摘要：北京市地表水廠自動化控制系統改造工程全部采用Rockwell Automation公司的ControlLogix和CompactLogix，廠區的通訊采用ControlNet冗余網絡，遠程通訊采用無線方式。在改造中設計并實現了新、舊系統之間的數據兼容。控制工藝移植的過程中，完成了PLC程序優化和工藝改進。
關鍵詞：網絡規劃 數據兼容 程序優化 工藝改進
1 引 言
北京市供水總公司地表水廠是2000年建成投產的自動化程度很高的地表水廠。水廠設計日產水30萬噸，技術和工藝全部從國外引進，已運行十年的自控系統面臨癱瘓。北京市供水公司根據十年的運行經驗，決心依靠自身的技術實力，通過自主研發對水廠自控系統進行改造。2009年開始對全廠的PLC自控系統進行全面改造，為了不影響整個供水生產的正常進行，改造工程分二期進行，至2010年03月改造工程全部竣工。改造后的自控系統滿足了八水廠生產的要求，進一步完善了原系統的性能，并實現多項技術突破和工藝改進。新系統開創了多項技術創新之先河，明顯超出了原系統的設計水平，原系統的遺留問題均得到妥善解決。送水泵房實現變頻調速，恒壓供水，取得良好的節能效果；成功的實現了PLC自控系統與第三方設備的通訊，奠定了工程成功的基礎；針對進廠水加藥、沉淀、過濾的設備和工藝現狀，實現多項工藝改革和創新；在改造過程中，新、舊系統的軟件兼容調試成功，為公司節約了大筆硬件兼容的費用。
2控制網絡的優化
2.1原自控系統的拓撲結構
地表水廠原自控系統使用Square D PLC作為自控系統的主力設備。邏輯上設有7個主站、9個子站。其中公司調度中心的PLC已經拆除，黃壁莊取水管理站PLC與廠區的無線通訊聯系由于設備原因已經中斷。子站采用小型的SY/MAX 50系列PLC，其他站采用中型的SY/MAX 400系列PLC。廠區內PLC依照Square D的產品要求使用雙絞線和光纖組成SY/NET工控網絡（不包括脫水間PLC）。中控室與黃壁莊取水口PLC采用400兆赫無線通訊的方式交換數據。SY/NET網絡通訊速率2M，無線通訊速率為9600bps。Square D PLC采用HDLC協議，該協議相對比較簡單，但效率較高。系統拓撲結構如圖1所示。
水廠原自控系統的拓撲圖
2.2新自控系統的網絡規劃
在整個網絡體系中我們采用了 Rockwell Automation公司的Netlinx結構。在這個網絡體系結構中采用的是CIP協議，基于Producer/Consumer的通訊方式，不再是以前的主-從方式。這樣CPU就不再是瓶頸，既降低了CPU的負擔，又可以實現I/O共享。機組之間的數據交換可以通過I/O直接進行，而不需要再通過CPU進行交換。這樣機組間的數據交換速度基本上可以達到實時的程度。
控制級采用ControlNet這種全新網絡模式，網絡間采用雙介質冗余，保證了系統的穩定性。這種生產者/消費者(PRODUCER/CONSUMER)模式，它不需要單獨的源/目的地址，代之以數據標識，因此不同的消費者（信息接收者）可以根據數據標識同時接收來自生產者（信息產生者）的信息，如果某些信息是它所不需要的，它可以忽略，而只處理那些它所需要的信息，這種全新的網絡模式是對傳統的網絡模式的革命，它極大地提高了網絡效率。該模式同時也被DEVICENET和FOUNDATION FIELDBUS所采用，代表了下一代網絡的趨勢。
系統監控主要采用A-B公司的ControlLogix系統，在整個系統中都設計有通訊功能。ControlLogix的結構能夠利用獨特的ControlBus底板為整個系統創建通信網關，ControlBus底板不采用典型的主–從模式，而采用另一種方法，該方法基于生產者/消費者，在CONTROLNET和DEVICENET通信網絡中會遇到這種模式。對于一些小型站，采用了A-B公司的CompactLogix系統，CompactLogix在控制站上還配有人機界面系統，采用了A-B公司的PanelView操作員界面，能夠提供豐富的功能，包括先進的報警處理，屏幕安全設置，模擬量表盤，存儲卡兼容，在線打印等，這些功能將為操作員提供更為直觀的操作方法。
不同的控制系統，相同的編程組態環境，統一的網絡體系，這樣的設計節省了很多培訓費用和工程執行時間。
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Contrologix系列PLC；9個子站采用Compactlogix系列PLC，濾站8個子站分別控制16個濾池的動作，脫水間的帶式壓濾機也由一個子PLC主導控制。脫水間PLC、8個濾池子站PLC采用Compactlogix系列PLC，其他站采用Contrologix系列PLC。廠區內主干網即各主站PLC之間以及主站與子站之間均采用ControlNET冗余網絡，通訊時如果A網出現故障可改用B網，無需人工設置。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。中控室與黃壁莊取水管理站PLC、崗南取水管理站RTU通過第三方通訊模塊MVI56-MCM進行無線數據通訊。上位機及觸摸屏均掛在ControlNET冗余網絡上。ControlNET網的通訊速度為5M/s，無線通訊速率為19200bps。
3自控系統的數據兼容
3.1數據兼容的設計背景
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一個難點。系統兼容就是指新自控系統與原自控系統在共存期間的互聯互通問題，新自控系統將把已經改造站點的數據按照原自控系統的數據要求寫入原自控系統，從而保證原自控系統的顯示完整。但是，原自控系統不能向新自控系統的設備發送指令。
新系統與原系統的兼容性可以從兩個方向來解決：硬件兼容和軟件兼容。兩種兼容方式各有利弊，從保護投資的角度考慮，軟件兼容解決方案是一個比較可行的方案。
3.2硬件兼容
硬件兼容是指通過在新系統和原系統之間增加硬件適配器的方法來雙向轉換兩種不同的PLC協議，從而實現兩個系統的互連互通。這種方式的典型應用是揚州第四水廠的濾池改造項目。這種改造方式的系統拓撲結構如圖2所示：
圖2 硬件兼容系統結構圖
這種處理兼容性的方法可以做到比較平穩地從原系統過渡到新系統，比較適合工期較長的改造項目。當然，它也存在一定的弊端。首先，選用的硬件適配器是一個過渡的投資，這個設備在新系統建成之后就失去存在的意義，而且一般來說，專用的協議轉換適配器由于用途單一，往往價格較高，昂貴的投資可能只使用一到兩年，從硬件成本上來考慮很不劃算；另外，這種改造方式并不能節約軟件開發成本，所有原系統中的下位程序和上位軟件都需要重新編寫、重新開發；還有，使用硬件兼容從改造角度來講會限制新系統的設備選型范圍，使改造工作從某種意義上成為對一種過時產品的高級升級。硬件兼容的系統改造示意圖如圖3所示
圖3 硬件兼容的系統改造示意圖
3.3軟件兼容
軟件兼容是指從上位軟件來考慮新系統與原系統的互連互通問題。一般來說，工控上位組態軟件都會支持多種PLC協議，這樣做的目的就是為了使該軟件可以支持更多廠家的PLC產品，從而最大限度地提高其產品的適用性。所以我們可以讓組態軟件來完成兩個系統之間的數據交換。組態軟件從新系統中讀來數據寫入原系統中可以在過渡階段保持原系統的邏輯完整性；另一方面新系統從原系統中讀取數據來完成新系統的控制策略，測試新系統的綜合性能。這種兼容性解決方案一方面可以減少工程投資，另一方面不會過多增加編程的工作量。當然這種方式也不是完美無缺的。系統的兼容性是需要上位組態軟件在系統中的存活來維持的。如果上位機宕機或退出運行狀態那么兩個系統的互通鏈條就會中斷。這就要求上位軟件的開發工作要超前于硬件的安裝調試，最起碼要同時完成，而且上位程序必須在實驗室先期進行全面的測試，務必在程序安裝到位后盡量進行最少的修改工作。當然，硬件兼容解決方案也存在類似的問題，畢竟技術改造項目以最小限度地影響正常生產為首要條件。
新、舊自控系統的兼容將采用OPC的方式加以實現。具體的做法是：以中控室的一臺新系統的上位機作為OPC服務器，該服務器運行Kepware for Square D服務。Kepware for Square D的服務器端與新系統的上位軟件（RsView SE）交換數據，客戶端與原自控系統的PLC相連。通過Kepware for Square D 做為新系統和舊系統的數據交換橋梁。已經并入新系統的站點數據將通過上位軟件以OPC的方式直接寫入原系統中的PLC5 CPU中。OPC服務器通過串口與PLC5的RS232口連接。由于Kepware for Square D不支持與SY/LINK卡的通訊，因此需要在PLC5的程序中額外增加將新系統的數據寫入SY/LINK卡郵箱（mailbox）的程序。通過這種方式，新系統中的數據就可以在原系統中傳輸并顯示了。軟件兼容解決方案的系統拓撲圖如圖4所示：
圖4 軟件兼容系統結構圖
4地表水廠的工藝改進
4.1控制策略的移植
控制策略的移植實際上就是把舊系統的PLC中運行的各種控制工藝程序移植到新的PLC程序中。一般來說，這個工作理論上很簡單，只是讀懂舊程序，按照新設備的編程約束重新編寫程序，使兩種自控設備在相同激勵下保持行為一致。但是在實際操作上這部分工作最繁瑣、最容易出現安全隱患。首先兩種控制設備在編程規則、實現手段上必然存在差異，程序員必須熟悉兩種設備的特點，不可能只進行簡單機械的拷貝就可以完成任務。另外，原系統的控制程序是經過現場各種復雜條件考驗、結合系統維護人員多年來辛勤工作總結出來的策略結晶。新系統不可能有足夠多時間磨礪和現場考驗，大部分的程序修改和現場模擬必須在實驗室來完成，這必然會在一定程度上出現偏差和遺漏。力爭把隱患發生的可能性降到最低限度，這部分工作是決定新系統成敗的關鍵因素。
4.2程序優化和工藝改進
在PLC程序設計當中，程序員不要拘泥于原程序，要根據設備和工藝現狀，以全新的方式實現了原系統的所有性能，并展開改進和創新。地表水廠進廠水經過沉淀池沉淀后通過16個濾池過濾到清水池，濾池是地表水處理的重要一環，直接關系到水質的好壞。程序員在程序設計中勇于創新，實現濾池反沖洗工藝的多項改進。
首先消除了濾池液位的不合理的異常報警，彌補了原系統程序設計的漏洞。濾池正常過濾時液位控制在0.95m，并設有高、低液位報警。濾池反沖洗時液位只有0.25m左右，低于正常過濾液位。原程序在反沖洗時會發生不合理的低液位報警，新系統經過程序員的精心設計，克服了這一弊端。
其次改進了濾池反沖洗工藝，節水的同時使工藝更趨合理。原系統濾池反沖洗時，進水提板閘板關閉的同時打開出水提板閘。此時液位尚高，濾池內大量的水排到污泥處理系統；在除錳期，污泥處理系統停用，就被直接當作污水排掉。程序設計人員與工藝人員密切配合，大膽改進。反沖洗開始時，關閉進水提板閘板，將清水出水閥全開，延時2分鐘，使濾池內的水繼續正常過濾到清水池，待液位下降到接近反沖洗液位時，再打開反沖洗出水提板閘。改進以后的反沖洗工藝明顯地減少了設備損耗，節約了水源。
濾池反沖洗的氣洗&水洗的時間要根據水質進行調整，新系統將反沖洗氣洗&水洗的時間設計成操作界面可調，使操作更加便捷。
沉淀池刮泥橋的自動運行靠南、北限位開關控制。如果限位開關沒有正常壓上，自動運行的刮泥橋不能停下來，曾經造成刮泥橋驅動電機燒毀的惡性事故。程序設計人員為刮泥橋的自動運行增加了超時保護和報警，并增加了運行時間的計量和顯示，方便了用戶，消除了設備隱患。
清河、九水廠取水管理站與廠區的數據通訊中斷多年，新系統實現了崗、黃取水管理站與廠區的無線數據通訊，結束了廠區與崗、黃靠電話聯系的局面。清河、九水廠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。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。崗南取水管理站的自控系統使用的RTU、取水管理站的取水流量計都是使用MODBUS協議的第三方設備，實現了新系統與第三方設備的互聯互通，并成功恢復廠區與崗、黃取水管理站的無線通訊是工程設計、實施中的一個靚點。
濾池工藝圖如圖5所示：
圖5 濾池控制工藝
5結束語
北京地表水廠的自控系統改造工程中，采用全新的控制網絡設計理念，成功實現改造過程中的軟件兼容，在不影響生產的前提下，完成控制工藝的移植，并對PLC程序展開優化，成功完成多項工藝改進，成為整個工程的亮點。