摘 要：本文通過分析自來水廠對控制系統(tǒng)的功能要求，主要介紹了三菱自動化的PLC及變頻器在自來水廠的應用，以及與FIX組態(tài)軟件構成的自控系統(tǒng)。變頻器的英文譯名是VFD（Variable-frequency Drive），這可能是現(xiàn)代科技由中文反向譯為英文的為數(shù)不多實例之一。（但VFD也可解釋為Vacuum fluorescent display，真空熒光管，故這種譯法并不常用）。變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源的頻率和幅度的方式來控制交流電動機的電力傳動元件。變頻器在中、韓等亞洲地區(qū)受日本廠商影響而曾被稱作VVVF（Variable Voltage Variable Frequency Inverter）。

　　1、引言

　　自來水是指通過自來水處理廠凈化、消毒后生產(chǎn)出來的符合國家飲用水標準的供人們生活、生產(chǎn)使用的水。它主要通過水廠的取水泵站汲取江河湖泊及地下水，地表水。并經(jīng)過沉淀、消毒、過濾等工藝流程，通過配水泵站輸送到各個用戶。 由自來水廠按照《國家生活飲用水相關衛(wèi)生標準》處理后，用機泵通過輸配水管道供給用戶使用。江北水廠所有的PLC均采用三菱AnS系列，完成了邏輯控制、過程控制、PID等多種控制任務。江北水廠所涉及的變頻控制采用三菱變頻器，它們與PLC配合達到了控制。上位機采用美國Intellution公司的FIX組態(tài)軟件及國產(chǎn)組態(tài)王軟件。雖然PLC所使用之階梯圖程式中往往使用到許多繼電器、計時器與計數(shù)器等名稱，但PLC內部并非實體上具有這些硬件，而是以內存與程式編程方式做邏輯控制編輯，并借由輸出元件連接外部機械裝置做實體控制。因此能大大減少控制器所需之硬件空間。實際上PLC執(zhí)行階梯圖程式的運作方式是逐行的先將階梯圖程式碼以掃描方式讀入CPU 中并執(zhí)行控制運作。

　　2、江北水廠對控制系統(tǒng)的要求

　　1）、分散性

　　根據(jù)江北水廠工藝的特點，分為取水泵站、投礬車間、投氯車間、反應池、平流濾、濾池、清水池、供水泵站等。由于主體設備過于分散因此需要控制系統(tǒng)設計成幾個不同功能的分站，通過網(wǎng)絡使各個站之間既獨立又關聯(lián)，互不影響地進行各自的控制任務。

　　2）、集中監(jiān)控

　　為了確保供水水制，操作人員需要在中控室對整個水廠的生產(chǎn)情況了解，并進行集中監(jiān)控。

　　3）、可靠性、安全性

　　水廠的安全、穩(wěn)定運行直接關系到千家萬戶，所以從控制系統(tǒng)的結構設計、軟硬件產(chǎn)品質量到控制程序編制等各個環(huán)節(jié)都必須是高可靠性的。

　　4）、可維護性

　　系統(tǒng)在系統(tǒng)軟件、應用軟件和硬件方面具有強大的報警和故障自診斷功能，方便工程師對系統(tǒng)故障進行分析和維護。

　　5）、可擴展性

　　系統(tǒng)應采用具有一定標準及應用較為廣泛的軟硬件產(chǎn)品，并考慮一定的余量，為將來水廠的擴建及系統(tǒng)的變更打下基礎。

　　6）、開放性

　　開放性是用戶對控制系統(tǒng)的普遍需求。隨著計算機和網(wǎng)絡技術的發(fā)展和應用的普及，人們越來越需要過程控制系統(tǒng)與管理信息系統(tǒng)交互信息，從而實現(xiàn)管理與控制一體化。盡管各控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠家在現(xiàn)場控制器模塊級還不可能完全開放或通用，但必須要求上位機監(jiān)控系統(tǒng)具有開放性。

　　3、 控制系統(tǒng)構成

　　1）、 控制系統(tǒng)硬件

　　如圖所示，江北水廠根據(jù)系統(tǒng)不同功能分為五個PLC站，應用三菱MELSECNET/10網(wǎng)組網(wǎng)通訊，通過A1SJ71UC24-R2與計算機通訊。遠程測壓點通過無線通訊進行數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)生產(chǎn)的特點五個PLC站分別為投加分站、平流池分站、濾池分站、反沖分站、主站。所有PLC站均采用三菱AnS系列PLC。

　　PLC首先檢查輸入端元件所連接之各點開關或傳感器狀態(tài)（1 或0 代表開或關），并將其狀態(tài)寫入內存中對應之位置Xn。步驟二“程式執(zhí)行”：將階梯圖程式逐行取入CPU 中運算，若程式執(zhí)行中需要輸入接點狀態(tài)，CPU直接自內存中查詢取出。輸出線圈之運算結果則存入內存中對應之位置，暫不反應至輸出端Yn。步驟三“輸出狀態(tài)更新”：將步驟二中之輸出狀態(tài)更新至PLC輸出部接點，并且重回步驟一。 此三步驟稱為PLC之掃描周期，而完成所需的時間稱為PLC 之反應時間，PLC 輸入訊號之時間若小于此反應時間，則有誤讀的可能性。每次程式執(zhí)行后與下程式執(zhí)行前，輸出與輸入狀態(tài)會被更新，因此稱此種運作方式為輸出輸入端“程式結束再生”。

　　A、投加分站以過程控制為主，利用儀表、變頻器進行投氯、投礬的回路控制。儀表輸出4-20mA標準信號。

　　B、排泥車分站以邏輯控制為主，通過PLC發(fā)出的指令，指令通過中間繼電器及變頻器，對行車的電機及泵等設備進行開停、運行頻率變化等控制，以達到運行的高度自動化。

　　C、濾池分站是邏輯控制與過程控制相輔相成，并加入了PID控制。在幾個站中濾池分站屬于復雜繁煩，我廠有十組濾池，并且都投入運行，三菱PLC完達到控制要求。

　　D、反沖分站主要是以邏輯控制為主，當PLC接受到濾池站發(fā)出的反沖要求指令時，開始按程序順序地進行控制。

　　E、主站以邏輯控制為主，其作用主要是加強報警功能，將各分站發(fā)生的緊急事故，時間通知值班人員。

　　以上各站中主站CPU選用三菱A2ASCPU-S1，其它各站選用A2ASCPU（I/O點數(shù)512，存儲容量64K），A/D轉換模塊選用A1S68AD，D/A轉換模塊選用A1S68DAI，在網(wǎng)絡方面選用了A1SJ71BR11模塊組成的同軸電纜總線方式的MELSECNET/10網(wǎng)。此網(wǎng)絡的優(yōu)點是當一個站由于電源故障或其它故障而脫網(wǎng)時，這個站將被分離，數(shù)據(jù)鏈接繼續(xù)在有效的站間進行，當故障消除時，它自動返回在線狀態(tài)，重新開始通信。從江北水廠投產(chǎn)運行至今，除了被雷電擊壞了網(wǎng)絡模塊以外，還沒有因PLC故障導致生產(chǎn)無法正常運行的事件發(fā)生。

　　由于篇幅有限，這里主要講一下PID控制，水廠涉及PID控制回路主要是濾池站，在PID控制回路中要給出一個水位的設定值（SV值），通過PID控制單元將過程值（PV值）與設定值（SV值）對比，并執(zhí)行PID控制算法，送出適合于執(zhí)行機構特性的命令值（MV值）。執(zhí)行機構是由模擬輸出控制。實際應用中能滿足控制要求，達到V型濾池恒水位控制的要求，我廠PID控制可以分為自動和手動兩種方式，自動控制即由PLC進行全自動控制，不需要進行人工干預。手動控制即在上位機上給定一個閥位輸出值（MV值），通過PLC對閥位進行控制，手動方式時內部設定點不與測量值校準。

　　編程梯形圖軟件用三菱公司的GPPW軟件，在組網(wǎng)設置方面非常簡便，在程序調試方面及在線檢測方面已大大優(yōu)越于老版本的GPPA。

　　在變頻器的使用中，我們接觸過兩款三菱公司的變頻器，F(xiàn)R-A044-2.2K 和FR-E540-0.75K，產(chǎn)品均采用以微處理器的數(shù)字控制技術，在使用過程中都能達到很好的響應能力，具有頻率設定檢測、負荷選擇、電流輸入等，共計100多個參數(shù)選擇。及對變頻器過載、CPU故障、電機再生電壓過大等多種故障進行監(jiān)控。相比FR-E540-0.75K調節(jié)參數(shù)設置方面沒有FR- A044-2.2K方便。使用變頻器后感覺的優(yōu)點是：變速區(qū)段全由軟件設置，具有柔性控制的特點。

　　系統(tǒng)結構圖

　　2）、控制系統(tǒng)監(jiān)控組態(tài)軟件

　　江水水廠的人機監(jiān)控系統(tǒng)由位于中控室的兩套FIX6.15組態(tài)軟件及投加室一套組態(tài)王軟件構成，組態(tài)軟件與PLC構成了上、下位機關系。通過專用的I/O dirver將二者結合起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控的任務 。組態(tài)軟件支持第三方應用程序的運行，具有操作簡單、管理方便、安全性、維護性、可移植性、穩(wěn)定性強的特點。我們還利用FIX通過ODBC SQL實現(xiàn)了與調度室數(shù)據(jù)傳輸任務，保證了系統(tǒng)的開發(fā)性和可擴展性。FIX提供了報警系統(tǒng)生成、顯示、存儲報警信息等功能，使下位機PLC的事件實時地顯示出來。

　　4、 結束語

　　本系統(tǒng)在江北水廠已穩(wěn)定運行近四年多，運行結果表明三菱自動化PLC及變頻器與組態(tài)軟件組成的PLC+PC系統(tǒng)能充分滿足對水廠控制系統(tǒng)的要求，對水廠的安全運行、提高供水質量、節(jié)能降耗、優(yōu)化管理等方面起到了至關重要的作用。