基于SCADA系统的井群远程控制系统设计与应用

一座利用黄河水的侧渗补给开发地下水源的石佛水厂，沿黄河滩十余公里，为了确保供水生产的安全、可靠、连续，针对水厂制水过程的特点和控制系统的功能要求，采用罗克韦尔自动化基于PLC的SCADA系统。 1 控制系统的功能和需求 1）可靠性、安全性。由于各个井作为水厂的原水，它的控制系统安全性、稳定性直接影响到水厂能否正常向市区供水。因此，我们在系统中的通信设备、一次仪表及控制设备和程序编程等各环节都必须提高可靠性。 2）远程监控功能。因井群分布很散，无人职守。为了降低劳动强度，操作人员能够在厂调度室根据供水需要进行远程无线操作控制，同时能够监测到各深水井的运行参数，从而实现集中监控。 3）可维护性。在系统软件、应用软件和硬件方面要具有强大的报警和故障自诊断功能，以便工程技术人员对系统故障进行分析和维护。 4）可扩展性。系统应采用具有一定标准及应用较广泛的硬件设备，主要是考虑系统发展扩大，为以后系统的连接打好基础。 5）以逻辑控制为主。对井群输水泵的控制，一般采用逻辑控制。而逻辑控制是可编程序控制器的传统应用领域，因此这也是目前各水厂控制系统广泛采用PLC的原因。 6）开放性。随着计算机技术和网络技术的发展和应用普及，人们越来越需要过程控制系统与管理信息系统交换信息，从而实现管理与控制一体化。尽管各控制系统生产厂家在现场控制器模块级还不能完全开放或通用，但必须要求上位机监控系统具有开放性，例如：监控系统应基于微软公司WindowsNT、2000或9X平台，支持各种规范协议如OPC、ODBC、ActiveX、DDC等。 7）丰富的画面显示功能。在各操作终端显示的画面有工艺流程主画面、工艺流程分画面、高低压供电监控画面、设备操作画面、趋势图、报警画面等。使操作人员通过这些画面可以全面的了解系统运行情况，并方便的对各个井站进行远程操作。 8）报表、查询功能。要有历史数据查询功能、报表打印功能。对井群运行参数有完整的历史数据存储，一般要求15分钟存储一次数据，以便查询和相关的统计分析。同时能够打印生产日报表和生产月报表。 9）具有故障诊断与报警处理功能。对系统中的特殊运行状态如：上电情况、通讯状态、水泵运行状态、本地/远程状态等，当这些特殊状态位发生变化时，应及时报警。同时要记录这些状态位发生变化时的有关信息。如：故障标签名称、报警信息、故障报警时间和报警确认时间等，并对报警信息进行管理。 2 控制系统的构成 2.1 通讯组网 由于井群有46个井点，它们的地理位置十分分散，地域分布广泛，适合采用无线通信方式。石佛水厂井群监控系统选用新西兰TAIT公司生产的T2000ⅡS数传电台，该电台坚固耐用，接受灵敏度高，抗干扰能力强，数据传输转换时间快的等优点，并且该电台提供标准RS-232接口，可直接与计算机、PLC等数据终端连接，实现透明传输。系统使用的频率224.75MHz，以单频半双工的通讯方式工作，功率5～10W可调。A-B公司的1747-KE、DH-485/RS-232接口模块，是在DH-485通讯网络和采用Allen-Bradley DFI通讯协议的RS-232设备之间提供一座桥梁，当它与调制解调器一起用于SLC500框架中时，于是把SLC500用作一个远程终端站。DFI协议是A-B公司PLC系统广泛支持的通讯协议，包括各系列PLC系统及装有RSLinx通讯软件的计算机持DFI协议，它的通讯速率从110bps到19.2Kbps可组态。通过该协议可以构成基于PLC的SCADA系统。石佛水厂无线通讯SCADA系统采用的是点对点半双工主从通讯模式，PLC作为主站采用DFI半双工主通讯方式，其它井点SLC作为从站采用DFI半双工从通讯方式，主站PLC采用对各从站轮询的方式实现数据交换。 2.2 控制系统硬件 石佛水厂监控系统采用两种通讯方式，既DH₊网和无线通讯。其中DH₊网应用于厂内各PLC控制器及计算机操作站之间的控制层通讯。DH₊网采用屏蔽双绞线进行通讯，具有连接方便，通讯距离远的特点，是PLC通讯应用很广的工业网络，在通讯速率为57.6K波特率下，不加中继可达1万英尺（3040m），加中继可达12Km，DH,₊网可挂接64个控制器。现厂区内有厂调度室、送水泵房、加氯间和双阀滤池四个监测站，各站均采用PLC5/40控制器，主要完成生产数据采集、实时通讯、故障报警等功能。其中厂调度室站的PLC1控制器作为SCADA系统的主站还用于控制和监测各井站的运行状况。 厂调对于井群的远程监控采用无线通讯，它是采用具有SCADA功能的DFI主从通讯协议，PLC1控制器通过其标准RS232口与数传电台相连来实现无线通讯，其通讯速率为1200波特率。每个井点均采用小型可编程控制器SLC5/02，主要完成采集各井运行数据、远程控制、实时通讯、故障报警等功能。 2.3 控制系统监控组态软件的配置及功能 操作系统选用Windows NT Server 4.0中文版。组态软件选用罗克韦尔自动化软件公司的组态软件RSView32和连接现场设备的通讯软件RSLinx。运用组态软件，可以方便地构造适应自己需要的数据采集监控系统、编制系统的流程图、数据表格、报警画面、实时数据及历史数据趋势图、控制画面等，在任何需要的时候把现场的信息实时地传送到调度室，并实时地把控制命令发送到现场数据终端，保证信息在整个系统网络中畅通无阻。另外，VBA作为内置编程语言，可以最大限度的实现对RSView32项目的扩展和自定义。 编程软件选用Visual Basic 6.0，进行管理软件开发。主要完成实时的数据库组态、历史数据库组态，对采集的数据建立数据库，进行存储。以实现历史数据查询，曲线显示，并可生成各种趋势图。以及报表的生成和打印。 3 系统设备的安装和维护 PLC设备在系统运行中是非常可靠的，据有关资料统计，在PLC控制的系统中，系统故障的95％发生在PLC外部，5％发生在PLC内部。而在PLC内部故障中，有90％是发生在I/O模板中。因此在安装和维护中，应重点注意外围电路。包括一次仪表、电源、继电器以及信号连接线等设备。 1）电源。稳定的电源是整个系统可靠运行的基础。电网的冲击，频率的波动都将直接影响实时控制的精度和可靠性，有时会对系统带来毁灭性的破坏。因此，PLC系统电源应采用隔离变压器、交流稳压器或UPS电源等。同时，输入和输出的电源应分别安装开关和保护装置。 2）设备机箱。由于PLC工作在环境恶劣，应将PLC安装在坚固的机箱内，要防尘、防水。机箱表面要做良好、牢固的处理层，以防止生锈腐蚀。 3）避雷保护措施。在PLC箱内设置避雷设备，如交流电源输入避雷保护器，传感器信号线避雷保护器，传感器电源避雷保护器等。天线铁塔安装避雷针，并敷设避雷接地网，避雷接地网接地电阻＜4Ω，设备接地电阻＜10Ω。 4）抗干扰处理。工业现场的环境比较恶劣，存在着许多高低频干扰，这些干扰一般是通过与现场设备相连接的电缆引入可编程控制器的。除了接地措施外，在电缆的设计选择和敷设施工中，应注意采取一些抗干扰措施。模拟量信号属于小信号，极容易受到外界干扰的影响，因此，应选用双层屏蔽电缆。PLC之间的通讯电缆频率较高，一般应选用厂家提供的电缆，在要求不高的情况下，可以选用带屏蔽层的双绞线电缆。 5）系统接地的要求。PLC系统接地要求比较严格，最好有独立的专用接地系统，还要注意与PLC有关的其它设备也要可靠接地。但是，多个电路接地连接在一起时，会产生意想不到的电流，导致逻辑错误或损坏电路。