基于西门子PLCS7-300的自来水厂自动控制系统的研究与设计

孙智宗

（遵义市汇泓供水有限公司，贵州 遵义 563000）

0 引 言

我国自来水厂自动控制系统起步较晚但发展很快，从60年代简单的水位自动控制发展到70年代采用热工仪表和集中巡检装置。80年代后，随着国家工业水平的快速提高及外资的大量引进，国外先进的自动化控制技术与设备进入我国，使我国自来水厂自动控制水平快速提高。

但我国自来水厂自动控制系统还存在较多问题。例如，普遍采用可靠性高、维护简便的检测仪表和在线分析仪表，但多数仪表都是国外进口设备，使用和维护方面存在较多问题；系统应用状况复杂，多种控制方式、各种类型及不同等级的自动控制系统并存。基于此，本文将针对自来水厂自动控制系统实际运行中存在的问题，采用自顶向下的设计方法，利用西门子PLCS7-300实现污水处理自动控制。

1 自来水厂自动控制系统的模式选择

根据自来水厂实际情况和工艺要求，自动控制系统的模式如表1所示。其中，PC+PLC的模式应用最广，主要是基于如下特点。自来水厂一般都设有中控室，控制环境和条件较好，可以采用高性能计算机作为管理和操作监控站；操作系统安全性较高且具有分散高效的特点；可结合自来水厂的实际工艺流程和建筑物分散的特点，组成灵活的通信网络；系统软硬件资源丰富，性能稳定、兼容和扩展能力强[1]。

表1 自来水厂自动控制系统的模式对比

根据实际情况，PC+PLC的模式设计简便、运行稳定可靠且成本低廉，对系统运行、维护和操作人员的要求也不高，符合自来水厂目前的生产运营状况，故本文将采用该模式。

2 自来水厂自动控制系统的总体架构

根据自来水厂环境条件、工艺流程及设备较为集中的特点，自动控制系统采用基于西门子PLCS7-300的分布式结构。此结构中西门子PLCS7-300子站单元为用户提供了良好的人机操作界面、参数采集及设备控制功能，且其联网能力也使各站点间能方便快捷地进行状态信息和控制参数的传递。具体地，自来水厂自动控制系统由如下3层架构组成[2]。

（1）站级设备层

该层主要由控制柜及配套的UPS电源、西门子PLCS7-300、光纤通信工业网络交换机、断路器、避雷器、继电器及隔离器等构成，同时配置一套操作显示屏。

站级设备层的主要功能如下：实现设备间的联动逻辑控制，根据工艺要求来完成设备的反馈控制和过程控制；实现所辖区域内各设备的信号实时检测、数据采集和自动控制；当中控室计算机或人机界面发生故障时，无论任何情况都不会对西门子PLCS7-300的自动控制和检测功能产生影响，且确保现场设备的运行状态不会发生改变；各设备间相对独立运行，当测量控制单元或现场控制站发生故障时，不会对其上级、下级或同级的其他控制站控制单元的正常运行产生影响；现场控制子站设置触摸屏作为就地操作终端，操作人员可对该控制站监控范围内的设备实施就地集中控制，或在中央控制室授权后可就地更改设定本站的工艺控制参数。

（2）通信网络层

通信网络层采用工业以太网，通信协议为TCP/IP，通信速率为10/100 Mb/s；环型网络连接，中心交换机设置于中控室，端口富裕量100%；通信介质采用多模光纤（50/125 μm）。

（3）中心监控层

中心监控层由光电转换器、两套中控计算机、报表打印机、事故报警打印机、网络交换机、操作台及不间断电源等构成。其中，作为中控室人机交互接口的两套中控操作站计算机互为热备用，正常情况下两套中控计算机同时工作并不断执行同步操作，应用数据同时保存；当其中一套中控计算机发生故障时，另一套中控计算机正常运行，故障计算机所丢失的数据可等故障消除后从正常运行的计算机中补回。

中心监控层的主要功能如下：事故记录、报警及报警打印；选择或修改控制参数及控制方式；对现场西门子PLCS7-300所采集到的设备运行状态及工艺参数进行实时读取；对生产工艺主要流程和各生产环节子流程画面进行实时、动态的显示；远程控制各西门子PLCS7-300站和设备单元；对日报、月报和年度报表进行打印；数据回归和趋势分析；构建全厂检测和控制综合数据库，记录和存储主要设备运行状况和重要工艺参数[3]。

3 自来水厂自动控制系统的实时性指标和可靠性指标

3.1 自来水厂自动控制系统的实时性指标

（1）中控室监控计算机

为满足自动控制系统数据采集、控制功能、人机接口和系统通信的时间要求，中控室监控计算机的实时性指标应满足如下要求：人机接口调用画面时间（90%画面）控制在1 s内，调用其他画面时间控制在2 s内，实时数据显示的刷新周期控制在5 s内，动态显示数据刷新时间控制在2 s内；重要遥测传送时间控制在2 s内，遥控、遥调命令传送时间控制在2 s内，遥信变位传送时间控制在1 s内，全系统实时数据扫描周期控制在2～5 s内；双机自动切换时间应确保实时任务不中断；打印报表输出周期可按实际情况进行调整；事件顺序分辨率控制在3 ms内；计算机监控系统与标准时间误差控制在1 ms内[4]。

（2）现场西门子PLCS7-300控制站

现场西门子PLCS7-300控制站的实时性指标应满足如下要求：控制命令响应时间应控制在1 s内，接受命令到执行控制响应时间应控制在1 s内；报警点采集周期、模拟点采集周期及指示（状态）点采集周期应控制在1 s内，事件顺序分辨率应控制在1 ms内[5]。

3.2 自来水厂自动控制系统的可靠性指标

自来水厂自动控制系统的可靠性指标如表2所示[6]。

4 结 论

利用PLC构建控制系统，结合组态软件按照“分散控制，集中监测”的原则构建成自来水厂自动控制系统，结合以人机界面来提升操作友好度，并安装上位机的监控组态软件来控制监视整个系统的运行状况。这种自动控制才是目前的发展方向。

本文构建的基于西门子PLCS7-300的自动控制系统，中控室可对整个水处理过程进行闭环控制；计算机可从各个现场PLC子站采集数据，记录各个设备动作记录及设备报警，还可以提供历史曲线供查阅；一旦自来水厂设备发生难以及时解决的故障，下面每一台设备都可以单独手动操作，从而不影响整个系统的运行。

表2 自动控制系统的可靠性指标