Opto 22 SNAP PAC系统在美国垦务局监测、控制水处理过程中的成功应用

背景： 　　位于落基山脉腹地的阿肯色河主要源头，科罗拉多州Leadville市建立于1877年，海拨10，152英尺，该市是美国最高矿业城市，以金、银、铜等贵金属资源丰富而闻名。追溯至19世纪60年代，当金和银首次在Leadville附加发现时，那起初是作为当地的一个采矿基地。在以后的几十年里，其周边地区的山坡深处遍布金属矿产。在那个年代，排出地表水和雨水很不容易，所以在采矿设施下搭建了纵向通道，使水能够流下来汇集到阿肯色河中。 　　到了20世纪80年代，大量的水聚集在弃用的矿井中，金属逐渐把水酸化。更严重的是附近的河流也被污染，当有动物经过时，其腿和脚极易被灼伤。经美国环境保护局评估后，Leadville矿区内和附近的多块区域被判为人类非安全区域，并指定为超级基金（有毒废物堆场污染清除基金）的站点。

美国垦务局建设堤坝、电厂及隧道，为超过3100百万的美国居民供应用水

Leadville隧道 　　Leadville矿井排水隧道（LMDT）于1952年竣工，由美国矿业局建造用于矿井区指定区域的排水。隧道位于Leadville市外南/东南部，全长约120，000英尺。

隧道内部

　　自1992年，开垦局（于1959年购得隧道，一直独立负责直至1996年被联邦政府解散）便进行隧道排水处理—除去溶解的金属，保证水符合管理法规和标准，能安全地流入阿肯色河道内。 　　1996年以来，Eugene Csuti主要负责该地水处理厂的自动化和电子设备。他确定、使用、维护一个复杂的过程控制系统用于监测包括水位、条件变化报警和金属筛除如镉、铅、银和锌等。系统同时调节水的PH值，降低水的浊度，在排放前对其进行净化，甚至比日常饮用水更为清洁。 　　为了实现这一目标，Csuti开始重新审查安装的Opto 22 mistic™控制平台，包括多重G4LC32控制器（自动化行业的第一代可编程自动化控制器之一）和可升级至更先进的SNAP PAC系统，它是Opto 22最新一代的硬件和软件，拥有更快和更强大的控制器，简单易懂，Microsoft�Windows�环境下编程，易于操作的HMI开发工具。因为Opto 22产品可向后兼容，Csuti能对硬件升级，利用新的特点加入指令，而不用改变运行中的现场布线和I/O。 　　Csuti与Opto-Solutions（一家工程和设计公司专业机械自动化，建筑和能源管理及其他应用等）合作，Opto-Solutions协助Csuti将整个系统升级至Opto 22的旗舰产品SNAP PAC系统平台。新系统拥有Opto 22著名的分布式架构，装有与多个I/O通讯的独立控制器，用于监测和控制上千个点。Opto 22 的I/O拥有罕见的独立I/O处理器，能进行时间关键性、密集处理和重复任务，如高速计数、输入闭锁、积分计算及最出色的PID回路控制。

LMDT的控制室

PID控制 　　部分Leadville的处理过程包括添加硫酸和其他化学试剂以固化污染物，最终能像淤泥一样被抽出去。使用PID回路控制有效调节了硫酸注入过程并保证了水的PH值在正常范围内，约7.8~8。 　　“我们的Opto系统连接化学加料器，PID控制加快或减慢注入速度，保持PH值的准确”，Csuti解释道。 分布式架构 　　值得注意的是，PID回路控制的这个过程不依赖Opto 22 PAC控制器来执行，而是通过远程处理器（也被称作智能处理器）实现的。将整个设备中的控制器层的PID回路控制的密集运算下放到I/O机架上的智能处理器，能有效推动控制至I/O层，同时这种分布式架构为Csuti提供了许多优势。Opto—Solutions总裁Anthony Dern定时与Csuti就使用和支持的问题进行磋商， 　　他解释道：“有了Opto的分布式SNAP PAC系统，中央控制器能运行控制程序或‘策略’，并代表远程智能处理器的许多功能—从简单的I/O读写到更复杂些的功能如高速计数、脉冲、测量及热电偶线性化等。因此，SNAP PAC系统能降低系统内的故障几率，例如若主机PAC以任意形式出现故障，你仍有单独单元可继续进行操作，永久地不停顿地执行系统各自的任务。” 　　在Csuti的案例中，这意味着，如果中央控制器停转、离线或因为任何原因不运行，所有分布在整个设施中的SNAP PAC智能控制器不会受到影响，将继续执行他们的PID计算和对规定水的计量。 　　Opto分布式架构的另一个优势在于布线，如Csuti的水处理操作发生在大规模设备中，一个主控制室与6个远程I/O通讯，面板加2个远程站点通过光纤通讯。这些都是有线连I/O，控制阀门开关、设备开关及仪表监测。在白天的开关过程中，系统操作状态是手动，面板则用于本地控制。而在晚间和节假日，系统切换至自动状态，同时控制室优先。因此，布线实际上需要2个不同的地点，同时，对于设备大于2500个I/O点的集中控制，需建立起并管理众多远距离布线的运行。所有这些都决定了分布式架构才是最佳的选择。

超过2500个Opto 22 SNAP PAC系统I/O点24h监测和控制水处理过程

并行布线 　　这一水处理应用中独特的一面是，升级至SNAP PAC系统意味着Csuti需要对整个设备进行并行布线，通过安装新的的硬件同时和旧硬件并行与I/O相连，逐一复制现有架构。尽管这种方法比一般硬件移除替换更费时，在LMDT中的操作性质及这些操作对健康、周围居民和环境产生的巨大影响决定了没有其他的选择。 　　“我们厂里的设备全年无休，每天约处理280万加仑，我们的水处理操作关系着这个社区，” Csuti说道。“我们处在不能长时间关闭任何设备的状态下，因此在系统升级方面，我们没有很多选择。复制每条线路的确是件棘手的事。在厂的各个位置我们都装有I/O和应急配件。” 　　但是最终的升级将是值得的，因为新的系统的速度将是原来的100倍，且具有较好的PID处理能力，并提供高密度的I / O，能为当局节省很大空间。 　　整个控制系统是并行配置，Csuti能从其旧的mistic架构切换至他的新SNAP PAC架构，微调至他所需要的操作详细和参数上。新系统的功能使得Csuti估算并标记出必要的调节。他也可以切换回旧系统并做出相应调节，仍保持设备的可操作性。Csuti计划继续像这样系统倒转直至系统正常，以后他将彻底卸除旧系统—包括控制器、布线、底板、模块和其他硬件。 故障报错，报警和可靠性 　　监察当局继续监测Leadville内及附近的水域。若水中金属量超标，或水质不干净，当局将面临重罚。为了避免处罚，Csuti设计的控制策略指定若有任意过程不符合设定的操作规定，控制系统将发布指令将排出的水从河道内转移至确认的池塘内直到问题纠正，系统重启。 　　类似地，当水厂监测处于自动模式，若发现一个阀门位置错误或模拟量读数超过参数范围，控制策略会对系统尝试重启操作。若系统无法正常重启，整个过程安全有序的关闭。若遇紧急情况如自主拨号激活，拨打如下之一的电话（管理者、操作员、机械专家或电气专家Csuti），使其可以快速知晓并迅速抵达现场。 　　Opto 22系统还监测发电机组的停电—若有任何事件发生，发送即时通知—不间断电源供应保证控制器和控制策略时刻运行。 　　“大规模的编程使得系统能对许多不同的情况和描述做出响应，” Csuti说道。“我们策略的复杂性—其中接近80项—决策的制定需要它们，使得我们的系统构成一个逼真的整体。”

1       简单易操作

SNAP PAC系统由四个部分统一整合而成：软件、控制器、智能处理器和I/O。系统建立、调试程序，以及故障维护都更简便，大大减少了系统开发及投入运行的时间。

2       更低的长期成本

SNAP PAC系统的成本低于许多PLC系统，并且由于软件是免费的，您不需要投入高昂的费用，便可投入使用该系统。我们为您提供免费的培训以及技术支持，因此对于设备的整个使用期来测试，系统成本会大幅降低。

3       适用于多类自动应用的SNAP PAC系统

SNAP PAC系统功能强大。一套系统，便可用于多个自动化项目中，帮助您完成过程控制、离散自动化、能耗管理、数据采集，甚至远程集中监控。

分布式智能，帮助您随时随地方便地添加I/O。拥有了有线/无线控制器及I/O，您就可根据实际所需，将有线网络转换到无线网络，或者立即实现两个网络的通讯。

灵活的硬件让您无需浪费更多的投资，节省了金钱及时间。

4       高级编程工具

SNAP PAC系统的编程方式采用直观的流程图，也可运用更高级的脚本语言，或者结合两者一起使用。这两种方法所包括的指令，用于标准的过程控制以及离散自动化的功能块、浮点型数字、串行处理、排列、子程序、指针变量等，其他的高级工具用于复杂的应用。

5       连接到第三方软件及设备

SNAP PAC控制器及智能处理器，支持OPC、Modbus/TCP、EtherNet/IP。可简易地将数据导入到SQL数据库系统，并直接从硬件发送邮件。该系统也可以简单地使用Modbus、DNP、BACnet、CAN或任意基于串口的设备、仪器，进行通讯。

6       业界最好的I/O

凭借着业内最佳的保障：多数SNAP I/O模块终身保用。每个模块出厂前都经过独立测试，而不是抽样测试。SNAP PAC系统可以配置从几个I/O点到数千个I/O点。您可按需，根据信号类型，选择高可靠性的模拟量、数字量、串口模块。电压、电流、交流、直流、热电偶、RTD、电源检测器、RS-232、RS-485、Profibus、运动控制、应变测试等等，都可与SNAP PAC系统一同连接。

关于SNAP PAC系统

SNAP PAC系统是Opto 22公司出品，软硬件集成的系统，用于工业控制、远程监控、数据采集等应用。简化了对自动化系统了解、选择和采购的复杂过程，SNAP PAC系统由以下四部分组成：

PAC Project 软件套件－－－－简单易用的基于流程图的编程方式、HMI（人机界面）、可选的OPC客户端以及数据库连接软件。

SNAP PAC控制器－－－－独立式和基于机架式的工业控制器；有线/无线模块可选。

SNAP PAC智能处理器－－－－智能I/O处理器，用于分布式控制。也可选择有线/无线模块。

SNAP I/O－－－－模拟量、数字量、串口量、特殊功能I/O模块，可与现场设备、仪器、传感器相连接。所有I/O模块可交替与标准的以及有线/无线智能处理器一同工作。

这四个简单，又具有很大灵活性的系统组成部件，可处理任何情况，从最基本的设备监控到完整的工厂自动化。

通讯网络及协议

SNAP PAC系统自带Ethernet网络协议，因此您无需担心成本，以及额外添加网络通讯卡的麻烦。系统中的分布式I/O可运行在以太网或串行网络，也可同时运行于两个网络。另外，您可以与大量的串行设备通讯，例如条形码阅读器、RFID阅读器、串口显示器、modem等。

由于SNAP PAC系统运行于标准的Ethernet网络，可直接与计算机、基于Ethernet的设备相互通讯，使用标准的协议包括TCP/IP、UDP/IP、邮件传输协议SMTP、网络管理协议SNMP、Modbus/TCP、及用于Allen-Bradley PLC系统的EtherNet/IP等。

关于OPTO 22

Opto 22公司研发并制造应用于工业自动化、能耗管理、远程监控、数据采集的软硬件设备。Opto 22的产品是标准化的，用于商业网络及计算机技术中，以简单易用、创新、高品质、高可靠性而闻名世界。Opto 22的输入/输出以及控制系统，允许客户从所有的设备、电子仪器仪表监测、控制、采集数据，这些都是项目运行的关键。Opto 22产品适用于自动化终端用户、OEM，信息技术及操作人员已经为全球10,000套设备安装了该产品。公司始建与1974年，总部位于美国加州的Temecula。Opto 22的产品通过全球网络的分销商及系统集成商出售。预知更多信息，请联系Opto 22上海代表处，电话：021-58358249，邮箱：optochina@opto22.com。网址：www.opto22.com.cn。