摘要：北京市地表水厂自动化控制系统改造工程全部采用Rockwell Automation公司的ControlLogix和CompactLogix，厂区的通讯采用ControlNet冗余网络，远程通讯采用无线方式。在改造中设计并实现了新、旧系统之间的数据兼容。控制工艺移植的过程中，完成了PLC程序优化和工艺改进。
关键词：网络规划 数据兼容 程序优化 工艺改进
1 引 言
北京市供水总公司地表水厂是2000年建成投产的自动化程度很高的地表水厂。水厂设计日产水30万吨，技术和工艺全部从国外引进，已运行十年的自控系统面临瘫痪。北京市供水公司根据十年的运行经验，决心依靠自身的技术实力，通过自主研发对水厂自控系统进行改造。2009年开始对全厂的PLC自控系统进行全面改造，为了不影响整个供水生产的正常进行，改造工程分二期进行，至2010年03月改造工程全部竣工。改造后的自控系统满足了八水厂生产的要求，进一步完善了原系统的性能，并实现多项技术突破和工艺改进。新系统开创了多项技术创新之先河，明显超出了原系统的设计水平，原系统的遗留问题均得到妥善解决。送水泵房实现变频调速，恒压供水，取得良好的节能效果；成功的实现了PLC自控系统与第三方设备的通讯，奠定了工程成功的基础；针对进厂水加药、沉淀、过滤的设备和工艺现状，实现多项工艺改革和创新；在改造过程中，新、旧系统的软件兼容调试成功，为公司节约了大笔硬件兼容的费用。
2控制网络的优化
2.1原自控系统的拓扑结构
地表水厂原自控系统使用Square D PLC作为自控系统的主力设备。逻辑上设有7个主站、9个子站。其中公司调度中心的PLC已经拆除，黄壁庄取水管理站PLC与厂区的无线通讯联系由于设备原因已经中断。子站采用小型的SY/MAX 50系列PLC，其他站采用中型的SY/MAX 400系列PLC。厂区内PLC依照Square D的产品要求使用双绞线和光纤组成SY/NET工控网络（不包括脱水间PLC）。中控室与黄壁庄取水口PLC采用400兆赫无线通讯的方式交换数据。SY/NET网络通讯速率2M，无线通讯速率为9600bps。Square D PLC采用HDLC协议，该协议相对比较简单，但效率较高。系统拓扑结构如图1所示。
水厂原自控系统的拓扑图
2.2新自控系统的网络规划
在整个网络体系中我们采用了 Rockwell Automation公司的Netlinx结构。在这个网络体系结构中采用的是CIP协议，基于Producer/Consumer的通讯方式，不再是以前的主-从方式。这样CPU就不再是瓶颈，既降低了CPU的负担，又可以实现I/O共享。机组之间的数据交换可以通过I/O直接进行，而不需要再通过CPU进行交换。这样机组间的数据交换速度基本上可以达到实时的程度。
控制级采用ControlNet这种全新网络模式，网络间采用双介质冗余，保证了系统的稳定性。这种生产者/消费者(PRODUCER/CONSUMER)模式，它不需要单独的源/目的地址，代之以数据标识，因此不同的消费者（信息接收者）可以根据数据标识同时接收来自生产者（信息产生者）的信息，如果某些信息是它所不需要的，它可以忽略，而只处理那些它所需要的信息，这种全新的网络模式是对传统的网络模式的革命，它极大地提高了网络效率。该模式同时也被DEVICENET和FOUNDATION FIELDBUS所采用，代表了下一代网络的趋势。
系统监控主要采用A-B公司的ControlLogix系统，在整个系统中都设计有通讯功能。ControlLogix的结构能够利用独特的ControlBus底板为整个系统创建通信网关，ControlBus底板不采用典型的主–从模式，而采用另一种方法，该方法基于生产者/消费者，在CONTROLNET和DEVICENET通信网络中会遇到这种模式。对于一些小型站，采用了A-B公司的CompactLogix系统，CompactLogix在控制站上还配有人机界面系统，采用了A-B公司的PanelView操作员界面，能够提供丰富的功能，包括先进的报警处理，屏幕安全设置，模拟量表盘，存储卡兼容，在线打印等，这些功能将为操作员提供更为直观的操作方法。
不同的控制系统，相同的编程组态环境，统一的网络体系，这样的设计节省了很多培训费用和工程执行时间。
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Contrologix系列PLC；9个子站采用Compactlogix系列PLC，滤站8个子站分别控制16个滤池的动作，脱水间的带式压滤机也由一个子PLC主导控制。脱水间PLC、8个滤池子站PLC采用Compactlogix系列PLC，其他站采用Contrologix系列PLC。厂区内主干网即各主站PLC之间以及主站与子站之间均采用ControlNET冗余网络，通讯时如果A网出现故障可改用B网，无需人工设置。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。中控室与黄壁庄取水管理站PLC、岗南取水管理站RTU通过第三方通讯模块MVI56-MCM进行无线数据通讯。上位机及触摸屏均挂在ControlNET冗余网络上。ControlNET网的通讯速度为5M/s，无线通讯速率为19200bps。
3自控系统的数据兼容
3.1数据兼容的设计背景
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一个难点。系统兼容就是指新自控系统与原自控系统在共存期间的互联互通问题，新自控系统将把已经改造站点的数据按照原自控系统的数据要求写入原自控系统，从而保证原自控系统的显示完整。但是，原自控系统不能向新自控系统的设备发送指令。
新系统与原系统的兼容性可以从两个方向来解决：硬件兼容和软件兼容。两种兼容方式各有利弊，从保护投资的角度考虑，软件兼容解决方案是一个比较可行的方案。
3.2硬件兼容
硬件兼容是指通过在新系统和原系统之间增加硬件适配器的方法来双向转换两种不同的PLC协议，从而实现两个系统的互连互通。这种方式的典型应用是扬州第四水厂的滤池改造项目。这种改造方式的系统拓扑结构如图2所示：
图2 硬件兼容系统结构图
这种处理兼容性的方法可以做到比较平稳地从原系统过渡到新系统，比较适合工期较长的改造项目。当然，它也存在一定的弊端。首先，选用的硬件适配器是一个过渡的投资，这个设备在新系统建成之后就失去存在的意义，而且一般来说，专用的协议转换适配器由于用途单一，往往价格较高，昂贵的投资可能只使用一到两年，从硬件成本上来考虑很不划算；另外，这种改造方式并不能节约软件开发成本，所有原系统中的下位程序和上位软件都需要重新编写、重新开发；还有，使用硬件兼容从改造角度来讲会限制新系统的设备选型范围，使改造工作从某种意义上成为对一种过时产品的高级升级。硬件兼容的系统改造示意图如图3所示
图3 硬件兼容的系统改造示意图
3.3软件兼容
软件兼容是指从上位软件来考虑新系统与原系统的互连互通问题。一般来说，工控上位组态软件都会支持多种PLC协议，这样做的目的就是为了使该软件可以支持更多厂家的PLC产品，从而最大限度地提高其产品的适用性。所以我们可以让组态软件来完成两个系统之间的数据交换。组态软件从新系统中读来数据写入原系统中可以在过渡阶段保持原系统的逻辑完整性；另一方面新系统从原系统中读取数据来完成新系统的控制策略，测试新系统的综合性能。这种兼容性解决方案一方面可以减少工程投资，另一方面不会过多增加编程的工作量。当然这种方式也不是完美无缺的。系统的兼容性是需要上位组态软件在系统中的存活来维持的。如果上位机宕机或退出运行状态那么两个系统的互通链条就会中断。这就要求上位软件的开发工作要超前于硬件的安装调试，最起码要同时完成，而且上位程序必须在实验室先期进行全面的测试，务必在程序安装到位后尽量进行最少的修改工作。当然，硬件兼容解决方案也存在类似的问题，毕竟技术改造项目以最小限度地影响正常生产为首要条件。
新、旧自控系统的兼容将采用OPC的方式加以实现。具体的做法是：以中控室的一台新系统的上位机作为OPC服务器，该服务器运行Kepware for Square D服务。Kepware for Square D的服务器端与新系统的上位软件（RsView SE）交换数据，客户端与原自控系统的PLC相连。通过Kepware for Square D 做为新系统和旧系统的数据交换桥梁。已经并入新系统的站点数据将通过上位软件以OPC的方式直接写入原系统中的PLC5 CPU中。OPC服务器通过串口与PLC5的RS232口连接。由于Kepware for Square D不支持与SY/LINK卡的通讯，因此需要在PLC5的程序中额外增加将新系统的数据写入SY/LINK卡邮箱（mailbox）的程序。通过这种方式，新系统中的数据就可以在原系统中传输并显示了。软件兼容解决方案的系统拓扑图如图4所示：
图4 软件兼容系统结构图
4地表水厂的工艺改进
4.1控制策略的移植
控制策略的移植实际上就是把旧系统的PLC中运行的各种控制工艺程序移植到新的PLC程序中。一般来说，这个工作理论上很简单，只是读懂旧程序，按照新设备的编程约束重新编写程序，使两种自控设备在相同激励下保持行为一致。但是在实际操作上这部分工作最繁琐、最容易出现安全隐患。首先两种控制设备在编程规则、实现手段上必然存在差异，程序员必须熟悉两种设备的特点，不可能只进行简单机械的拷贝就可以完成任务。另外，原系统的控制程序是经过现场各种复杂条件考验、结合系统维护人员多年来辛勤工作总结出来的策略结晶。新系统不可能有足够多时间磨砺和现场考验，大部分的程序修改和现场模拟必须在实验室来完成，这必然会在一定程度上出现偏差和遗漏。力争把隐患发生的可能性降到最低限度，这部分工作是决定新系统成败的关键因素。
4.2程序优化和工艺改进
在PLC程序设计当中，程序员不要拘泥于原程序，要根据设备和工艺现状，以全新的方式实现了原系统的所有性能，并展开改进和创新。地表水厂进厂水经过沉淀池沉淀后通过16个滤池过滤到清水池，滤池是地表水处理的重要一环，直接关系到水质的好坏。程序员在程序设计中勇于创新，实现滤池反冲洗工艺的多项改进。
首先消除了滤池液位的不合理的异常报警，弥补了原系统程序设计的漏洞。滤池正常过滤时液位控制在0.95m，并设有高、低液位报警。滤池反冲洗时液位只有0.25m左右，低于正常过滤液位。原程序在反冲洗时会发生不合理的低液位报警，新系统经过程序员的精心设计，克服了这一弊端。
其次改进了滤池反冲洗工艺，节水的同时使工艺更趋合理。原系统滤池反冲洗时，进水提板闸板关闭的同时打开出水提板闸。此时液位尚高，滤池内大量的水排到污泥处理系统；在除锰期，污泥处理系统停用，就被直接当作污水排掉。程序设计人员与工艺人员密切配合，大胆改进。反冲洗开始时，关闭进水提板闸板，将清水出水阀全开，延时2分钟，使滤池内的水继续正常过滤到清水池，待液位下降到接近反冲洗液位时，再打开反冲洗出水提板闸。改进以后的反冲洗工艺明显地减少了设备损耗，节约了水源。
滤池反冲洗的气洗&水洗的时间要根据水质进行调整，新系统将反冲洗气洗&水洗的时间设计成操作界面可调，使操作更加便捷。
沉淀池刮泥桥的自动运行靠南、北限位开关控制。如果限位开关没有正常压上，自动运行的刮泥桥不能停下来，曾经造成刮泥桥驱动电机烧毁的恶性事故。程序设计人员为刮泥桥的自动运行增加了超时保护和报警，并增加了运行时间的计量和显示，方便了用户，消除了设备隐患。
清河、九水厂取水管理站与厂区的数据通讯中断多年，新系统实现了岗、黄取水管理站与厂区的无线数据通讯，结束了厂区与岗、黄靠电话联系的局面。清河、九水厂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。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。岗南取水管理站的自控系统使用的RTU、取水管理站的取水流量计都是使用MODBUS协议的第三方设备，实现了新系统与第三方设备的互联互通，并成功恢复厂区与岗、黄取水管理站的无线通讯是工程设计、实施中的一个靓点。
滤池工艺图如图5所示：
图5 滤池控制工艺
5结束语
北京地表水厂的自控系统改造工程中，采用全新的控制网络设计理念，成功实现改造过程中的软件兼容，在不影响生产的前提下，完成控制工艺的移植，并对PLC程序展开优化，成功完成多项工艺改进，成为整个工程的亮点。