水廠異構(gòu)PLC通訊OPC解決方案

1 引言

隨著社會發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，新設(shè)備和新工藝越來越多的在自來水廠技術(shù)改造中得到體現(xiàn)。作為水廠自動化核心的PLC系統(tǒng)，也面臨著不同時期不同品牌不同類型的PLC共用的問題。由于不同的PLC系統(tǒng)硬件接口不一樣，支持不同的通訊協(xié)議，雖然許多PLC都支持Modbus，可以考慮用RS485等形式連接，但是在一些水廠具體的應(yīng)用場景PLC系統(tǒng)之間的通訊可能存在著不同的問題。

去年，某沿海城市地表水廠完成了液體次氯酸鈉投加系統(tǒng)（以下簡稱加氯系統(tǒng)）項目建設(shè)，取代原有的液氯真空投加系統(tǒng)，后期調(diào)試中，我們發(fā)現(xiàn)由于硬件及通訊協(xié)議不同，加氯系統(tǒng)自控部分采用的PLC是西門子SIMATIC S7-200 SMART，與水廠原有的羅克韋爾ControlLogix系統(tǒng)不能進(jìn)行直接的數(shù)據(jù)通訊和相應(yīng)控制系統(tǒng)的集成，給上位監(jiān)控和遠(yuǎn)程操作帶來不便。

2 異構(gòu)系統(tǒng)分析

2.1 原有控制網(wǎng)絡(luò)

該水廠原有生產(chǎn)自動控制系統(tǒng)全面采用羅克韋爾自動化產(chǎn)品，核心PLC系統(tǒng)采用基于Allen-Bradley技術(shù)的ControlLogix集成架構(gòu)，機(jī)架式、模塊化安裝，分布在中控室、凈化間、加藥間和配電間等各個站點的機(jī)架，通過雙通道的同軸電纜連成環(huán)狀的主體控制網(wǎng)絡(luò)ControlNet，機(jī)架上的處理器Logix5550可以控制本地輸入輸出和遠(yuǎn)程輸入輸出，網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件RSLinx被用作控制（ControlNet）和數(shù)據(jù)通信層（EtherNet）的接口 ^[1]。安裝可視化平臺RSView32的上位機(jī)通過以太網(wǎng)模塊EtherNet/IP接入ControlNet，其中工程師站——中控室通過RSView32WORKS軟件完成用戶監(jiān)控項目的開發(fā)，使用RSLogix5000編程軟件完成ControlLogix的控制程序的開發(fā)以及程序在線監(jiān)控和修改；分布在廠區(qū)幾百米范圍內(nèi)的凈化間、加藥間和配電間等操作員站運(yùn)行RSView32Runtime實現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控 ^[2]。水廠原控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水廠原控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

2.2 加氯系統(tǒng)構(gòu)成

加氯系統(tǒng)，包括混合前加氯（前加氯）和濾后加氯（后加氯）部分，主要由儲罐、加藥罐、轉(zhuǎn)液泵、計量泵、電動閥組、液位計、電磁流量計、現(xiàn)場控制柜等組成，均為一用一備設(shè)計，如圖2所示。

圖2 次氯酸鈉投加系統(tǒng)工藝流程簡圖

加氯系統(tǒng)控制部分采用西門子SIMATIC S7-200 SMART PLC，現(xiàn)場控制柜標(biāo)配獨(dú)立的觸摸屏，主要的監(jiān)測參數(shù)有：儲罐液位、加藥罐液位、轉(zhuǎn)液泵和電動閥門狀態(tài)、計量泵頻率和沖程、溶液投加流量等，有現(xiàn)場手動、遠(yuǎn)程和自動投加等多種控制模式。自動投加模式下，前加氯采用流量比例控制，要使用在線原水流量數(shù)據(jù)；后加氯采用復(fù)合環(huán)路控制 ^[3]，從圖3的控制原理圖可以看出，要使用在線的出水流量和余氯數(shù)據(jù)，其中原水、出水流量信號和余氯信號均從水廠原有控制系統(tǒng)ControlLogix中凈化間站點讀取，不再重復(fù)安裝儀表，這也是促使我們研究兩個PLC系統(tǒng)進(jìn)行通訊協(xié)同的主要原因。

圖3 自動后加氯復(fù)合環(huán)路控制原理圖

3 OPC異構(gòu)系統(tǒng)集成

由于加氯系統(tǒng)PLC采用的SIMATIC S7-200 SMART標(biāo)配以太網(wǎng)接口，集成了強(qiáng)大的以太網(wǎng)通信功能，而ControlLogix也有以太網(wǎng)模塊EtherNet/IP與上位機(jī)連接，加氯系統(tǒng)距離ControlLogix加藥間站點不超過100米，所以我們考慮使用較少的硬件投入，通過以太網(wǎng)與原系統(tǒng)的上位機(jī)進(jìn)行通信，從而將加氯系統(tǒng)作為一個子站整合到水廠原自控系統(tǒng)中。經(jīng)反復(fù)研究后決定采用OPC工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)不同廠家的設(shè)備和子系統(tǒng)的集成，各子系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)相應(yīng)控制指令，實現(xiàn)分散子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享，最終架構(gòu)統(tǒng)一的實時監(jiān)控系統(tǒng)。具體來說，就是通過KEPServerEX平臺的OPC服務(wù)實現(xiàn)不同類型PLC系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)讀取和交換，既能在原有RSView32平臺上監(jiān)控加氯系統(tǒng)運(yùn)行情況，又能將原ControlLogix系統(tǒng)的流量和余氯等數(shù)據(jù)傳遞給加氯系統(tǒng)的SIMATIC S7-200 SMART，實現(xiàn)自動投加模式下的加氯控制。包含加氯系統(tǒng)的水廠控制網(wǎng)絡(luò)示意圖參見圖4所示。

圖4 包含加氯系統(tǒng)的水廠控制網(wǎng)絡(luò)圖

這里需要說明的是，除了在加藥間操作站對加氯系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控外，我們還考慮了中控室的全廠監(jiān)控需要，由于中控室距離加氯系統(tǒng)較遠(yuǎn)（超過100米），重新敷設(shè)通訊線纜難度大造價高，因此我們選用了一對無線路由器搭建網(wǎng)橋的數(shù)據(jù)傳輸方案。

4 OPC異構(gòu)系統(tǒng)實現(xiàn)

完成簡單的硬件連接后，主要工作是在加藥操作站上進(jìn)行軟件設(shè)置和調(diào)試。

4.1 加氯系統(tǒng)變量分析

加氯系統(tǒng)需要讀取的變量有：藥罐液位、投加流量、設(shè)備的控制狀態(tài)和開關(guān)狀態(tài)、泵的頻率和沖程反饋等，寫入的變量主要有：設(shè)備的開關(guān)指令、頻率和沖程的給定，以及自動投加模式下需要從ControlLogix調(diào)用的流量和余氯。表1列舉了加氯系統(tǒng)中典型的通訊地址和標(biāo)記。

表1 加氯系統(tǒng)通訊地址和標(biāo)記列表（部分）

4.2 OPC服務(wù)

在加藥操作站搭建KEPServerEX平臺，通過以太網(wǎng)依次建立Channel和Device，成功連接加氯系統(tǒng)的西門子SIMATIC S7-200 SMART，讀取各地址數(shù)據(jù)建立Tag，參見圖5所示。同樣方法，可以將羅克韋爾ControlLogix系統(tǒng)的相應(yīng)流量和余氯數(shù)據(jù)添加進(jìn)來，從而完成基本的OPC服務(wù)配置，參見圖6所示。

圖5 在KEPServerEX上建立Tag

圖6 在KEPServerEX上配置OPC服務(wù)

由于加氯系統(tǒng)SIMATIC S7-200 SMART自動運(yùn)行時需要使用原有的ControlLogix系統(tǒng)的流量和余氯等數(shù)據(jù)，所以，在KEPServerEX中要使用Data Exchange Client工具，從而便捷的將相應(yīng)地址的數(shù)據(jù)傳入西門子PLC，參見圖七所示。

圖7 KEPServerEX的Data Exchange Client

4.3 上位監(jiān)控系統(tǒng)程序編寫和優(yōu)化

將底層控制程序直觀地反映在計算機(jī)上，方便值班人員對設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行實時監(jiān)控，并在異常狀態(tài)產(chǎn)生報警，是上位機(jī)程序編寫的目的。

首先在原有上位監(jiān)控程序RSView32中添加KEPServerEX平臺的OPC節(jié)點，在標(biāo)記數(shù)據(jù)庫中分別添加設(shè)備的相應(yīng)標(biāo)記，參見圖8所示。

圖8 RSView32中添加數(shù)據(jù)標(biāo)記

然后，繪制圖形關(guān)聯(lián)相應(yīng)標(biāo)記，形成動態(tài)畫面，參見圖9所示。根據(jù)監(jiān)控需要還可以添加數(shù)據(jù)記錄、趨勢曲線等，便于數(shù)據(jù)分析，這樣就完成了在加藥操作站對加氯系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，同樣方法對中控室的全廠監(jiān)控畫面進(jìn)行優(yōu)化。

圖9 上位監(jiān)控畫面截圖

5 結(jié)束語

通過KEPServerEX平臺的OPC服務(wù)實現(xiàn)了不同類型異構(gòu)PLC系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)讀取和交換，解決了不同PLC系統(tǒng)間的協(xié)同通訊問題，為架構(gòu)統(tǒng)一的實時監(jiān)控系統(tǒng)提供了解決方案。經(jīng)過一年多的運(yùn)行檢驗，整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、操作方便、易于維護(hù)。限于實驗環(huán)境和專業(yè)水平，我們暫時沒有對自控系統(tǒng)進(jìn)行更深層次的整合和優(yōu)化。