劉振汗
摘要： 本文介紹了南洲水廠自動化控製係統的結構及組成，以及設計考慮的主要問題；係統有效的解決了多種工業現場總線互聯以及遠程通訊等問題，
關鍵詞： 水廠，自動化，現場總線，通訊
南洲水廠是廣州市自來水公司第一間具有深度處理的全自動化的 100 萬 m3/d 飲用淨水生產廠，其自動化係統要求以安全可靠、優質供水、節能降耗、管理方便為設計原則，從實際出發，使水廠儀表檢測和自動化控製達到國內同行先進水平。係統設計綜合考慮了設備、儀表的性能、特點以及水處理工藝要求和整個自控係統的可擴展性及兼容性等問題，為本監控係統的正常運行提供保證。
1. 係統網絡結構
南洲水廠廠內監控係統主網采用以光纖為傳輸介質、遵循 TCP/IP 協議的（10M/100M，環網）工業以太網為主幹網絡，現場主要設備采用獨立 SLC 控製，采用 DeviceNet 等現場總線將其聯接構成現場控製層； 水質儀表、 電類計量儀表、 高壓綜合繼電保護及測量等設備通過 Modbus現場總線構成現場檢測網絡，並與主控 PLC 連網；主控 PLC 通過交換機連於全廠主網。
控製排泥車等移動設備的小型 PLC 通過低功率、近距離的無線傳輸設備與子站主控 PLC 通訊。水廠與 30km外的取水泵站則通過 VPN 及無線方式通訊方式，監測源水泵站狀態。水廠內部監控係統以多任務平台上的實時監控、開發和管理軟件組成工控局域網和管理以太網。監控係統框圖見圖一所示。
2. 設備控製方式
各受控設備具有就地（就地一步化） 、調試（就地無聯鎖） 、停、遠程控製（由上位機進行一步化開停機或分步調試）功能。
權限級別從高到低依次序為：停、調試、就地、遠程控製。
取水、送水及 110KV 變電站為有人值守站。其他按無人值守站考慮。
南洲廠區、取水站、公司調度室無線通訊采用廣州市自來水公司現有 230MHz 係統和電信GPRS/ GSM 方式，在三地間通過電信 ADSL 專線，進行數據傳送；有線與無線互為備用，自動切換，正常以有線為主。通訊係統結構見圖 2 所示。
南洲水廠、西海取水泵站之間的數據傳輸采用 VPN 方式，GPRS 作為數據的備份傳輸方式。
南洲水廠與西海取水站之間的通信以 ADSL 方式為主，南洲水廠采用固定 IP 的 ADSL 專線，西海取水采用動態 IP。在 ADSL 通信鏈路上麵建立 VPN，采用硬件 VPN 網關作為 VPN連接方式，進行信號傳輸。
3. 現場控製站
根據工藝流程的分布和水廠總平麵布置，分別在取水泵房控製室、藥物投加室、濾池和反衝洗泵房控製室、深度處理控製室、變配電及送水泵房控製室、汙泥處理控製室等設置六個現場控製站，其主要功能如下：
1）取水泵站（PLC1）
用於取水泵站的工藝參數、電氣參數、設備狀態的采集，根據工藝過程要求通過網絡對水泵等上述設備進行控製。水泵機組等由小型 PLC 控製。係統通過總線采集泵組及其他用電設備各類參數，PLC1 現場控製站站內 PLC通過無線係統水廠送水/中控室調度通訊。
2） 藥物投加係統（PLC2）
各藥物投加係統由獨立供貨商或係統集成商成套提供，PLC 完成係統內各子係統的控製；通過 DeviceNet 或以太網網絡與各子係統控製器交換數據；通過網絡電纜與投加係統裏的電力監測器連接以采集其數據。
3）沉澱池及濾池係統（PLC3）
沉澱池及濾池係統控製排泥車、濾池及其反衝洗設備。主要負責協調各濾池反衝洗控製，與各格濾池就地控製櫃內小型 PLC通過現場總線進行通訊。
4）深度處理（PLC4）
PLC4 現場控製站用於深度處理設備的控製，並通過現場總線和 I/O 與成套設備通訊，主要包括碳濾池係統、製氧、臭氧係統。
5）送水泵站及變電站（PLC5）
PLC5 現場控製站用於送水泵房、總出水、變配電係統的工藝參數、電氣參數、設備狀態的采集，根據工藝過程要求對送水泵組、出口閥、配電等設備進行控製。通過 DeviceNet 總線與控製泵組的小型 PLC 聯網，對其完成測控，通過總線采集泵組及其他用電設備各類參數，通過無線係統與取水泵站 PLC 通訊。水泵等由小型 PLC 獨立控製。變電站供配電係統為兩路 110kV進線，內橋結線，二台站變，其監控及保護係統通過 Modbus 總線與主PLC 通訊。
6）汙泥處理係統（PLC6）
PLC6 現場控製站用於汙泥處理係統的工藝參數、電氣參數、設備狀態的采集，根據工藝過程要求對主要設備及相關閥門進行控製。
7) 中控室PLC7 站
PLC7 站用於中控室模擬板驅動：通過係統網絡通訊，采集接收各現場控製站檢測到的主要工藝設備工況及報警信號，送至中控室模擬板（RS232/RS485 接口） ，對其進行定時刷新，實現實時動態顯示。
現場控製站 PLC 采用美國 AB 公司產品，主控 PLC 采用 ControlLogix 係列，設備層采用MicroLogix1500 係列，兩者以 DeviceNet 網絡聯接，主控 PLC 經交換機與全廠以太網聯接。重要站點如濾池等係統采用熱備冗餘 CPU。
水廠中控室配置有數傳電台和 GRPS通訊模快
通訊調度係統軟件可以在與其它 RTU 之間的通信中選擇最佳的通信信道，使係統在總體上達到最佳的通信效果。軟件提供人工強製選擇通信信道的功能；同時負責信道的故障判斷，根據實際情況，指定 RTU 的主通信信道，當主站和 RTU 通信時，根據通信失敗次數、誤(wu)碼(ma)率(lv)等(deng)參(can)數(shu)來(lai)判(pan)別(bie)主(zhu)信(xin)道(dao)的(de)通(tong)信(xin)質(zhi)量(liang)，當(dang)主(zhu)信(xin)道(dao)出(chu)現(xian)故(gu)障(zhang)或(huo)達(da)不(bu)到(dao)要(yao)求(qiu)的(de)通(tong)信(xin)質(zhi)量(liang)時(shi)，自(zi)動(dong)切(qie)換(huan)到(dao)備(bei)用(yong)信(xin)道(dao)上(shang)工(gong)作(zuo)。當(dang)采(cai)用(yong)備(bei)用(yong)信(xin)道(dao)通(tong)信(xin)時(shi)，主(zhu)站(zhan)按(an)一(yi)定(ding)的(de)周(zhou)期(qi)檢(jian)測(ce)主(zhu)信(xin)道(dao)的(de)通(tong)信(xin)質(zhi)量(liang)，當(dang)主(zhu)信(xin)道(dao)的(de)通(tong)信(xin)質(zhi)量(liang)回(hui)複(fu)正(zheng)常(chang)時(shi)，自(zi)動(dong)切(qie)換(huan)到(dao)主(zhu)信(xin)道(dao)上(shang)工(gong)作(zuo)。
4. 係統軟件功能
本監控係統軟件采用組態軟件、模mo塊kuai化hua設she計ji，並bing具ju有you漢han化hua界jie麵mian。各ge監jian控kong站zhan數shu據ju從cong服fu務wu器qi數shu據ju庫ku中zhong獲huo取qu，以yi客ke戶hu端duan方fang式shi運yun行xing。現xian場chang控kong製zhi站zhan的de操cao作zuo員yuan站zhan的de任ren務wu是shi在zai標biao準zhun畫hua麵mian和he用yong戶hu組zu態tai畫hua麵mian上shang，設she定ding、huijihexianshiyouguandeyunxingxinxi，gongyunxingrenyuanjuciduishebeideyunxinggongkuangjinxingjianshihekongzhi。caozuoyuanzhanyaoqiujianshihuokongzhibengongyidiandeshengchanguochenghuamianjishengchanshishishuju，zhaxunhedayingezhonglishishuju：中控監控管理站作為取水、淨水、供水和汙泥處理的中心，用於全廠的數據監控和數據管理，具有各操作員站的全部內容。各係統具有以下主要功能：
1)報警處理
・報警處理
在任何時間和在任何顯示上工作站均能在畫麵頂部或底部顯示出總的報警信息，包括報警設定值(報警條件)、報警值、報警狀態、baojingshijian。zhexiebaojingxinxitongguobaojingshengyintixing，shicaozuorenyuankeyikuaisuditiaoyongyubenbaojingyouguandehuamian，yidedaokeyixunzhaoguzhangyuanyindexiangxiziliao。ruguoxuyaokeyianyaoqiutiaoyongbinganminglingfenbiedayindengjizaishujukuzhongdebaojingneirong。duiyuchangqibuzhengchangshijian(由監視人員確認後)kejinzhibaojinghedenglu。duiyuyiquerendebaojingyingdaishangbaojingfashengshibiao，cunrubaojingshujuku。duiyumoquerendebaojingyingchixufachushengguangbaojing，zhizhizhibanrenyuanqueren，haikeyijubaojingxinhaozhongyaoxingdongtaigaibianbaojingjibie。
・曆史數據的管理
操cao作zuo人ren員yuan依yi權quan限xian可ke按an要yao求qiu進jin行xing分fen類lei列lie表biao，對dui於yu變bian量liang應ying表biao明ming時shi標biao，屬shu性xing，測ce量liang範fan圍wei，實shi時shi值zhi，並bing用yong顏yan色se或huo符fu號hao表biao明ming數shu據ju性xing質zhi。也ye可ke以yi在zai表biao格ge上shang用yong“指針”選定數據點，對其設定值，測量範圍，數據性質進行修改。
・事件處理
a. 事件登記
報警、調度命令及設備操作命令、掛標記牌操作、修改設定值或寫入數據等事件都記入不可修改的“事件登記簿” 。
b. 事件檢索
操作員可在“事件檢索”的視窗中按事件類別名稱、對象名稱、事件起始至截止的日期和時間及對象編號進行檢索。
c. 事件記錄存儲
事件庫中具有足夠的容量存放事件登記，事件登記每天以數據文件形式入庫，盤區存滿後通知操作員移出另外存儲。
・人機界麵
a. 人機界麵運用開放係統的圖形窗口技術。
・畫麵顯示
a．站級顯示：包含站內整個係統及相關係統的運行狀態總貌，顯示出主設備的狀態、有關參數以及控製回路中過程變量與設定值的偏差。工藝控製圖形的總體結構形式為窗口式和分層展開式相結合。
可以用棒狀圖或線狀圖顯示曆史趨勢或當前趨勢，可選擇 1 條至 16 條實時或曆史趨勢圖(用不同顏色)在同一時間內顯示在一幅畫麵上。當前趨勢顯示根據實時原理不斷校正。 操作員可以方便地調整趨勢顯示的時間坐標或輸入範圍。
5． 組態軟件配置
組態軟件采用服務器 RSVIEW SE 版本；係統服務器配置成域控製器，並使用雙機熱備方案。
RSVIEW SE 使用冗餘設計；後台數據庫使用 SQL Server。RSVIEW SE 從各個主控 PLC 中讀取數據，再保存到 SQL SERVER 中。采用 RSSQL工具進行 RSVIEW SE 數據與 SQL Server 數據庫連接。PLC程序開發，RSVIEW SE 開發部署在 RSVIEW Studio中進行。調度通訊軟件負責與水公司調度係統的通訊。而全廠數據管理則由水廠數據管理係統負責，包括報表打印、決策分析、數據轉存和備份；管網監測軟件集成到 RSVIEW SE 的上位監控軟件中。
1）RSVIEW SE 冗餘
設計利用 RSVIEW SE 的冗餘特性可以防止軟件出現故障，同時它使操作的中斷和數據的丟失降低到最小程度。
一個分布式 HMI 係統包括 Server 組件和 Client 組件。Client zujiantigonglexitongcaozuoyuanzuoyongdejiekou，yibanshidongtaigengxindetuxingxianshi。zhexietuxingxianshimiaoshulexitongdedangqianzhuangtai，bingqieyunxucaozuoyuanjianshihekongzhiqicaozuo。tuxingxianshizhongdedongtaixinxi，baokuodongtaituhua、報警彙總、更新標簽值以及實時和曆史趨勢，都是由 HMI 係統中的 Server 組件提供，Server 同時記錄曆史數據和執行其它的後台監視和控製功能。
為使操作員能夠維護和控製整個係統，Server 組件必須給 Client 組件提供連續的信息，確保關鍵性的數據一直提供給 Client。南洲水廠監控係統 RSVIEW 采用了冗餘設計，係統在最壞情況下：Client 在 5 秒鍾內檢測到和主 Server 間的通訊丟失，在設定時間內切換到備用Server 上。一般情況下，Client 在小於 5 秒鍾內檢測到 Server 故障，然後在小於 5 秒內進行切換，連接到從 Server 上。Client在應用係統中可能根本感覺不到 Server 的切換。其切換對於 Client 是完全自動和透明的，在 Server 檢測到故障而切換到冗餘設備期間，操作員不需要采取任何措施或重新啟動 Client 軟件，就可以繼續使用係統。切換過程中，操作員可以和仍然在線的 Server 繼續保持聯係。Client 軟件仍繼續運行使用。當主 Server 重新可用時，係 統能夠自動切換回該 Server。
RSView SE 具有三種類型的 Server， FactoryTalk Directory Server：它保證了應用係統的各個部件在計算機上或者通過網絡互相訪問。
RSView HMI Server：用於儲存 HMI 部件，例如圖形顯示，並且將這些組件提供給 Client。 同時它也儲存標簽數據庫/檢測報警和記錄曆史數據。
Data Server：它充許 Client 訪問PLC 中的信息，其它硬件設備上的信息。
本監控係統的 RSVIEW SE Server 配置如圖 3 所示，每種類型的 Server 通過標準的組態選項配置冗餘，可最大保護係統安全，及數據正確，達到上述作用。
三台服務器分別配置為：第一台配置成主 FactoryTalk Directory Server、主 RSView HMI Server，第二台配置為主 Data Server，第三台則配置為從 FactoryTalk Directory Server、從 RSView HMI Server、從 Data Server。當主FactoryTalk Directory Server、主RSView HMI Serve、主 Data Server 出現故障或維護時，係統自動啟用從 Server，保證任何情況下係統正常運行。
2） 數據流程
根據工藝特點及分布式監控係統的特點，按下述規劃進行水廠數據采集及保存。
數據按兩個方麵的要求進行存儲：一yi是shi數shu據ju的de現xian場chang存cun儲chu，主zhu要yao用yong於yu數shu據ju的de後hou備bei，防fang止zhi控kong製zhi係xi統tong中zhong心xin數shu據ju服fu務wu器qi存cun儲chu失shi敗bai後hou，用yong作zuo補bu充chong或huo效xiao驗yan比bi較jiao用yong。二er是shi數shu據ju的de中zhong央yang存cun儲chu，由you數shu據ju服fu務wu器qi完wan成cheng，用yong作zuo標biao準zhun數shu據ju源yuan，作zuo為wei所suo有you的de處chu理li和he查zha詢xun用yong。
RSVIEW SE 先從各個主控 PLC 中得到各種生產數據，同時利用其標簽功能，計算合成數據，如效率、電耗等；RSSQL 采集各個 RSVIEW SE 標簽的值並保存到 SQL SERVER 中，先儲存到原始信息數據庫。
數據庫則分為以下：
a. 原始信息庫數據庫
數據定時采集，在線存儲，記錄周期可調，按一定的周期采樣，數據采用先入先出的保留形式，保存一月。
數據同時保留在本地的 ACCESS 數據庫中和 SQL SERVER 中，如圖 4。當 SQL 服務器維護或網絡堵塞時，RSVIEW SE 無法把數據存放到 SQL SERVER 的時候，數據繼續保存在當地的 ACCESS數據庫中。當故障去除後，RSSQL 再把 ACCESS 中原始信息數據庫中的數據導入 SQL SERVER。這樣充分保證了數據的連續性。
采用 RSSQL 工具進行數據抽取， 相對於使用VBA或RSVIEW SE 存取有以下優點：
z 實時性強：RSSQL 專用於工業級的數據連接、抽取工具。
層管理係統與下層控製係統建立了雙向的鏈路。
b. 實時信息數據庫
用於保存由原始信息數據庫轉換而成的數據和其它生產數據，包括天氣情況、生產調度數據、材料價格等。主要作用是用於報表處理，統計分析。並為標準數據庫提供數據源。
數據庫保存於 SQL SERVER 中，生產數據記錄周期 5 分鍾，並可保存 6 個月采取先進先出的數據更新方式。原始信息數據庫中的數據，經過檢查和過濾後，送到實時信息數據庫保存。
這些數據將作為廠內的數據標準，成為全廠所有的工控子站（包括現場子站） 、MIS 係統，對外實時數據交換的標準數據，同時也作為以後統計、計量、保存、與外界數據交換、報表生成的數據依據。
c. 標準數據庫
由實時信息庫中的內容、事(shi)件(jian)記(ji)錄(lu)和(he)報(bao)警(jing)記(ji)錄(lu)生(sheng)成(cheng)一(yi)個(ge)主(zhu)索(suo)引(yin)按(an)每(mei)天(tian)增(zeng)加(jia)一(yi)項(xiang)新(xin)記(ji)錄(lu)形(xing)式(shi)的(de)關(guan)係(xi)數(shu)據(ju)庫(ku)，還(hai)包(bao)括(kuo)以(yi)此(ci)為(wei)基(ji)礎(chu)應(ying)衍(yan)生(sheng)出(chu)各(ge)個(ge)生(sheng)產(chan)報(bao)表(biao)數(shu)據(ju)，電(dian)子(zi)文(wen)檔(dang)、打印硬拷貝等，還有各種初級統計報表如月報表，旬報表，季度報表等。標準數據庫位於 SQL SERVER 中。
3） 數據的存儲
為對水廠的數據能進行長期保存，必須定時對數據進行轉存和備份。轉存數據可人工操作，也可設置定時自動轉存，以保障數據安全, 數據可轉存、壓縮保存或刻錄到光盤。原則上按每月一次轉存和備份。並可自由選擇保存的時間範圍。采樣周期可調。
從曆史數據能夠計算最小值、最大值、平均值、標準值、偏差值、累積值和其它特殊的方程式。此外，運行程序的結果也可以存儲在曆史數據庫。
所有收集的實時數據都按時序依次存儲，對重要的過程數據和計算數據進行在線存儲，並可保存至少 48 小時。用戶可定期將這些數據轉存成曆史數據。並可根據數據的組號、測點號、測點名稱、時間間距、類型、名稱、屬性等項目來檢索所存儲的曆史數據。曆史數據保存期為兩年，可轉儲，並可依據要求進行顯示、查詢、打印等。
4）實時與曆史數據分析
根據水廠工藝運行與管理特點，建立各種重要參數的曆史知識規則庫，自動學習建立其規則知識庫；實時采集現場數據進行計算如泵站效率，供水成本，機組電耗等，自動根據數據規則庫建立水廠的重要參數的知識學習規則庫、fenxipanduanbengzushifouzaigaoxiaoquyunxing，fenxigongshuidianhaoshifouzhengchang，gongshuichengbenshifouheli，tigongshengchanyunxingguanlizhejueceyiju。keyiduimeirishengchanyunxingjieguojinxingfenxiyuchuli，tigonggejirenyuanjinxingfenxicankao。
6．結論
至 2004 年9yuetouruyunxingyilai，xitongwendingkekao，youxiaojiejueleduozhonggongyezongxianhulianjiyuanchengtongxundengwenti，manzushengchanshijixuqiu，weinanzhoushuichangdeyinyongjingshuishengchanfahuilezhongyaozuoyong。
