摘要：本文介紹了南洲水廠自動化控制系統的結構及組成，以及設計考慮的主要問題；系統有效的解決了多種工業現場匯流排互聯以及遠程通訊等問題
關鍵詞： 水廠，自動化，現場匯流排，通訊
南洲水廠是廣州市自來水公司第一間具有深度處理的全自動化的 100 萬 m /d 飲用凈水生產廠，其自動化系統要求以安全可靠、優質供水、節能降耗、管理方便為設計原則，從實際出發，使水廠儀錶檢測和自動化控制達到國內同行先進水平。系統設計綜合考慮了設備、儀錶的性能、特點以及水處理工藝要求和整個自控系統的可擴展性及兼容性等問題，為本監控系統的正常運行提供保證。
1. 系統網路結構
南洲水廠廠內監控系統主網採用以光纖為傳輸介質、遵循 TCP/IP 協議的（10M/100M，環網）工業乙太網為主幹網路，現場主要設備採用獨立 SLC 控制，採用 DeviceNet 等現場匯流排將其聯接構成現場控制層；水質儀錶、電類計量儀錶、高壓綜合繼電保護及測量等設備通過 Modbus現場匯流排構成現場檢測網路，並與主控 PLC 連網；主控 PLC 通過交換機連於全廠主網。
控制排泥車等移動設備的小型 PLC 通過低功率、近距離的無線傳輸設備與子站主控 PLC 通訊。水廠與 30km外的取水泵站則通過 VPN 及無線方式通訊方式，監測源水泵站狀態。水廠內部監控系統以多任務平台上的實時監控、開發和管理軟體組成工控區域網和管理乙太網。監控系統框圖見圖一所示。
2. 設備控制方式
各受控設備具有就地（就地一步化）、調試（就地無聯鎖）、停、遠程控制（由上位機進行一步化開停機或分步調試）功能。 許可權級別從高到低依次序為：停、調試、就地、遠程控制。
取水、送水及 110KV 變電站為有人值守站。其他按無人值守站考慮。
南洲廠區、取水站、公司調度室無線通訊採用廣州市自來水公司現有 230MHz 系統和電信GPRS/ GSM 方式，在三地間通過電信 ADSL 專線，進行數據傳送；有線與無線互為備用，自動切換，正常以有線為主。通訊系統結構見圖 2 所示。
南洲水廠、西海取水泵站之間的數據傳輸採用 VPN 方式，GPRS 作為數據的備份傳輸方式。
南洲水廠與西海取水站之間的通信以 ADSL 方式為主，南洲水廠採用固定 IP 的 ADSL 專線，西海取水採用動態 IP。在 ADSL 通信鏈路上面建立 VPN，採用硬體 VPN 網關作為 VPN連接方式，進行信號傳輸。
3. 現場控制站
根據工藝流程的分佈和水廠總平面布置，分別在取水泵房控制室、藥物投加室、濾池和反衝洗泵房控制室、深度處理控制室、變配電及送水泵房控制室、污泥處理控制室等設置六個現場控制站，其主要功能如下：
1）取水泵站（PLC1）
用於取水泵站的工藝參數、電氣參數、設備狀態的採集，根據工藝過程要求通過網路對水泵等上述設備進行控制。水泵機組等由小型 PLC 控制。系統通過匯流排採集泵組及其他用電設備各類參數，PLC1 現場控制站站內 PLC通過無線系統水廠送水/中控室調度通訊。
2） 藥物投加系統（PLC2）
各藥物投加系統由獨立供貨商或系統集成商成套提供，PLC 完成系統內各子系統的控制；通過 DeviceNet 或乙太網網路與各子系統控制器交換數據；通過網路電纜與投加系統里的電力監測器連接以採集其數據。
3）沉澱池及濾池系統（PLC3）
沉澱池及濾池系統控制排泥車、濾池及其反衝洗設備。主要負責協調各濾池反衝洗控制，與各格濾池就地控制櫃內小型 PLC通過現場匯流排進行通訊。
4）深度處理（PLC4）
PLC4 現場控制站用於深度處理設備的控制，並通過現場匯流排和 I/O 與成套設備通訊，主要包括碳濾池系統、制氧、臭氧系統。
5）送水泵站及變電站（PLC5）
PLC5 現場控制站用於送水泵房、總出水、變配電系統的工藝參數、電氣參數、設備狀態的採集，根據工藝過程要求對送水泵組、出口閥、配電等設備進行控制。通過 DeviceNet 匯流排與控制泵組的小型 PLC 聯網，對其完成測控，通過匯流排採集泵組及其他用電設備各類參數，通過無線系統與取水泵站 PLC 通訊。水泵等由小型 PLC 獨立控制。變電站供配電系統為兩路 110kV進線，內橋結線，二台站變，其監控及保護系統通過 Modbus 匯流排與主PLC 通訊。
6）污泥處理系統（PLC6）
PLC6 現場控制站用於污泥處理系統的工藝參數、電氣參數、設備狀態的採集，根據工藝過程要求對主要設備及相關閥門進行控制。
7） 中控室 PLC7 站
PLC7 站用於中控室模擬板驅動：通過系統網路通訊，採集接收各現場控制站檢測到的主要工藝設備工況及報警信號，送至中控室模擬板（RS232/RS485 介面），對其進行定時刷新，實現實時動態顯示。
現場控制站 PLC 採用美國 AB 公司產品，主控 PLC 採用 ControlLogix 系列，設備層採用MicroLogix1500 系列，兩者以 DeviceNet 網路聯接，主控 PLC 經交換機與全廠乙太網聯接。重要站點如濾池等系統採用熱備冗餘 CPU。
水廠中控室配置有數傳電台和 GRPS通訊模快
通訊調度系統軟體可以在與其它 RTU 之間的通信中選擇最佳的通信通道，使系統在總體上達到最佳的通信效果。軟體提供人工強制選擇通信通道的功能；同時負責通道的故障判斷，根據實際情況，指定 RTU 的主通信通道，當主站和 RTU 通信時，根據通信失敗次數、誤碼率等參數來判別主通道的通信質量，當主通道出現故障或達不到要求的通信質量時，自動切換到備用通道上工作。當採用備用通道通信時，主站按一定的周期檢測主通道的通信質量，當主通道的通信質量回復正常時，自動切換到主通道上工作。
4. 系統軟體功能
本監控系統軟體採用組態軟體、模塊化設計，並具有漢化界面。各監控站數據從伺服器資料庫中獲取，以客戶端方式運行。
現場控制站的操作員站的任務是在標準畫面和用戶組態畫面上，設定、彙集和顯示有關的運行信息，供運行人員據此對設備的運行工況進行監視和控制。操作員站要求監視或控制本工藝點的生產過程畫面及生產實時數據，查詢和列印各種歷史數據： 中控監控管理站作為取水、凈水、供水和污泥處理的中心，用於全廠的數據監控和數據管理，具有各操作員站的全部內容。各系統具有以下主要功能：
1）報警處理
2）歷史數據的管理
3）事件處理
4）人機界面
5）畫面顯示
6）數據通信
7）報表產生
8）實時與歷史數據分析
9）安全登錄和密碼保護
10）操作控制功能：
11）其它功能。
·報警處理
在任何時間和在任何顯示上工作站均能在畫面頂部或底部顯示出總的報警信息，包括報警設定值（報警條件）、報警值、報警狀態、報警時間。這些報警信息通過報警聲音提醒，使操作人員可以快速地調用與本報警有關的畫面，以得到可以尋找故障原因的詳細資料。如果需要可以按要求調用並按命令分別列印登記在資料庫中的報警內容。對於長期不正常事件（由監視人員確認后）可禁止報警和登錄。對於已確認的報警應帶上報警發生時標，存入報警資料庫。對於末確認的報警應持續發出聲光報警，直至值班人員確認，還可依據報警信號重要性動態改變報警級別。
·歷史數據的管理
操作人員依許可權可按要求進行分類列表，對於變數應表明時標，屬性，測量範圍，實時值，並用顏色或符號表明數據性質。也可以在表格上用“指針”選定數據點，對其設定值，測量範圍，數據性質進行修改。
·事件處理
a. 事件登記
報警、調度命令及設備操作命令、掛標記牌操作、修改設定值或寫入數據等事件都記入不可修改的“事件登記簿”。
b. 事件檢索
操作員可在“事件檢索”的視窗中按事件類別名稱、對象名稱、事件起始至截止的日期和時間及對象編號進行檢索。
c. 事件記錄存儲
事件庫中具有足夠的容量存放事件登記，事件登記每天以數據文件形式入庫，盤區存滿后通知操作員移出另外存儲。
·人機界面
a. 人機界面運用開放系統的圖形窗口技術。
b. 友好的操作人員界面。
c. 程序員可在線修改和編輯畫面。
d. 支持三維圖形。
e. 帶有詳細的聯機幫助功能。
·畫面顯示
a．站級顯示：包含站內整個系統及相關係統的運行狀態總貌，顯示出主設備的狀態、有關參數以及控制迴路中過程變數與設定值的偏差。工藝控制圖形的總體結構形式為窗口式和分層展開式相結合。
b．功能組顯示：包含過程輸入變數、報警條件、輸出值、輸入值、設定值、單元標號、縮寫的文字標題、控制方式、報警值等。功能組顯示畫面包含所有監控單元或迴路。
c．細節顯示：可觀察以某一單元為基礎的所有信息。
d．其它顯示：包含報警顯示、趨勢顯示、成組顯示、棒圖顯示、幫助顯示、系統狀態顯示等。
e．在各個工藝過程的合適位置實時顯示主要相關數據。
f．畫面顯示系統的操件採用圖形標記，下拉式屏幕菜單和鍵盤按鈕。 所有顯示和列印輸出均可顯示出以 24 小時時間型式的時間。
g．趨勢圖顯示功能
可以用棒狀圖或線狀圖顯示歷史趨勢或當前趨勢，可選擇 1 條至 16 條實時或歷史趨勢圖（用不同顏色）在同一時間內顯示在一幅畫面上。當前趨勢顯示根據實時原理不斷校正。
操作員可以方便地調整趨勢顯示的時間坐標或輸入範圍。
5． 組態軟體配置
組態軟體採用伺服器 RSVIEW SE 版本；系統伺服器配置成域控制器，並使用雙機熱備方案。RSVIEW SE 使用冗餘設計；後台資料庫使用 SQL Server。RSVIEW SE 從各個主控 PLC 中讀取數據，再保存到 SQL SERVER 中。採用 RSSQL工具進行 RSVIEW SE 數據與 SQL Server 資料庫連接。PLC程序開發，RSVIEW SE 開發部署在 RSVIEW Studio中進行。調度通訊軟體負責與水公司調度系統的通訊。而全廠數據管理則由水廠數據管理系統負責，包括報表列印、決策分析、數據轉存和備份；管網監測軟體集成到 RSVIEW SE 的上位監控軟體中。
1）RSVIEW SE 冗餘設計
利用 RSVIEW SE 的冗餘特性可以防止軟體出現故障，同時它使操作的中斷和數據的丟失降低到最小程度。
一個分散式 HMI 系統包括 Server 組件和 Client 組件。Client 組件提供了系統操作員作用的介面，一般是動態更新的圖形顯示。這些圖形顯示描述了系統的當前狀態，並且允許操作員監視和控制其操作。圖形顯示中的動態信息，包括動態圖畫、報警匯總、更新標籤值以及實時和歷史趨勢，都是由 HMI 系統中的 Server 組件提供，Server 同時記錄歷史數據和執行其它的後台監視和控制功能。
為使操作員能夠維護和控制整個系統，Server 組件必須給 Client 組件提供連續的信息，確保關鍵性的數據一直提供給 Client。南洲水廠監控系統 RSVIEW 採用了冗餘設計，系統在最壞情況下：Client 在 5 秒鐘內檢測到和主 Server 間的通訊丟失，在設定時間內切換到備用Server 上。一般情況下，Client 在小於 5 秒鐘內檢測到 Server 故障，然後在小於 5 秒內進行切換，連接到從 Server 上。Client在應用系統中可能根本感覺不到 Server 的切換。其切換對於 Client 是完全自動和透明的，在 Server 檢測到故障而切換到冗餘設備期間，操作員不需要採取任何措施或重新啟動 Client 軟體，就可以繼續使用系統。切換過程中，操作員可以和仍然在線的 Server 繼續保持聯繫。Client 軟體仍繼續運行使用。當主 Server 重新可用時，系統能夠自動切換回該 Server。
RSView SE 具有三種類型的 Server
FactoryTalk Directory Server：它保證了應用系統的各個部件在計算機上或者通過網路互相訪問。
RSView HMI Server：用於儲存 HMI 部件，例如圖形顯示，並且將這些組件提供給 Client。同時它也儲存標籤資料庫/檢測報警和記錄歷史數據。
Data Server：它充許 Client 訪問PLC 中的信息，其它硬體設備上的信息。
本監控系統的 RSVIEW SE Server 配置如圖 3 所示，每種類型的 Server 通過標準的組態選項配置冗餘，可最大保護系統安全，及數據正確，達到上述作用。
三台伺服器分別配置為：第一台配置成主 FactoryTalk Directory Server、主 RSView HMI Server，第二台配置為主 Data Server，第三台則配置為從 FactoryTalk Directory Server、從 RSView HMI Server、從 Data Server。當主FactoryTalk Directory Server、主 RSView HMI Serve、主 Data Server 出現故障或維護時，系統自動啟用從 Server，保證任何情況下系統正常運行。
2） 數據流程
根據工藝特點及分散式監控系統的特點，按下述規劃進行水廠數據採集及保存。 數據按兩個方面的要求進行存儲：一是數據的現場存儲，主要用於數據的後備，防止控制系統中心數據伺服器存儲失敗后，用作補充或效驗比較用。二是數據的中央存儲，由數據伺服器完成，用作標準數據源，作為所有的處理和查詢用。
RSVIEW SE 先從各個主控 PLC 中得到各種生產數據，同時利用其標籤功能，計算合成數據，如效率、電耗等；RSSQL 採集各個 RSVIEW SE 標籤的值並保存到 SQL SERVER 中，先儲存到原始信息資料庫。
資料庫則分為以下：
a. 原始信息庫資料庫
用於保存整個工控系統實時採集的數據，包括水質、電站、取水泵站、送水泵站、濾池、投加、污泥處理等子系統等主要參數。主要用作顯示趨勢圖，並為實時信息資料庫提供數據源。
數據定時採集，在線存儲，記錄周期可調，按一定的周期採樣，數據採用先入先出的保留形式，保存一月。
數據同時保留在本地的 ACCESS 資料庫中和 SQL SERVER 中，如圖 4。當 SQL 伺服器維護或網路堵塞時，RSVIEW SE 無法把數據存放到 SQL SERVER 的時候，數據繼續保存在當地的 ACCESS資料庫中。當故障去除后，RSSQL 再把 ACCESS 中原始信息資料庫中的數據導入 SQL SERVER。這樣充分保證了數據的連續性。
採用 RSSQL 工具進行數據抽取，相對於使用VBA或RSVIEWSE 存取有以下優點：
實時性強：RSSQL 專用於工業級的數據連接、抽取工具。
佔用資源低：可以有效降級各個工作站的CPU的資源，加強整個系統的穩定性
數據雙向流動：上層資料庫的改動，也可通過它修改下層數據
為以後智能控制系統的建立打下基礎，為上層管理系統與下層控制系統建立了雙向的鏈路。
b. 實時信息資料庫
用於保存由原始信息資料庫轉換而成的數據和其它生產數據，包括天氣情況、生產調度數據、材料價格等。主要作用是用於報表處理，統計分析。並為標準資料庫提供數據源。 資料庫保存於 SQL SERVER 中，生產數據記錄周期 5 分鐘，並可保存 6 個月採取先進先出的數據更新方式。原始信息資料庫中的數據，經過檢查和過濾后，送到實時信息資料庫保存。
這些數據將作為廠內的數據標準，成為全廠所有的工控子站（包括現場子站）、MIS 系統，對外實時數據交換的標準數據，同時也作為以後統計、計量、保存、與外界數據交換、報表生成的數據依據。
c. 標準資料庫
由實時信息庫中的內容、事件記錄和報警記錄生成一個主索引按每天增加一項新記錄形式的關係資料庫，還包括以此為基礎應衍生出各個生產報表數據，電子文檔、列印硬拷貝等，還有各種初級統計報表如月報表，旬報表，季度報表等。標準資料庫位於 SQL SERVER 中。
3） 數據的存儲
為對水廠的數據能進行長期保存，必須定時對數據進行轉存和備份。轉存數據可人工操作，也可設置定時自動轉存，以保障數據安全, 數據可轉存、壓縮保存或刻錄到光碟。原則上按每月一次轉存和備份。並可自由選擇保存的時間範圍。採樣周期可調。
從歷史數據能夠計算最小值、最大值、平均值、標準值、偏差值、累積值和其它特殊的方程式。此外，運行程序的結果也可以存儲在歷史資料庫。
所有收集的實時數據都按時序依次存儲，對重要的過程數據和計算數據進行在線存儲，並可保存至少 48 小時。用戶可定期將這些數據轉存成歷史數據。並可根據數據的組號、測點號、測點名稱、時間間距、類型、名稱、屬性等項目來檢索所存儲的歷史數據。歷史數據保存期為兩年，可轉儲，並可依據要求進行顯示、查詢、列印等。
4）實時與歷史數據分析
根據水廠工藝運行與管理特點，建立各種重要參數的歷史知識規則庫，自動學習建立其規則知識庫；實時採集現場數據進行計算如泵站效率，供水成本，機組電耗等，自動根據數據規則庫建立水廠的重要參數的知識學習規則庫、分析判斷泵組是否在高效區運行，分析供水電耗是否正常，供水成本是否合理，提供生產運行管理者決策依據。可以對每日生產運行結果進行分析與處理，提供各級人員進行分析參考。
6．結論
至 2004 年9月投入運行以來，系統穩定可靠，有效解決了多種工業匯流排互聯及遠程通訊等問題，滿足生產實際需求，為南洲水廠的飲用凈水生產發揮了重要作用。
