水處理過程微機監控系統的研究
概述
純凈水是特殊行業至關重要的生產物資,如電廠鍋爐用水等。純凈水在水質、水壓、流量等方面的要求是非常嚴格的。目前我國很多水凈化的自動化程度還不是很高,對供出的純凈水水質、水壓、流量等數據的采集和監測還只是人工的定時巡檢,不能實時準確地進行監控,嚴重影響供水的質量,而且,若出現了質量問題也只能根據人工抄表的數據進行核對,由于存在人為的因素,對及時發現問題和解決問題不利;同時,人工抄表的數據不利于數據的及時匯總和形成報表,不便于管理人員和質量控制人員根據報表進行決策。如果對整個水處理實行全過程微機監控,對各個參數進行24ｈ實時監控,那么有利于形成報表以供決策。綜上所述,在水凈化系統實行全過程實時監控是很有必要的。
1 微機監控系統的工作原理
整個微機監控系統的框圖如圖1所示。微機監控系統須采集和監測的輸入信號共計有512個,包括:原水量、純水量,各個采樣點的瞬時流量、電導率、電壓、電流、閥的開度、壓力、溫度、電耗、水位、過載信號、控制反饋信號等,通過各種傳感元件、一次儀表或其他方式進入系統。控制輸出信號共有192個,包括電機、電磁閥控制、電動閥控制等。
輸入信號從總體上可分為三類:開關量信號、模擬量信號、脈沖信號。開關量信號包括由浮球式水位儀接入的水位信號、由反饋觸點接入的控制反饋信號。模擬信號包括由液位傳感器接入的液位信號、由電導率表接入的電導率信號;由互感器接入的電壓、電流信號;由位置感應器接入的閥度信號等。以上信號均為(4～20ｍＡ)電流信號。脈沖信號包括由脈沖流量計接入的水量信號,由脈沖式電度表接入的電耗信號等。其邏輯"0"電平為1Ｖ以下,邏輯"1"電平為3.5Ｖ～30Ｖ。輸出信號包括19臺水泵、加藥泵的驅運控制,其電機功率范圍從0.5ｋＷ～37ｋＷ不等。電磁閥和電動閥門功率都很小。輸出信號均以220Ｖ進行控制。
現場信號的分布較復雜,相互距離集中在泵房、水池、處理車間等幾個工作現場,因此在系統控制方式和策略上要加以考慮。
在微機監控系統(見圖1)中采用一級2臺工控機控制,以提高可靠性,采用施耐德公司的Ｑｕａｎｔｕｍ系列可編程序控制器(ＰＬＣ)作為下位控制機,研華公司的ＩＰＣ610Ｐ工控機為主控計算機,監測數據的提取采用Ｍｏｄｉｃｏｎ的數據采集模塊,并以Ｍｏｄｂｕｓ方式連接,以提高數據的可靠性和減少布線。主控計算機之間、工控機與ＰＬＣ之間通過以太網連接,操作人員可察看工作情況和查閱報表。
2 系統的硬件設計
系統的硬件設計與選取直接關系到系統的性能。由于系統對可靠性、抗干擾性等方面的要求較高,本方案在硬件設計中采用的方法和措施主要有:
1)主控計算機是整個系統的核心,負責收集、處理、顯示各個數據監測模塊通過Ｍｏｄｂｕｓ網絡傳過來的數據,并根據處理結果做出相應的控制,在本系統中采用研華ＩＰＣ610Ｐ工業控制計算機,采用ＰⅢ1ＧＣＰＵ,通過2個以太網接口分別與交換機、可編程序控制器及各個模塊進行通訊,具有防撞擊、防震動、耐高溫等特性,其抗干擾性、可靠性都能達到系統要求。
2)可編程控制器是系統控制的主要部分,接受來自主控計算機的指令,并且通過程序邏輯向外發出控制信號,控制外面的執行機構,同時把執行機構的反饋信號以及另外的輸入信號狀態傳給主計算機,供主控計算機處理。本系統采用Ｑｕａ ｎｔｕｍ系列可編程控制器,其存儲器可達512Ｋ字以上,最多可擴展到3個機架,30個Ｉ Ｏ單元,梯形邏輯解算時間為0.3～1.4μｓ,Ｉ Ｏ的刷新時間為0.7ｍｓ,配有1個ＣＰＵ模塊,16個Ｉ Ｏ單元,1個以太網通訊模塊,其輸出均可采用220Ｖ電壓,可大大簡化控制設計,各個輸入輸出可加入保險管進行短路保護。
3)數據監測模塊集中進行數據采集和監測,并通過Ｍｏｄｂｕｓ網絡傳給主控ＣＰＵ,使得控制和線路簡單,維修方便。在本系統中采用Ｍｏｄｉｃｏｎ的輸入輸出模塊140ＡＣ系列,它是一種專用的模擬量模塊,具有雙纜接口的設備,可進行軟件配置和校準,采用Ｍｏｄｂｕｓ傳輸標準,Ｍｏｄｂｕｓ是一個事實上的工業標準主 從協議,現分別介紹如下:
ａ)簡單且安裝方便
ＭｏｄｂｕｓＰｌｕｓ雙絞線電纜和Ｍｏｄｂｕｓ連接器系統使安裝輕而易舉,作為一種自舉網絡,Ｍｏｄｂ ｕｓＰｌｕｓ是真正的即插即用網絡。
ｂ)Ｍｏｄｂｕｓ跨系列連接
ＭｏｄｂｕｓＰｌｕｓ使所有Ｍｏｄｉｃｏｎ模塊式控制器之間可相互連接,同時可與Ｍｏｄｃｏｎｎｅｃｔ合作伙伴生產的各種產品連接。
ｃ)高性能
以可預測的和確定的方式每秒傳遞20,000位至寄存器,并且包括全局數據和對等數據表,使通訊建立和初始化簡便易行。
ｄ)維護容易
診斷程序和ＬＥＤ正常 故障狀態指示可使現場人員很快修復網絡故障。
ｅ)通訊編程容易
無論是簡單的984梯形邏輯ＭＳＴＲ指令或Ｃｏｎｃｅｐｔ中的ＩＥＳ1131等功能,均能較容易應用于通訊和綜合網絡診斷等事件的初始化。主計算機用ＮＥＴＢＩＯＳ可兼容軟件庫實現ＭｏｄｂｕｓＰｌｕｓ,該庫可在主應用程序中調用。每個ＭｏｄｂｕｓＰｌｕｓ主機接口都配有合適的軟件庫,提供給所有主要的平臺和主要的操作系統。其他器件如網絡、中繼器等使網絡的設計與執行更靈活。網絡使單個ＭｏｄｂｕｓＰｌｕｓ網絡能夠連在一起,從而使總的可尋址節點的數超過16,000,000。雙絞線中繼器可使通訊距離長達1820ｍ左右。
主控計算機與可編程控制器之間采用以太網接口通訊協議,與各個模擬量采集模塊之間采用ＭｏｄｂｕｓＰｌｕｓ通訊協議。ＭｏｄｂｕｓＰｌｕｓ協議是特別為滿足工業控制要求設計的主 從標準。具有通訊距離長、傳送速率高、連線少、連接容易的特點,是工業上使用最廣泛的雙向有補償傳輸線標準。
3 系統的軟件設計
系統軟件采用組態軟件,采用ＧＥ公司的ＩＦ ｉｘ2.6ＣＰｌｕｓＳＣＡＤＡＰＡＣＫ900Ｒ Ｔ工控組態軟件,安全能力包括使用跟蹤數據輸入和報警確認的電子簽名、一個可以使ＩＦｉｘ安全特性與操作系統安全特性保持同步的功能強大的工具、報警ＯＤＢＣ服務升級和報警一覽對象中新增的報警確認行為;對于ＩＦｉｘ畫面,創建畫面向導可以無縫地創建多畫面配置,或者使用一個已經存在畫面的尺寸;新增的數據鏈接郵戳標記有助于控制數據鏈接的尺寸和位置;多對象創建模式具有創建特定對象多個實例的能力;基本動畫對話框允許在同一位置訪問若干個常用的動畫專家;ＩｎｆｏＡｇ ｅｎｔ圖符可以使畫面中包含Ｗｅｂ網頁;交叉引用工具可以方便地確定在畫面中被使用的標簽和使用標簽的畫面;編輯圖符向導和圖表組向導作為工具可以下載,目前已經集成在ＩＦｉｘ中;虛擬鍵盤可以用于觸摸屏環境以及使用鼠標輸入密碼或數據的情況;新增的ＳＭ2模擬驅動器提供用于測試用途的地址矩陣。系統的流程如圖2。
系統啟動后進行初始化操作,以確保各個部分的正常工作,隨后系統啟動主線程和各個通訊線程,通訊線程負責與可編程控制信號器的通訊,它實時地將外面的輸入信號與各種模擬量傳入計算機,同時將計算機的輸出命令和輸出模擬量傳給可編程控制器,去控制外面的執行機構;控制數據采集模塊的數據通過以太網實時地傳入計算機;主控線程負責將來自可編程和數據采集模塊的數據進行處理,然后根據處理結果進行輸出控制、數據顯示、故障報警,并形成歷史曲線和數據報表,供管理人員查閱和參考。
4 運行狀況與分析
本系統在電廠的水凈化過程系統中投入實際運行,使用以太網進行遠程數據采集,運行狀況良好,避免了以前的人工抄表、人工控制所帶來的一系列問題,提高了勞動生產力,并且為管理人員提供了可靠的數據依據。方案采取的有效措施有:
1)主控計算機在現場條件下應具備可靠接地,要減少干擾;
2)通訊電纜應采用屏蔽線;
3)以太網絡過長時應加入中繼器,并注意網絡終端匹配的選擇。
5 小結
1)監控系統的設計應充分考慮系統要求和成本。在本系統中,若各個設備獨立地進行數據采集和傳輸必將引起成本上升,而且可靠性也不易得到保證。
2)要采取合理的控制策略和控制結構。本系統根據現場特點,采用一級控制結構、集散式控制系統和Ｍｏｄｂｕｓ總線方式,性能優良且降低了成本。
3)系統在遠程現場控制的安全等方面還需要進一步完善。
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