劉增環(huán) 張 博 吳宏圖

(河北工程大學信息與電氣工程學院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，水資源受到不同程度的污染。自來水廠運行的好壞，與人們生活用水關系密切。我國相當數(shù)量的水廠由于建廠時間較早等原因，自動化程度不高。例如水廠部分工藝流程仍采用人工方式完成或雖然各工藝采用自動控制但各工藝相互獨立，相互之間的協(xié)調(diào)仍然需要人工調(diào)節(jié)。這就導致生產(chǎn)效率不高，水廠出水質(zhì)量也不穩(wěn)定，同時浪費了大量的人力、物力。興建自動化程度高的水廠監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)刻不容緩。

對于水廠在內(nèi)的一些工業(yè)控制系統(tǒng)，最基本的要求就是可靠性高。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將造成整個控制過程的混亂，引起嚴重的后果，由此造成的損失往往超出自動化控制系統(tǒng)本身的價值［1］。實現(xiàn)可靠性的最有效方式之一就是系統(tǒng)部件的冗余。然而各種冗余部件工作的原理是什么，應當遵循怎樣的原則使系統(tǒng)在保持高可靠性的前提下盡量減少不必要的設備投入，并按要求實現(xiàn)自來水廠的綜合自動控制，這正是本文所要闡述的主要內(nèi)容。

1 自來水處理流程描述

由于水源不同，進入水廠的水質(zhì)各有不同，飲用水處理系統(tǒng)的組成和工藝流程多種多樣。該系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。

圖1 自來水廠工藝流程圖Fig.1 Technological process in waterworks

系統(tǒng)的水源地為地表水，取水泵房將地表水通過配水井打到水池，在水池經(jīng)加藥、絮凝、沉淀、過濾等工序得到清水;將得到的清水存入清水池，再經(jīng)高壓泵壓出供配水網(wǎng)配水。其中該系統(tǒng)加氯分為前加氯和后加氯。前加氯處設在配水井的入口，后加氯處為清水池的入口。該系統(tǒng)還配有排污設備，可將水池中的污泥及時排出，另一部分經(jīng)過處理返回到配水井入口處。

2 冗余設計的基本理論

通常按冗余切換方式可分為熱冗余、暖冗余和冷冗余三種形式［2］。系統(tǒng)的可靠性模型是冗余設計的基礎。熱冗余是指冗余子系統(tǒng)始終處于聯(lián)機運行狀態(tài)，平時不參與控制與輸出，當被冗余的主控系統(tǒng)發(fā)生故障時，迅速自動地接管控制與輸出。冗余按程度可分為 1∶1、1∶2、1∶n 等多種形式。并聯(lián)結構是各種控制系統(tǒng)的部件級熱冗余通常采用的結構形式。并聯(lián)邏輯框圖如圖2所示。

圖2 并聯(lián)邏輯框圖Fig.2 Parallel logic diagram

圖2中，R1、R2、…、Rn為各設備的可靠度。圖2中，單個設備的可靠度可用以下函數(shù)表示:

式中:R為R(t)即可靠度函數(shù)的縮寫形式;λ(t)為失效率(故障率)函數(shù)。

該系統(tǒng)的可靠度RS可表示為［3］:

式中:n為第n臺設備;S為n臺設備并聯(lián)構成的系統(tǒng)。

假設并聯(lián)系統(tǒng)由可靠度為0.8的2臺裝置組成，則該系統(tǒng)的可靠度由式(2)可知，表示為:

由此可見，雙機冗余系統(tǒng)可靠性顯著提高，一般可滿足應用系統(tǒng)高可靠性的需求。通過數(shù)學方式證明2臺可靠度分別為R1、R2，其中，R1，R2都大于0且小于1的情況下容易證明:

式中:max{}為最大值函數(shù)，即2臺并聯(lián)裝置的可靠度要比不并聯(lián)時的2臺裝置單獨運行時的任意一臺可靠性都大。同樣也可由數(shù)學證明先并聯(lián)(冗余)后串聯(lián)比先串聯(lián)后并聯(lián)(冗余)的可靠性高［4］。這些冗余設計的基本理論對高可靠性水廠的自動化控制系統(tǒng)的設計有指導意義

3 自來水處理綜合自動化控制系統(tǒng)

3.1 水廠控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

自控系統(tǒng)采用“集中監(jiān)控、管理，分散控制”的集散型系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由信息(管理)監(jiān)控層和現(xiàn)場控制層組成，由辦公樓里的各臺工控機和現(xiàn)場控制分站(可編程控制器PLC)組成全廠工業(yè)以太網(wǎng)。如中控室2臺監(jiān)控計算機同時出現(xiàn)故障，各現(xiàn)場分站仍能獨立和穩(wěn)定工作，從根本上提高了系統(tǒng)的可靠性。

3.2 水廠供電系統(tǒng)冗余

我國的水廠屬于供電二級負荷［5］，按規(guī)定電源供電應取自兩回路，兩回路來自不同變電站，兩回路同時使用或一條回路正常使用、另一條作為備用回路，每條回路應都能獨立地承擔全廠的供電負荷，為今后的水廠發(fā)展添加用電設備考慮還應留有適當?shù)墓╇娪嗔?。對水廠特別重要的負荷，如停電或斷電會對日常生產(chǎn)或安全生產(chǎn)發(fā)生重大影響的設備還配有應急電源。因此，該系統(tǒng)供電電源采用10 kV雙回路放射式接線方式，應急電源為“不間斷電源系統(tǒng)(uninterruptible power system，UPS)+油機”形式，為水廠系統(tǒng)提供可靠的電源支持。其中，UPS的任務主要是保證在電力系統(tǒng)突然中斷時重要設備仍能連續(xù)工作，從而為柴油發(fā)電機的啟動贏得時間。當柴油發(fā)電機啟動完畢，此后的供電任務交給柴油發(fā)電機。

3.3 信息監(jiān)控管理層

3.3.1 雙星型冗余以太環(huán)網(wǎng)

信息監(jiān)控管理層設備有2臺中控室即工控機(industrial personal computer，IPC)，廠長室工控機、工程師工控機、化驗室工控機各1臺，以及4臺網(wǎng)絡打印機和UPS設備。它們都連接到2臺交換機上構成雙星型以太網(wǎng)。相比環(huán)形以太網(wǎng)，雙星型以太網(wǎng)的特點是以后再增加主站點時比較簡單;2臺研華工業(yè)交換機HES18MC-2SC將各自的2個端口設為Trunk(端口匯聚)主干端口，并建立連接，形成一個高速的骨干鏈接，這不僅增加了骨干鏈接的帶寬，還提供了冗余功能。每臺工控機配有2塊3com網(wǎng)卡綁定，被綁定的兩網(wǎng)卡IP地址設置相同，且分別連接到2臺工業(yè)交換機上［6］。上述硬件組合配合相應的軟件設置采用了硬件偵測和負載均衡的技術，當2條線都正常時，數(shù)據(jù)均衡地從Ethernet A和Ethernet B流通;當任意一條以太網(wǎng)斷路時，則網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)將通過剩下的一條以太網(wǎng)傳遞，從雙線切換到單線的時間在10 ms之內(nèi)。當故障總線恢復后，系統(tǒng)又恢復為正常的負載均衡狀態(tài)。

3.3.2 中控室 IPC

系統(tǒng)選用研華公司的工控機(IPC-610H/雙核E7400/2 G/320 G/DVD)作為中控室IPC。該工控機性能穩(wěn)定可靠、性價比高。其操作系統(tǒng)為Windows XP，并裝有監(jiān)控組態(tài)軟件組態(tài)王6.53。組態(tài)王編程風格簡潔、實時性好，組態(tài)王與其他支持動態(tài)數(shù)據(jù)交換的應用程序如Excel和VB等交換數(shù)據(jù)比較方便。組態(tài)王完全基于網(wǎng)絡的概念，具有客戶-服務器模式，共有I/O服務器、報警服務器、歷史記錄服務器、登錄服務器、Web服務器和校時服務器6類服務器。它們可以分別在基于TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議的網(wǎng)上運行，客戶端可以訪問這些服務器。一個站點被定義為服務器的同時，也可以被指定為其他服務器的客戶。當然幾種服務器也可同時運行在一臺工控機上，該系統(tǒng)就是采用這種方法。系統(tǒng)具備生成Web頁面的功能，采用瀏覽器和服務器結構，水廠負責信息管理監(jiān)控的工控機，如廠長室工控機、工程師室工控機以及遠在水廠外的辦公人員計算機可以通過安裝普通的瀏覽器以及JRE插件就可以瀏覽監(jiān)控畫面，使以太網(wǎng)的其他授權用戶可以對現(xiàn)場工藝實施相應權限的監(jiān)控。

中央室的2臺工控機采用了雙機熱備的配置。其共同監(jiān)視和控制下位各個PLC的運行信息，從而控制現(xiàn)場各設備的啟動和停止。雙機熱備的構造思想是主機和從機通過網(wǎng)絡連接，正常情況下主機處于工作狀態(tài)，從機處于監(jiān)視狀態(tài)，一旦從機發(fā)現(xiàn)主機異常，從機將會在很短的時間內(nèi)代替主機，完全實現(xiàn)主機的功能。需要注意的是，當主從機都正常工作時，主機從設備采集數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生報警和事件信息;從機通過網(wǎng)絡從主機獲取實時數(shù)據(jù)和報警信息，但不會從設備讀取或自己產(chǎn)生報警信息。主從機各自記錄變量歷史數(shù)據(jù)。同時，從機通過網(wǎng)絡監(jiān)聽主機，從機與主機之間的監(jiān)聽采取請求與應答的方式，從機以一定的時間間隔(冗余機心跳檢測時間)向主機發(fā)出請求，主機應答表示工作正常，主機如果沒有做出應答，從機將切斷與主機的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸，轉入活動狀態(tài)，改由下位設備獲取數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生報警和事件信息。此后，從機還會定時監(jiān)聽主機狀態(tài)，一旦主機恢復，就切換到熱備狀態(tài)。通過這種方式，可實現(xiàn)雙機熱備控制。2臺中央室IPC通過RJ45雙絞線連接到西門子的1臺交換機 (optical switch module，OSM)(光交換模塊)。

3.3.3 工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)

系統(tǒng)一共由4臺西門子交換機OSM ITP62構成，通過光纖組成光纖以太環(huán)網(wǎng)，模塊間的連接使用玻璃光纖，傳輸速率為100 Mbit/s。OSM是具有冗余管理功能的工業(yè)級交換模塊，每條環(huán)上最多允許有50個OSM模塊。為了構成光纖冗余以太環(huán)網(wǎng)，它們都應設置成冗余環(huán)網(wǎng)使能態(tài)，其中一個且只有一個需設置為冗余管理器，以管理冗余網(wǎng)。環(huán)網(wǎng)在正常狀態(tài)下，冗余管理器的其中一個冗余環(huán)口為斷開狀態(tài)，整個網(wǎng)絡為一種線性結構。冗余管理器監(jiān)測到環(huán)網(wǎng)上的一處網(wǎng)線斷裂或一個交換器故障時，它會通過一個替代路徑變成另一種線性結構。問題排除時又可恢復為原有的線性結構。系統(tǒng)重構時間小于300 ms。

在以太網(wǎng)上還配置有大屏幕背投，方便工作人員監(jiān)控自來水處理的工作流程。4臺網(wǎng)絡打印機分布在中控室，其中1臺設置在化驗室作為報表打印機使用，另外3臺分別作為報表打印機、報警打印機和硬拷貝使用。

3.4 生產(chǎn)控制層

3.4.1 水廠控制站點的劃分

劃分水廠控制站點考慮的因素有水廠生產(chǎn)管理的要求、生產(chǎn)工藝流程的復雜程度、信息量的多少和建筑位置等。因此，可將控制分站劃分為取水泵房站，加氯加藥控制站，絮凝、沉淀、過濾和污泥綜合泵房所組成的站以及送水泵房站。每一個控制分站采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息并上傳至水廠信息監(jiān)控管理中心，同時接受水廠信息監(jiān)控管理中心發(fā)出的控制命令，控制現(xiàn)場各種自來水處理設備。每一個監(jiān)控分站都具有獨立的操作系統(tǒng)，它們既可由水廠分控中心控制，也可獨立工作脫離系統(tǒng)運行。

3.4.2 遠程取水泵站

由于取水泵站離水廠約為3 km，距離較遠，而采用光纖鋪設連接到廠房控制中心價格較貴，因此可以首先考慮無線通信方式。遠程取水泵站選用西門子PLC S7-200。CPU226有2個RS-485通信編程接口，支持點對點通信協(xié)議和多點接口通信協(xié)議并具有自由方式通信能力。其中一個接口接附近現(xiàn)場的水位、流量等傳感器，另一接口和西門子無線通信模塊SINAUT MD720-3相連接。當 GPRS無線數(shù)據(jù)終端 DTU進入GPRS網(wǎng)絡時就自動附在 Internet上［7］。該系統(tǒng)的終端DTU通過傳感器對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行實時采集和處理，然后把現(xiàn)場采集到的實時數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡。利用TCP/IP傳輸方式，以IP包的形式由GPRS網(wǎng)絡發(fā)送到Internet網(wǎng)，并通過路由選擇和調(diào)制解調(diào)等處理進入該水廠中控室工控機上進行數(shù)據(jù)接收處理，同時，中控室工控機擔負著向遠程取水泵站S7-200 PLC工作站發(fā)送相應控制指令數(shù)據(jù)的任務。此外，為保證通信鏈路在無線通信中斷后仍能與廠房聯(lián)系，系統(tǒng)還配備了電話線的連接方式作為通信備份。

3.4.3 水廠內(nèi)部控制站

水廠內(nèi)部設有3個監(jiān)控站，分別為加氯加藥控制站，絮凝、沉淀、過濾和污泥綜合泵房所組成的站以及送水泵房站。水廠內(nèi)部采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)進行互聯(lián)，3個監(jiān)控站之間的通信遵循相應的TCP/IP協(xié)議進行相互通信。水廠控制網(wǎng)絡結構如圖3所示。

圖3 水廠控制網(wǎng)絡結構Fig.3 Structure of waterworks control network

圖3中，加氯加藥泵站和送水泵站各有1個控制器S7-300 PLC，對于氯池、排泥等信息量大、可靠性要求高的站點采用2個西門子S7-400H來控制。S7-400H按冗余方式設計，主要器件如中央處理器CPU、連接兩CPU的同步模塊和光線以及電源模塊都設計成雙重器件。

S7-400H采用“熱備份”模式的主動冗余原理，當發(fā)生故障時，能夠無擾動地自動切換。無故障時2個子單元都處于運行狀態(tài)，一旦發(fā)生故障，正常工作的子單元能獨立完成整個過程的控制?？刂茊卧c遠程I/O單元之間的通信由2條多模光纖構成的冗余現(xiàn)場總線Profibus DP完成，采用ET200M作為Profibus的從站。遠程分站I/O本身沒有CPU，它是通過Profibus DP總線由S7-400H控制的。作為PLC硬件組態(tài)的一部分，遠程分站I/O用Step7來組態(tài)。通過供貨方提供的電子設備數(shù)據(jù)庫文件(generic station description，GSD)文件，可以用Step7將其他制造商生產(chǎn)的從站設備組態(tài)到網(wǎng)絡中。Step7的應用程序訪問分布式I/O與訪問PLC的中央機架中的I/O模塊相同［8－9］。

觸摸屏的操作十分方便，用戶只要用手指輕輕地觸摸計算機顯示屏上的圖符或文字就能實現(xiàn)對主機操作［10］。它還具有堅固耐用、反應速度快、節(jié)省操作按鈕等特點。系統(tǒng)應用戶對大屏幕的要求，觸摸屏型號選為MP370 12英寸(1英寸=25.4 mm)Touch，與PLC配合使用十分靈活，提高了用戶的工作效率。

全廠設備的控制可以通過以下3種方式完成。

①就地手動，優(yōu)先級最高。當現(xiàn)場轉換開關處于“手動操作”時，PLC的控制被屏蔽。主要現(xiàn)場設備均可在就地按鈕箱或現(xiàn)場控制箱上實現(xiàn)手動/自動切換及啟停等人工操作。

②遠程PLC自動控制。利用PLC的邏輯控制功能，提供設備的自動、關聯(lián)設備的聯(lián)動，以及連鎖控制和閉環(huán)控制。各分站管轄的區(qū)域設備以這種控制方式為主。

③中央監(jiān)控站中控。中央監(jiān)控站通過人機操作界面對全廠的設備進行遠程控制，實現(xiàn)宏觀調(diào)控，處理局部的停機事故和緊急狀態(tài)，維持系統(tǒng)的總體協(xié)調(diào)。

控制站PLC在手動/自動/中控切換中具有無擾動切換功能。

4 結束語

該設計通過對冗余理論的分析，對水廠的供電系統(tǒng)、通信設備、中央控制計算機和控制器采用冗余控制技術。取水泵站采取無線GPRS遠程監(jiān)控和電話線作為備份的控制方式，使整個水廠各工藝環(huán)節(jié)的監(jiān)控信息相互協(xié)調(diào)和聯(lián)系，實現(xiàn)了高可靠性水廠的綜合自動化控制。

系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，日常工作中可以實現(xiàn)現(xiàn)場無人值守、總站少人值班。

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