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1 引 言
石家庄市供水总公司地表水厂是1996年建成投产的自动化程度很高的地表水厂。水厂设计生产能力日产水30万吨。原 PLC自控系统已运行10年，现已非主流产品，无法实现自身的升级换代和扩展，而且备件货源逐步枯竭。随着设备存续周期的临近，不排除出现大面积故障的可能，进而直接导致控制系统的局部或整体瘫痪。在这种严峻形势下，对PLC自控系统进行改造势在必行。
地表水厂担当着石家庄市供水任务的半壁江山，只有改造工程成功完成，才能保证地表水厂生产顺利进行。从某种意义上讲，工程的顺利与否是关乎国计民生的大事；同时将为水行业自控系统的改造开辟成功的先河。
改造工程选用稳定性、扩充性、先进性和兼容性俱佳的罗克韦尔公司的ControlLogix系列PLC产品作为本次改造的主力自控产品。目前改造工程取得了前所未有的成效，开创了多项技术创新先河。在送水泵房实现了变频调速恒压供水的设计要求，在保证供水管网压力恒定的前提下，仅节电一项一年就可以为水厂节约开支约70万元。同时成功地实现了ControlLogix系统与第三方设备的Modbus通讯，特别是远程的两个取水管理站与中控室之间的数据通讯，采用无线Modbus的方式实现ControlLogix系统与第三方设备之间的通讯，成为整个工程的亮点。改造过程中新PLC系统与旧PLC系统（SquareD自控设备）之间的数据交换采用OPC服务器的方式加以实现，这样既保证了整个水厂的日常制水生产不被中断，又为用户节省了采用过渡硬件设备所需要的投资。两套自控系统自始至终保证数据互联互通，在一般的技术改造工程中是很少见的。使用这种技术，可以保证两套系统真正实现无缝割接。
2PLC自动控制系统的组成
(1)系统简介
根据水厂生产工艺及管理要求，在系统设计时以原系统的站点结构为依据,保留原有的6个主站、9个子站。6个主站采用ControlLogix系列PLC；9个子站采用CompactLogix系列PLC，厂区内主干网以及主站与子站之间均采用ControlNet冗余网络，上位机及触摸屏均挂在ControlNet冗余网络上。为保证信号的稳定和介质的抗干扰性，在伴有高电压及大电流的区段选用光纤作为网络介质。厂区中控室与岗南取水管理站和黄壁庄取水管理站数据传输采用无线通讯的方式实现。
(2)系统拓扑结构
图1为八水厂自控系统拓扑图。
图1 八水厂自控系统拓扑图
3变频调速恒压供水系统
石家庄地表水厂清水泵房配备三台定速泵，三台变频调速泵。送水泵将两个清水池内的水通过两个出水管线输送到供水管网，原则上保持管网压力恒定。原PLC自控系统，由于未成功完成对变频调速泵的PID参数整定，调速泵的泵速未实现自动调节；加之其配泵方案的设计不适合国情，清水泵房的原PLC自控系统实际只完成数据采集功能，主要设备——送水泵一度处于手动状态，使变频调速恒压供水成为泡影。
改造后的清水泵房采用变频调速的运行方式，系统可根据实际设定水压自动调节调速泵电机的转速或加减泵，使供水系统管网中的压力始终保持在给定值，实现了最大限度的节能、节水、节支，并使系统处于可靠的运行状态。恒压供水的实现一方面归功于先进合理的工艺设计，根据实际的生产和设备情况重新进行工艺整定，为地表水厂量身定做的配泵方案，使恒压供水、自动配泵最终得以实现。另一方面依托ControlLogix系列PLC的强大功能，特别是智能精确的PID调节功能，使管网压力的控制精度达到0.5%，远远超过工艺要求，仅高效节能一项直接为地表水厂年节约资金约70万元，带来的隐性效益更是不可估量。
4ControlLogix系统与第三方产品的Modbus通讯
由于配电室的中压配电柜控制和数据传输系统选用SEPAM2000，该设备使用Modbus协议，通过SY/NET协议转换器SPE4连接到原有的PLC自控系统。显然在新系统投入使用之后，SPE4已经失去存在的意义了。在这里需要特别提出针对配电室的改造思路。在去掉SPE4之后，SEPAM2000的数据在出口端是使用Modbus协议的。ControlLogix系列PLC有第三方的通讯模块MVI56-MCM来支持对Modbus网络的通讯。我们所要做的工作是在新PLC系统中通过MVI56-MCM模块实现新PLC系统与SEPAM2000的通讯。与使用MODBUS协议的其余第三方设备的通讯与此类似。
这种数据流动方式如下图2所示：
图2 数据流动方式
5ControlLogix系统中的无线通讯设计
由于岗南水库取水管理站和黄壁庄水库取水管理站的自控系统相对独立，相当于水厂控制系统的两块飞地。水厂中控室只要求实时掌握管理站的运行情况，并没有在系统内向管理站下达任何控制指令。因此管理站的改造工作不受水厂自控系统的影响，新系统投运后采用无线通讯的方式将管理站内的现场数据传输到水厂控制系统。
岗南水库取水管理站的自控系统不在改造范围之内，使用MOTOROLA公司的MOSCAD系列RTU来完成现场设备的监控和数据传输工作，上位软件选用PCSOFT公司的WIZCON组态软件，使用的是MDLC通讯协议。如何通过无线通讯的方式实现ControlLogix系统与第三方设备的互联互通，是工程设计、实施中的一个难点。
根据岗南水库、黄壁庄水库和地表水厂之间的特殊的地理、地形情况，在三方组成的无线通讯网络中，黄壁庄水库取水管理站设计为主站，地表水厂中控室为1号从站，岗南水库取水管理站为2号从站。由黄壁庄水库取水管理站读取岗南水库取水管理站的数据，会同自身的数据一同写到地表水厂中控室。无线通讯网络各站点之间采用MODBUS通讯协议，各PLC站点的ControlLogix系统通过MODBUS通讯模块MVI56-MCM的RS232口与无线通讯网络之间进行数据交换。黄壁庄水库取水管理站的ControlLogix系统通过MODBUS通讯模块MVI56-MCM的RS485口与使用MODBUS协议的第三方设备——流量计进行数据通讯。
无线通讯网络的拓扑结构如下图3所示：
图3 无线通讯网络的拓扑结构
6新系统与旧系统的软件兼容
由于地表厂自控系统的改造工作不能影响整个供水生产的正常进行，因此改造工作应该是分步骤实施的。这种阶段式改造必然导致新系统与原系统长期共存。那么，两套系统的互联互通就是该项目的又一难点。
新旧系统的兼容是暂时行为，在总体投资上不应该过分加大，因此我们选用比较经济的软件兼容方式，即使用第三方的OPC服务器作为两个系统数据交换的桥梁。新自控系统将已改造站点的数据按照原系统的数据格式写入原自控系统，从而保证原自控系统的显示完整。为了完成这一目的，新自控系统增加OPC服务器，同时原自控系统内的PLC程序将做必要的改动以适应这种运行模式。
实现兼容的方式如下图4所示：
图4 实现兼容的方式
7结束语
ControlLogix系统在石家庄地表水厂运行稳定，以其先进的技术充分满足了水厂自控系统的要求。变频调速恒压供水的实现展示了PLC的强大功能，与MODBUS第三方产品的通讯和兼容证明了系统的可扩展性和开放性强，进一步扩展了罗克韦尔自动化的PLC应用的空间和灵活性。