摘要：某水廠自動控制系統中的應用西門子公司S7-400 PLC，自動化程度高，穩定可靠，大大降低了生產成本和勞動強度，確保出廠水質。
關鍵詞：S7-400 PLC 上位機 自動控制 反饋 監測
一、 項目簡介
安慶市自來水公司為國家中型企業，始建于1911年。自新中國成立，特別是改革開放以來，供水事業有了很大的發展。現供水能力為日供水量41.5萬m3，其中第三水廠是利用德國政府貸款，引進國外先進的技術及設備而興建的一座現代化水廠。該水廠的主要生產設備從國外進口：西門子公司SIMATIC S7-400 PLC和西門子工控計算機組成的自動控制系統、RTU、KSB水泵、VEM電機、Erhard閥門、Passavant閘板閥、Auma電動驅動裝置、Passavant攪拌器、ALLDOS加氯系統、Jesco加藥機、E+H和SIEMENS儀表、中低壓開關柜等；其它設備在國內采購，如刮吸泥機、高壓開關柜等。
二、 系統介紹
第三水廠于1996年底動工興建，設計規模20萬m3/d。凈水工藝系機械混合、機械絮凝平流沉淀池，均粒濾料濾池等常規凈水工藝。見圖一：
圖 一
控制系統由兩臺上位機、一臺編程器和四套SIEMENS S7-400PLC、一套S7-300PLC及24個ET200M組成。上位機為SIEMENS工控機，配置為80586英特爾奔騰處理器166MHZ/32MB/1.2G/20″CRT/HP 4L打印機/EPSON LQ-1600K打印機。上位機的軟件是WinCC V4.0,系統中文平臺是中文之星。
現場一共有五個PLC分站，主要模板有：CPU有CPU413-1（2塊）、CPU413-2DP（2塊）、CPU314IFM（1塊）；通訊模板有CP443-5（3塊）、CP441-2（2塊）和CP342-5（1塊）；信號模板有SM431（9塊）、SM432（1塊）、SM421（22塊）、SM422（5塊）、SM331（25塊）、SM322（25塊）、SM321（50塊）、SM334（1塊）和接口模塊、機架若干等。編程器為PG740。PLC編程軟件為STEP7 V4.02,操作員面板的編程軟件是Protool。
整個自動控制系統主要負責采集和顯示現場儀表、水泵、閥門、攪拌器等設備的運行數據、狀態，負責執行通過操作員面板發出的手動命令和能按照應用軟件程序對現場設備進行自動控制，并能自動存儲工藝數據和自動打印報表和故障信息等。
三、 控制系統結構與配置
水廠的自動控制系統采用“集中檢測、分散控制”的方式，構成“縱向分層，橫向分站”的網絡體系結構，整個控制系統網絡分為二層：
第一層為現場設備控制層：主要有各現場PLC控制分站、檢測儀表、電控設備等組成。直接完成生產過程中的數據采集、調節控制以及實現反饋控制或順序控制等功能。根據水廠生產工藝流程和現場構筑物的分布情況，分為五個分站；取水泵房分站、加藥間分站、加氯分站、濾池分站、送水泵房分站。
第二層為中心控制室操作站：設有兩臺監控計算機，采用雙機熱備方式，如果一臺出現故障，則另一臺仍然能夠獨立工作，并且具有所有的功能，以確保整個控制系統的可靠性、連續性和安全性，根據需要可以完成全廠生產處理的在線監測，并向PLC發出控制命令。
中心控制室內的監控計算機與加藥間分站、加氯分站、濾池分站、送水泵房分站采用Profibus通過TCP/IP通訊協議組成工業局域網。局域網采用光纜連接，每個分站以雙絞線通過光纜連接模塊（OLM）連至Profibus網，中心控制室內的工控機通過CP5412網卡和OLM連至Profibus網。由于水廠取水泵房距離水廠距離2公里多，該分站與廠區控制系統采取有線通訊的實際操作性很小，因此采取了無線傳輸方式將該分站的一些重要數據發送至廠區的送水泵房分站，從而傳送到系統網絡。
在濾池分站，由于濾池共有24組，分布范圍比較大，距離長度比較大，所以在每組濾池設立了一個ET200M，將濾池分站PLC作為主站，24個ET200M作為從站，采用西門子Profibus-dp現場總線。
系統配置圖如下（圖二）：
圖 二
四、 生產控制系統的功能
水廠自動控制系統按以下三種方式運行：一是自動運行，即完全通過PLC，根據預先編寫的程序自動控制運行；二是操作員通過控制室監控計算機或PLC上的操作員面板操作，發出運行指令，設備的運行還是通過程序自動進行的；三是手動控制設備的運行，完全脫離PLC，通過現場控制箱上的按鈕就地手動操作。在水廠內每臺電動設備旁都有一個“就地控制箱”。就地控制箱上有“就地”和“遠程”轉換開關。“就地”方式適用于人工干預或維修時使用，任何一項操作都是通過按鈕來執行，在此方式下，PLC不能發出控制命令，只進行監測。“遠程”方式是控制系統自動運行設備。
1、中心控制室操作站
負責水廠工藝和設備過程控制、數據備份、數據處理。在監控計算機上可以顯示水廠各處理單元模擬畫面，包括工藝布置圖、實時動態參數、設備的運行狀態及實時/歷史報警信號、在線儀表的實時/歷史趨勢曲線等，并周期循環發布日報表、月報表、年度報表。同時，可進行離線/在線編程及修改設定參數。以下列舉幾張工藝流程圖：
2、現場設備控制層
現場設備控制層分為五個分站；取水泵房分站、加藥間分站、加氯分站、濾池分站、送水泵房分站。
2.1取水泵房分站
由于取水泵房距離水廠距離較遠，該分站與廠區控制系統采取有線通訊的實際操作性難度較大，因此采取了以MODBUS協議（借助總公司的無線網絡）的無線傳輸方式將該分站的一些重要數據發送至廠區的送水泵房分站，從而傳送到系統網絡，傳送的信號有取水水位，水泵出水壓力，水泵的開/停/故障，開關柜合閘/斷開/故障，、泵機分電量，調節閥門的信號。
硬件：CPU413-1、CP441-2、SM422、SM421、SM431、OP37、UR1、PS407、RTU等。
監測范圍：取水水位，水泵電流，水泵出水壓力，水泵的開/停/故障，開關柜合閘/斷開/故障，、泵機分電量，泵站總電量，調節閥門的信號等。
自動控制：在取水水位允許的情況下，根據水廠的水庫水位操作員在OP37面板上手動控制水泵的開停，當水庫水位較低時，開啟或增開取水泵；當水庫水位較高或取水水位較低時，減少取水泵的臺數；當取水水位很低或水泵出現或故障水泵電流異常或出水壓力異常時，自動控制系統將不允許開啟取水泵。
2.2加藥間分站
硬件：CPU413-2DP、CP443-5、SM422、SM432、SM421、SM431、OP37、UR1、ER1、IM460-1、IM461-1、PS407、OLM等。
監測范圍：源水流量，源水濁度，源水PH+溫度，藥劑混合池、準備池的水位，SCD值，沉淀池出口濁度以及各設備的運行狀況等。
自動控制：
⑴自動加藥系統：根據加藥準備池的水位狀態自動進行輸、配藥控制，采用閉環控制加藥泵進行自動投加加藥量，通過調整加藥計量泵的變頻器的頻率來實現。
采用SCD儀與源水流量計一起構成前饋——反饋控制的混凝自動投加系統。控制原理如圖所示，根據流量計測量到的源水流量作為前饋，SCD儀通過采樣反應池的反應絮凝情況檢測出SCD值作為反饋，與設定值進行比較后，通過PLC來改變變頻器的頻率，從而控制投藥計量泵的電機轉速，達到改變投藥量的目的，在單純以源水流量比例控制下引入SCD反饋環節能夠進一步提高沉淀水濁度的合格率和穩定性，降低藥耗，并能根據源水水質及反應效果靈活地對各項參數進行設置與調整。原水濁度、PH+溫度以及沉淀池的出口濁度作為監控參數進行參考，出口濁度不作為控制參數，主要是由于其滯后時間太長。
當藥劑準備池的液位過低時，為防止加藥泵的干運轉，所有的加藥泵將不允許自動運行；當其中一臺加藥泵出現故障時，其備用加藥泵將自動投入運行。
（2）刮泥橋
刮泥橋的自動控制方式有兩種：①定時開停：在PLC中設置兩個計時器，一個運行計時器，一個停止計時器，當停止計時器計時到期時，PLC開始自動啟動刮泥橋，并且運行計時器開始計時；當運行計時器計時到期時，PLC開始停止啟動刮泥橋，同時停止計時器開始計時，如此循環。當把停止計時器設置為0時，刮泥橋將連續運行。②根據沉淀池出水濁度值進行自動控制：當濁度達到一定值時，自動運行刮泥橋，濁度值低于一定值時，刮泥橋將自動停止運行。
對刮泥橋設置三種運行模式：將沉淀池平均分為三段，第一種模式是刮泥橋在沉淀池的進水方向三分之一段來回運行；第二種模式是刮泥橋在沉淀池的進水方向三分之二段來回運行；第三種模式是刮泥橋在整個沉淀池上來回運行。由于進水方向的泥量較多，越往沉淀池出口方向，泥量越少，這樣，在進水方向段，可以使刮泥橋刮泥的次數增加，在出水方向段，可以減少刮泥次數。即：第一種模式運行次數最多，第二種模式運行次數次之，第三種模式運行次數最少。
刮泥機在排水泵站污水水位過高出現報警時禁止自動開啟。
2.3、濾池分站
該分站包含：24組濾池，反沖洗泵房，排水泵房的控制和監測。
硬件：CPU413-2DP、CP443-5、SM422、SM421、SM431、OP37、UR1、PS407、OLM、ET200M等。
監測范圍：濾池水位，濾水閥門的開啟度，反沖洗水位，反沖洗壓力，反沖洗泵狀態，排水水位，排水壓力，排水泵及各閥門的狀態等。
自動控制：
（1）濾池：按恒水位濾水，當水位高于上限時，調節打開濾水閥門，當水位低于下限時，調節關閉濾水閥門。
(2)反沖洗泵房
①定時反沖洗：根據實際需要設置合適的定時時間，8小時、12小時、24小時……，PLC將根據每組濾池的申請時間進行排隊，PLC將自動關閉濾池進水閥和濾水閥，再打開反沖洗閥和排水閥進行反沖洗，每次反沖洗一組濾池，按照排隊順序依次進行沖洗，先排先沖洗，后排后沖洗。
②按閥位開啟度自動反沖洗：濾池濾水閥門的開啟度間接反映了濾池需要反沖洗的要求程度，因為濾池按恒水位過濾，當濾水閥門的開啟度越大，說明濾料越臟，則濾池需要反沖洗的要求越大。我們可以根據實際運行情況，在PLC中設置一定的開啟度（如70%），當濾水閥門達到該開啟度時，則該組濾池就提出反沖洗申請，然后進行自動反沖洗。
自動反沖洗在以下情況不允許啟動：
反沖洗水位過低時
反沖洗泵、出水閥門以及濾池閥門出現故障
排水泵房污水水位過高出現報警
排水泵房所有排水泵均出現故障或都不在“自動”位置時
④強制反沖洗：根據現場需要，如果想對任何一組濾池隨時進行反沖洗時，只要在PLC的操作面板或控制室中對該組濾池輸入反沖洗的命令，然后PLC將按照操作程序自動進行反沖洗。
(3)排水泵房:根據排水水位控制排水泵的開停以及運行臺數。根據設計和實際運行情況可以設定一個排水泵運行水位范圍，在這個范圍內分設幾臺污水泵的開啟和停止水位值，PLC通過這些水位值來自動控制排水泵的運行。
2.4加氯間分站
硬件: CPU314IFM、CP342-5、SM331、SM322、SM321、SM334等。
檢測范圍：濾后水流量，濾后水余氯值、壓力計，氯瓶重量，泄氯報警及各設備狀態等。
自動控制：
（1）加氯
以濾后水流量為前饋量（比例環節）、濾后水余氯為反饋量組成閉環系統，根據工藝需要的余氯設定值，輸出4-20mA電流控制加氯機進行投加，有效地保證后加氯系統的穩定性和可靠性，較好地適應水量和水質的變化，達到消毒的效果。
(2)中和裝置
加氯間裝有泄氯報警裝置，當泄氯報警探頭檢測出加氯間的氯氣含量超過允許的范圍后，將發出聲音報警，并將報警信號送至PLC，由PLC自動啟動中和裝置，降低加氯間的氯氣含量，確保人員安全和降低環境污染。
(3)氯氣瓶的切換
加氯間有兩組氯氣瓶，一用一備，相互切換，當氯瓶的重量過低時，系統會發出報警，提醒工作人員進行更換，此時該組氯瓶的氣壓將會降至很低，PLC自動將切換閥開到另外一組氯瓶進行加氯。
2.5送水泵房分站
該分站負責水泵和閥門的監測和控制，出廠水質和變配電系統等設備的監測，并通過RTU與取水泵房分站進行通訊。
硬件：CPU413-1、CP443-5、CP441-2、SM422、SM421、SM431、OP37、UR1、PS407、OLM、RTU等。
檢測范圍：出廠水瞬時流量，累積流量，余氯，出廠水壓力，清水池水位，PH值+溫度，交流電壓、交流電流、電量等。
自動控制：由“管網壓力信號（由壓力傳感器所測——控制器——變頻器——水泵機組）”構成一個閉環系統。當管網壓力低于壓力設定值時，PLC將自動調增水泵速度或增加水泵臺數，以增加供水量和壓力；當管網壓力高于壓力設定值時，PLC將自動降低水泵速度或減少水泵臺數，以減少供水量和降低壓力。
五、 應用體會
水廠自動控制系統的控制難點主要有幾點：
1、加藥自動控制中，由于流動電流儀（SCD）測量反饋值很不穩定，導致控制輸出不穩定。在實際運行中，只好以源水流量和源水濁度為參數進行開環控制，再根據季節不同設置不同的比例參數，實踐證明效果不錯。在加藥間分站，CPU與OP37數據交換量比較大，當室溫較高時，會經常出現OP37死機，經過采取安裝空調降溫后，排除了死機故障。
2、送水控制中，測壓點的選擇要求也很高，測壓點的壓力要能反映整個供水管網的整體壓力情況，不能只代表局部管網的壓力。我們通過總公司GIS系統，經過不斷的摸索實踐，確定了合適反映整個供水管網的整體壓力情況的壓力信號，取得較好的效果。
3、總公司原來采用以RTU的無線調度，但由于RTU維護量較大和每年無線電臺頻點占用費較高，影響了取水泵房分站與送水泵房分站的通訊。后通過聯通公司CDMA無線業務，建立了GIS系統，很好地解決了這問題。
六、 結束語
西門子公司的S7-400系列PLC功能強大，結構緊湊，編程指令豐富，友好的用戶界面，自水廠2000年12月投產試運行以來，自動控制系統運行穩定，滿足設計要求，與傳統水廠人工控制相比，大大降低電耗、藥耗、氯耗，出廠水質濁度一直控制在0.5NTU以下，得到中外專家的充分肯定和贊許。
