí)PLC監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行。江北水廠所有的PLC均采用三菱AnS系列，完成了邏輯控制、過程控制、PID等多種控制任務(wù)。江北水廠所涉及的變頻控制采用三菱變頻器，它們與PLC配合達(dá)到了最優(yōu)控制。上位機(jī)采用美國(guó)Intellution公司的FIX組態(tài)軟件及國(guó)產(chǎn)組態(tài)王軟件。

2、江北水廠對(duì)控制系統(tǒng)的要求

　　1）、分散性

　　根據(jù)江北水廠工藝的特點(diǎn)，分為取水泵站、投礬車間、投氯車間、反應(yīng)池、平流濾、濾池、清水池、供水泵站等。由于主體設(shè)備過于分散因此需要控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成幾個(gè)不同功能的分站，通過網(wǎng)絡(luò)使各個(gè)站之間既獨(dú)立又關(guān)聯(lián)，互不影響地進(jìn)行各自的控制任務(wù)。

　　2）、集中監(jiān)控

　　為了確保供水水制，操作人員需要在中控室對(duì)整個(gè)水廠的生產(chǎn)情況了解，并進(jìn)行集中監(jiān)控。

　　3）、可靠性、安全性

　　水廠的安全、穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到千家萬戶，所以從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟硬件產(chǎn)品質(zhì)量到控制程序編制等各個(gè)環(huán)節(jié)都必須是高可靠性的。

　　4）、可維護(hù)性

　　系統(tǒng)在系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件和硬件方面具有強(qiáng)大的報(bào)警和故障自診斷功能，方便工程師對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行分析和維護(hù)。

　　5）、可擴(kuò)展性

　　系統(tǒng)應(yīng)采用具有一定標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用較為廣泛的軟硬件產(chǎn)品，并考慮一定的余量，為將來水廠的擴(kuò)建及系統(tǒng)的變更打下基礎(chǔ)。

　　6）、開放性

　　開放性是用戶對(duì)控制系統(tǒng)的普遍需求。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的普及，人們?cè)絹碓叫枰^程控制系統(tǒng)與管理信息系統(tǒng)交互信息，從而實(shí)現(xiàn)管理與控制一體化。最終達(dá)到向管理要效率，向管理要效益。盡管各控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠家在現(xiàn)場(chǎng)控制器模塊級(jí)還不可能完全開放或通用，但必須要求上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有開放性，例如：監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)基于微軟公司的WindowsNT、2000或9X平臺(tái)，支持各種規(guī)范的協(xié)議如OPC、ODBC、ActiveX、DDE等。

3、 控制系統(tǒng)構(gòu)成

　　1）、 控制系統(tǒng)硬件

　　如圖所示，江北水廠根據(jù)系統(tǒng)不同功能分為五個(gè)PLC站，應(yīng)用三菱MELSECNET/10網(wǎng)組網(wǎng)通訊，通過A1SJ71UC24-R2與計(jì)算機(jī)通訊。利用電信局幀中繼與公司調(diào)度室進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。遠(yuǎn)程測(cè)壓點(diǎn)通過無線通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)生產(chǎn)的特點(diǎn)五個(gè)PLC站分別為投加分站、平流池分站、濾池分站、反沖分站、主站。所有PLC站均采用三菱AnS系列PLC。

　　A、投加分站以過程控制為主，利用儀表、變頻器進(jìn)行投氯、投礬的回路控制。儀表輸出4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

　　B、排泥車分站以邏輯控制為主，通過PLC發(fā)出的指令，指令通過中間繼電器及變頻器，對(duì)行車的電機(jī)及泵等設(shè)備進(jìn)行開停、運(yùn)行頻率變化等控制，以達(dá)到運(yùn)行的高度自動(dòng)化。

　　C、濾池分站是邏輯控制與過程控制相輔相成，并加入了PID控制。在幾個(gè)站中濾池分站屬于最復(fù)雜繁煩，我廠有十組濾池，并且都投入運(yùn)行，三菱PLC完全能達(dá)到控制要求。

　　D、反沖分站主要是以邏輯控制為主，當(dāng)PLC接受到濾池站發(fā)出的反沖要求指令時(shí)，開始按程序順序地進(jìn)行控制。

　　E、主站以邏輯控制為主，其作用主要是加強(qiáng)報(bào)警功能，將各分站發(fā)生的緊急事故，第一時(shí)間通知值班人員。

　　以上各站中主站CPU選用三菱A2ASCPU-S1（I/O點(diǎn)數(shù)1024，存儲(chǔ)容量256K），其它各站選用A2ASCPU（I/O點(diǎn)數(shù)512，存儲(chǔ)容量64K），A/D轉(zhuǎn)換模塊選用A1S68AD，D/A轉(zhuǎn)換模塊選用A1S68DAI，在網(wǎng)絡(luò)方面選用了A1SJ71BR11模塊組成的同軸電纜總線方式的MELSECNET/10網(wǎng)。此網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)一個(gè)站由于電源故障或其它故障而脫網(wǎng)時(shí)，這個(gè)站將被分離，數(shù)據(jù)鏈接繼續(xù)在有效的站間進(jìn)行，當(dāng)故障消除時(shí)，它自動(dòng)返回在線狀態(tài)，重新開始通信。從江北水廠投產(chǎn)運(yùn)行至今，除了一次被雷電擊壞了網(wǎng)絡(luò)模塊以外，還沒有因PLC故障導(dǎo)致生產(chǎn)無法正常運(yùn)行的事件發(fā)生。

　　由于篇幅有限，這里主要講一下PID控制，水廠涉及PID控制回路主要是濾池站，在PID控制回路中要給出一個(gè)水位的設(shè)定值（SV值），通過PID控制單元將過程值（PV值）與設(shè)定值（SV值）對(duì)比，并執(zhí)行PID控制算法，送出適合于執(zhí)行機(jī)構(gòu)特性的命令值（MV值）。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由模擬輸出控制。我廠共有10組濾池，因些組數(shù)設(shè)為10，設(shè)定執(zhí)行周期為K100（1sec），P值為K1000（10），I值為K2000（200 sec），D值為K0。實(shí)際應(yīng)用中能滿足控制要求，達(dá)到V型濾池恒水位控制的要求，我廠PID控制可以分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式，自動(dòng)控制即由PLC進(jìn)行全自動(dòng)控制，不需要進(jìn)行人工干預(yù)。手動(dòng)控制即在上位機(jī)上給定一個(gè)閥位輸出值（MV值），通過PLC對(duì)閥位進(jìn)行控制，手動(dòng)方式時(shí)內(nèi)部設(shè)定點(diǎn)不與測(cè)量值校準(zhǔn)。

　　編程梯形圖軟件用三菱公司的GPPW軟件，在組網(wǎng)設(shè)置方面非常簡(jiǎn)便，在程序調(diào)試方面及在線檢測(cè)方面已大大優(yōu)越于老版本的GPPA。

　　在變頻器的使用中，我們接觸過兩款三菱公司的變頻器，F(xiàn)R-A044-2.2K 和FR-E540-0.75K，產(chǎn)品均采用以微處理器核心的數(shù)字控制技術(shù)，在使用過程中都能達(dá)到很好的響應(yīng)能力，具有頻率設(shè)定檢測(cè)、負(fù)荷選擇、電流輸入等，共計(jì)100多個(gè)參數(shù)選擇。及對(duì)變頻器過載、CPU故障、電機(jī)再生電壓過大等多種故障進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，該變頻器可及時(shí)停止運(yùn)行，防止事態(tài)惡習(xí)化，并通過參數(shù)單元顯示故障代碼，提高查找故障的效率。相比FR-E540-0.75K調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置方面沒有FR- A044-2.2K方便。使用變頻器后感覺最大的優(yōu)點(diǎn)是：變速區(qū)段全由軟件設(shè)置，具有柔性控制的特點(diǎn)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　2）、控制系統(tǒng)監(jiān)控組態(tài)軟件

　　江水水廠的人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由位于中控室的兩套FIX6.15組態(tài)軟件及投加室一套組態(tài)王軟件構(gòu)成，組態(tài)軟件與PLC構(gòu)成了上、下位機(jī)關(guān)系。通過專用的I/O dirver將二者結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控（SCADA）的任務(wù) 。組態(tài)軟件支持第三方應(yīng)用程序的運(yùn)行，具有操作簡(jiǎn)單、管理方便、安全性、維護(hù)性、可移植性、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。我們還利用FIX通過ODBC SQL實(shí)現(xiàn)了與調(diào)度室數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，保證了系統(tǒng)的開發(fā)性和可擴(kuò)展性。FIX提供了報(bào)警系統(tǒng)生成、顯示、存儲(chǔ)報(bào)警信息等功能，使下位機(jī)PLC的事件實(shí)時(shí)地顯示出來。

4、 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)在江北水廠已穩(wěn)定運(yùn)行近四年多，運(yùn)行結(jié)果表明三菱自動(dòng)化PLC及變頻器與組態(tài)軟件組成的PLC+PC系統(tǒng)能充分滿足對(duì)水廠控制系統(tǒng)的要求，對(duì)水廠的安全運(yùn)行、提高供水質(zhì)量、節(jié)能降耗、優(yōu)化管理等方面起到了至關(guān)重要的作用。