摘要：本文介绍了南洲水厂自动化控制系统的结构及组成，以及设计考虑的主要问题；系统有效的解决了多种工业现场总线互联以及远程通讯等问题
关键词： 水厂，自动化，现场总线，通讯
南洲水厂是广州市自来水公司第一间具有深度处理的全自动化的 100 万 m /d 饮用净水生产厂，其自动化系统要求以安全可靠、优质供水、节能降耗、管理方便为设计原则，从实际出发，使水厂仪表检测和自动化控制达到国内同行先进水平。系统设计综合考虑了设备、仪表的性能、特点以及水处理工艺要求和整个自控系统的可扩展性及兼容性等问题，为本监控系统的正常运行提供保证。
1. 系统网络结构
南洲水厂厂内监控系统主网采用以光纤为传输介质、遵循 TCP/IP 协议的（10M/100M，环网）工业以太网为主干网络，现场主要设备采用独立 SLC 控制，采用 DeviceNet 等现场总线将其联接构成现场控制层；水质仪表、电类计量仪表、高压综合继电保护及测量等设备通过 Modbus现场总线构成现场检测网络，并与主控 PLC 连网；主控 PLC 通过交换机连于全厂主网。
控制排泥车等移动设备的小型 PLC 通过低功率、近距离的无线传输设备与子站主控 PLC 通讯。水厂与 30km外的取水泵站则通过 VPN 及无线方式通讯方式，监测源水泵站状态。水厂内部监控系统以多任务平台上的实时监控、开发和管理软件组成工控局域网和管理以太网。监控系统框图见图一所示。
2. 设备控制方式
各受控设备具有就地（就地一步化）、调试（就地无联锁）、停、远程控制（由上位机进行一步化开停机或分步调试）功能。 权限级别从高到低依次序为：停、调试、就地、远程控制。
取水、送水及 110KV 变电站为有人值守站。其他按无人值守站考虑。
南洲厂区、取水站、公司调度室无线通讯采用广州市自来水公司现有 230MHz 系统和电信GPRS/ GSM 方式，在三地间通过电信 ADSL 专线，进行数据传送；有线与无线互为备用，自动切换，正常以有线为主。通讯系统结构见图 2 所示。
南洲水厂、西海取水泵站之间的数据传输采用 VPN 方式，GPRS 作为数据的备份传输方式。
南洲水厂与西海取水站之间的通信以 ADSL 方式为主，南洲水厂采用固定 IP 的 ADSL 专线，
西海取水采用动态 IP。在 ADSL 通信链路上面建立 VPN，采用硬件 VPN 网关作为 VPN连接方式，
进行信号传输。
3. 现场控制站
根据工艺流程的分布和水厂总平面布置，分别在取水泵房控制室、药物投加室、滤池和反
冲洗泵房控制室、深度处理控制室、变配电及送水泵房控制室、污泥处理控制室等设置六个现
场控制站，其主要功能如下：
1）取水泵站（PLC1）
用于取水泵站的工艺参数、电气参数、设备状态的采集，根据工艺过程要求通过网络对水泵等上述设备进行控制。水泵机组等由小型 PLC 控制。系统通过总线采集泵组及其他用电设备各类参数，PLC1 现场控制站站内 PLC通过无线系统水厂送水/中控室调度通讯。
2） 药物投加系统（PLC2）
各药物投加系统由独立供货商或系统集成商成套提供，PLC 完成系统内各子系统的控制；通过 DeviceNet 或以太网网络与各子系统控制器交换数据；通过网络电缆与投加系统里的电力监测器连接以采集其数据。
3）沉淀池及滤池系统（PLC3）
沉淀池及滤池系统控制排泥车、滤池及其反冲洗设备。主要负责协调各滤池反冲洗控制，与各格滤池就地控制柜内小型 PLC通过现场总线进行通讯。
4）深度处理（PLC4）
PLC4 现场控制站用于深度处理设备的控制，并通过现场总线和 I/O 与成套设备通讯，主要包括碳滤池系统、制氧、臭氧系统。
5）送水泵站及变电站（PLC5）
PLC5 现场控制站用于送水泵房、总出水、变配电系统的工艺参数、电气参数、设备状态的采集，根据工艺过程要求对送水泵组、出口阀、配电等设备进行控制。通过 DeviceNet 总线与控制泵组的小型 PLC 联网，对其完成测控，通过总线采集泵组及其他用电设备各类参数，通过无线系统与取水泵站 PLC 通讯。水泵等由小型 PLC 独立控制。变电站供配电系统为两路 110kV进线，内桥结线，二台站变，其监控及保护系统通过 Modbus 总线与主PLC 通讯。
6）污泥处理系统（PLC6）
PLC6 现场控制站用于污泥处理系统的工艺参数、电气参数、设备状态的采集，根据工艺过程要求对主要设备及相关阀门进行控制。
7） 中控室 PLC7 站
PLC7 站用于中控室模拟板驱动：通过系统网络通讯，采集接收各现场控制站检测到的主要工艺设备工况及报警信号，送至中控室模拟板（RS232/RS485 接口），对其进行定时刷新，实现实时动态显示。
现场控制站 PLC 采用美国 AB 公司产品，主控 PLC 采用 ControlLogix 系列，设备层采用MicroLogix1500 系列，两者以 DeviceNet 网络联接，主控 PLC 经交换机与全厂以太网联接。重要站点如滤池等系统采用热备冗余 CPU。
水厂中控室配置有数传电台和 GRPS通讯模快
通讯调度系统软件可以在与其它 RTU 之间的通信中选择最佳的通信信道，使系统在总体上达到最佳的通信效果。软件提供人工强制选择通信信道的功能；同时负责信道的故障判断，根据实际情况，指定 RTU 的主通信信道，当主站和 RTU 通信时，根据通信失败次数、误码率等参数来判别主信道的通信质量，当主信道出现故障或达不到要求的通信质量时，自动切换到备用信道上工作。当采用备用信道通信时，主站按一定的周期检测主信道的通信质量，当主信道的通信质量回复正常时，自动切换到主信道上工作。
4. 系统软件功能
本监控系统软件采用组态软件、模块化设计，并具有汉化界面。各监控站数据从服务器数据库中获取，以客户端方式运行。
现场控制站的操作员站的任务是在标准画面和用户组态画面上，设定、汇集和显示有关的运行信息，供运行人员据此对设备的运行工况进行监视和控制。操作员站要求监视或控制本工艺点的生产过程画面及生产实时数据，查询和打印各种历史数据： 中控监控管理站作为取水、净水、供水和污泥处理的中心，用于全厂的数据监控和数据管理，具有各操作员站的全部内容。各系统具有以下主要功能：
1）报警处理
2）历史数据的管理
3）事件处理
4）人机界面
5）画面显示
6）数据通信
7）报表产生
8）实时与历史数据分析
9）安全登录和密码保护
10）操作控制功能：
11）其它功能。
·报警处理
在任何时间和在任何显示上工作站均能在画面顶部或底部显示出总的报警信息，包括报警设定值（报警条件）、报警值、报警状态、报警时间。这些报警信息通过报警声音提醒，使操作人员可以快速地调用与本报警有关的画面，以得到可以寻找故障原因的详细资料。如果需要可以按要求调用并按命令分别打印登记在数据库中的报警内容。对于长期不正常事件（由监视人员确认后）可禁止报警和登录。对于已确认的报警应带上报警发生时标，存入报警数据库。对于末确认的报警应持续发出声光报警，直至值班人员确认，还可依据报警信号重要性动态改变报警级别。
·历史数据的管理
操作人员依权限可按要求进行分类列表，对于变量应表明时标，属性，测量范围，实时值，并用颜色或符号表明数据性质。也可以在表格上用“指针”选定数据点，对其设定值，测量范围，数据性质进行修改。
·事件处理
a. 事件登记
报警、调度命令及设备操作命令、挂标记牌操作、修改设定值或写入数据等事件都记入不可修改的“事件登记簿”。
b. 事件检索
操作员可在“事件检索”的视窗中按事件类别名称、对象名称、事件起始至截止的日期和时间及对象编号进行检索。
c. 事件记录存储
事件库中具有足够的容量存放事件登记，事件登记每天以数据文件形式入库，盘区存满后通知操作员移出另外存储。
·人机界面
a. 人机界面运用开放系统的图形窗口技术。
b. 友好的操作人员界面。
c. 程序员可在线修改和编辑画面。
d. 支持三维图形。
e. 带有详细的联机帮助功能。
·画面显示
a．站级显示：包含站内整个系统及相关系统的运行状态总貌，显示出主设备的状态、有关参数以及控制回路中过程变量与设定值的偏差。工艺控制图形的总体结构形式为窗口式和分层展开式相结合。
b．功能组显示：包含过程输入变量、报警条件、输出值、输入值、设定值、单元标号、缩写的文字标题、控制方式、报警值等。功能组显示画面包含所有监控单元或回路。
c．细节显示：可观察以某一单元为基础的所有信息。
d．其它显示：包含报警显示、趋势显示、成组显示、棒图显示、帮助显示、系统状态显示等。
e．在各个工艺过程的合适位置实时显示主要相关数据。
f．画面显示系统的操件采用图形标记，下拉式屏幕菜单和键盘按钮。 所有显示和打印输出均可显示出以 24 小时时间型式的时间。
g．趋势图显示功能
可以用棒状图或线状图显示历史趋势或当前趋势，可选择 1 条至 16 条实时或历史趋势图（用不同颜色）在同一时间内显示在一幅画面上。当前趋势显示根据实时原理不断校正。
操作员可以方便地调整趋势显示的时间坐标或输入范围。
5． 组态软件配置
组态软件采用服务器 RSVIEW SE 版本；系统服务器配置成域控制器，并使用双机热备方案。RSVIEW SE 使用冗余设计；后台数据库使用 SQL Server。RSVIEW SE 从各个主控 PLC 中读取数据，再保存到 SQL SERVER 中。采用 RSSQL工具进行 RSVIEW SE 数据与 SQL Server 数据库连接。PLC程序开发，RSVIEW SE 开发部署在 RSVIEW Studio中进行。调度通讯软件负责与水公司调度系统的通讯。而全厂数据管理则由水厂数据管理系统负责，包括报表打印、决策分析、数据转存和备份；管网监测软件集成到 RSVIEW SE 的上位监控软件中。
1）RSVIEW SE 冗余设计
利用 RSVIEW SE 的冗余特性可以防止软件出现故障，同时它使操作的中断和数据的丢失降低到最小程度。
一个分布式 HMI 系统包括 Server 组件和 Client 组件。Client 组件提供了系统操作员作用的接口，一般是动态更新的图形显示。这些图形显示描述了系统的当前状态，并且允许操作员监视和控制其操作。图形显示中的动态信息，包括动态图画、报警汇总、更新标签值以及实时和历史趋势，都是由 HMI 系统中的 Server 组件提供，Server 同时记录历史数据和执行其它的后台监视和控制功能。
为使操作员能够维护和控制整个系统，Server 组件必须给 Client 组件提供连续的信息，确保关键性的数据一直提供给 Client。南洲水厂监控系统 RSVIEW 采用了冗余设计，系统在最坏情况下：Client 在 5 秒钟内检测到和主 Server 间的通讯丢失，在设定时间内切换到备用Server 上。一般情况下，Client 在小于 5 秒钟内检测到 Server 故障，然后在小于 5 秒内进行切换，连接到从 Server 上。Client在应用系统中可能根本感觉不到 Server 的切换。其切换对于 Client 是完全自动和透明的，在 Server 检测到故障而切换到冗余设备期间，操作员不需要采取任何措施或重新启动 Client 软件，就可以继续使用系统。切换过程中，操作员可以和仍然在线的 Server 继续保持联系。Client 软件仍继续运行使用。当主 Server 重新可用时，系统能够自动切换回该 Server。
RSView SE 具有三种类型的 Server，
FactoryTalk Directory Server：它保证了应用系统的各个部件在计算机上或者通过网络互相访问。
RSView HMI Server：用于储存 HMI 部件，例如图形显示，并且将这些组件提供给 Client。
同时它也储存标签数据库/检测报警和记录历史数据。
Data Server：它充许 Client 访问PLC 中的信息，其它硬件设备上的信息。
本监控系统的 RSVIEW SE Server 配置如图 3 所示，每种类型的 Server 通过标准的组态选项配置冗余，可最大保护系统安全，及数据正确，达到上述作用。
三台服务器分别配置为：第一台配置成主 FactoryTalk Directory Server、主 RSView HMI Server，第二台配置为主 Data Server，第三台则配置为从 FactoryTalk Directory Server、从 RSView HMI Server、从 Data Server。当主FactoryTalk Directory Server、主 RSView HMI Serve、主 Data Server 出现故障或维护时，系统自动启用从 Server，保证任何情况下系统正常运行。
2） 数据流程
根据工艺特点及分布式监控系统的特点，按下述规划进行水厂数据采集及保存。 数据按两个方面的要求进行存储：一是数据的现场存储，主要用于数据的后备，防止控制系统中心数据服务器存储失败后，用作补充或效验比较用。二是数据的中央存储，由数据服务器完成，用作标准数据源，作为所有的处理和查询用。
RSVIEW SE 先从各个主控 PLC 中得到各种生产数据，同时利用其标签功能，计算合成数据，如效率、电耗等；RSSQL 采集各个 RSVIEW SE 标签的值并保存到 SQL SERVER 中，先储存到原始信息数据库。
数据库则分为以下：
a. 原始信息库数据库
用于保存整个工控系统实时采集的数据，包括水质、电站、取水泵站、送水泵站、滤池、投加、污泥处理等子系统等主要参数。主要用作显示趋势图，并为实时信息数据库提供数据源。
数据定时采集，在线存储，记录周期可调，按一定的周期采样，数据采用先入先出的保留形式，保存一月。
数据同时保留在本地的 ACCESS 数据库中和 SQL SERVER 中，如图 4。当 SQL 服务器维护或网络堵塞时，RSVIEW SE 无法把数据存放到 SQL SERVER 的时候，数据继续保存在当地的 ACCESS数据库中。当故障去除后，RSSQL 再把 ACCESS 中原始信息数据库中的数据导入 SQL SERVER。这样充分保证了数据的连续性。
采用 RSSQL 工具进行数据抽取，相对于使用VBA或RSVIEWSE 存取有以下优点：
实时性强：RSSQL 专用于工业级的数据连接、抽取工具。
占用资源低：可以有效降级各个工作站的CPU的资源，加强整个系统的稳定性
数据双向流动：上层数据库的改动，也可通过它修改下层数据
为以后智能控制系统的建立打下基础，为上层管理系统与下层控制系统建立了双向的链路。
b. 实时信息数据库
用于保存由原始信息数据库转换而成的数据和其它生产数据，包括天气情况、生产调度数据、材料价格等。主要作用是用于报表处理，统计分析。并为标准数据库提供数据源。 数据库保存于 SQL SERVER 中，生产数据记录周期 5 分钟，并可保存 6 个月采取先进先出的数据更新方式。原始信息数据库中的数据，经过检查和过滤后，送到实时信息数据库保存。
这些数据将作为厂内的数据标准，成为全厂所有的工控子站（包括现场子站）、MIS 系统，对外实时数据交换的标准数据，同时也作为以后统计、计量、保存、与外界数据交换、报表生成的数据依据。
c. 标准数据库
由实时信息库中的内容、事件记录和报警记录生成一个主索引按每天增加一项新记录形式的关系数据库，还包括以此为基础应衍生出各个生产报表数据，电子文档、打印硬拷贝等，还有各种初级统计报表如月报表，旬报表，季度报表等。标准数据库位于 SQL SERVER 中。
3） 数据的存储
为对水厂的数据能进行长期保存，必须定时对数据进行转存和备份。转存数据可人工操作，也可设置定时自动转存，以保障数据安全, 数据可转存、压缩保存或刻录到光盘。原则上按每月一次转存和备份。并可自由选择保存的时间范围。采样周期可调。
从历史数据能够计算最小值、最大值、平均值、标准值、偏差值、累积值和其它特殊的方程式。此外，运行程序的结果也可以存储在历史数据库。
所有收集的实时数据都按时序依次存储，对重要的过程数据和计算数据进行在线存储，并可保存至少 48 小时。用户可定期将这些数据转存成历史数据。并可根据数据的组号、测点号、测点名称、时间间距、类型、名称、属性等项目来检索所存储的历史数据。历史数据保存期为两年，可转储，并可依据要求进行显示、查询、打印等。
4）实时与历史数据分析
根据水厂工艺运行与管理特点，建立各种重要参数的历史知识规则库，自动学习建立其规则知识库；实时采集现场数据进行计算如泵站效率，供水成本，机组电耗等，自动根据数据规则库建立水厂的重要参数的知识学习规则库、分析判断泵组是否在高效区运行，分析供水电耗是否正常，供水成本是否合理，提供生产运行管理者决策依据。可以对每日生产运行结果进行分析与处理，提供各级人员进行分析参考。
6．结论
至 2004 年9月投入运行以来，系统稳定可靠，有效解决了多种工业总线互联及远程通讯等问题，满足生产实际需求，为南洲水厂的饮用净水生产发挥了重要作用。
