基于Logix平台的城北水厂自控系统概述

摘　要：本文简要介绍了改造后的城北水厂自动化控制系统，通过与改造前的自控系统进行比较，对新系统的网络、人机界面等方面做出了评价分析。通过图示和叙述，阐述了城北水厂自控系统的结构和网络组态方式，并体现了基于Logix平台的控制技术在城北水厂的应用。新系统的使用效果表明，实时性及安全性得到大幅提高，操作方式也较原先更便捷。

关键词：工艺控制、PLC、工业以太网、Controllogix、FactoryTalk View
1.前言
　　城北水厂始建于1999年底，并于第二年5月投运，至今已经运行12年之久。2008年为解决自控系统在供水负荷日益增加中产生的硬件问题，城北水厂对控制网络和上位机进行了改动。2011年底，城北水厂又对自控系统中各站点PLC模块进行升级，并对控制方法进行了改进。
　　目前城北水厂自动化系统由5个控制主站、9个控制子站、1套上位服务系统，以光纤环网的形式组成控制系统。其中5个控制主站中一泵房和加氯间站点已经升级为罗克韦尔公司最新的Controllogix平台，其余站点也将进行升级；上位机采用FactoryTalk View网络版和现场PanelViewPlus操作屏，组成人机界面系统。新系统的使用效果表明，实时性及安全性得到大幅提高，操作方式也较原先更便捷。
2.控制系统的解决方案
2.1 控制策略
　　城北水厂自控系统站点设计是按照净水工艺进行设计的，在每个工艺点设置控制站，每个控制站可以对工艺点单独进行离散控制，再通过控制环网形成相对与外网较封闭的一套控制、信息集成的系统。工艺流程中，设置各种指标检测仪表进行控制参量采集及系统检测。
工艺流程图
　　在控制方式上分为全自动、半自动、远程手动、现场手动四种模式。全自动及完全由系统通过仪表反馈数据进行自动控制；半自动需要人工设定参数来实现现场设备的控制；远程手动通过中心控制室操作机由操作人员对设备进行具体控制，例如启动与停止设备、频率调节等等；而现场手动则跳过处理单元（PLC、SLC），通过现场操作箱、设备控制面板对现场设备进行具体操作。

控制模式简图
2.2 网络部分
　　贯穿全厂的网络采用了工业级的管理型交换机,作为各个子系统的节点交换。罗克韦尔公司开发的以太网系统在兼容了DH+网络的大部分性能以外，又具有DH+网络不具有的优越性：
可实现IP地址的动态分配；
以太网的理论通信速率是DH+网络最大通信速率的40倍；
在单一网络节点总数不受限制；
计算机无需增加其他模块即可与自控网络进行对等连接；
后期维护成本低，可扩展性强。
    由于工业以太网与商用以太网兼容，所以在网络安全性方面不如只是针对控制网络开发的DH+网络，因此在与外网（除工业控制网络外的其他网络）进行数据通信时须经过硬件防火墙过滤，防止病毒对工控网的干扰。通过硬件防火墙设置只允许数据的单一流向，从而保证了自控网络的安全性与可靠性。
　　城北水厂自控网络采用环形拓扑结构。为了保证通信的顺利进行：1）光纤以铠装的形式地埋在电缆沟内，大大减小了外界环境的损坏与信号干扰；2）光纤交换机及光纤熔接盒安装在PLC机柜内（滤池子站有专门的电气柜安放光纤交换机和熔接盒），安全性较高。考虑到以上两点，再加上环网有一点断开时不会对通信产生影响（一点断开时，由环网变成总线形网络拓扑结构），而环网形成两个断点的情况非常小，所以采取了单环网通信方案。
　　
2.3 人机界面
　　系统采用基于SOA（面向服务）的C/S架构。同传统的C/S架构不同，所有的C/S应用都将基于FactoryTalk 服务平台。城北水厂经过改造后上位机组态软件采用FactoryTalk View SE，这是一款管理级的（相对机器级的ME版）控制系统监控程序。SE具有分布性和扩展性特点，支持分布式服务器/多个用户应用机器的模式，这样可以扩展出多个信息控制点，而且不是增加控制网络节点数来实现。即使客户端采用不同的应用程序，控制系统的统一性还是能够得到保证。
　　1）对标签只做一次定义，通过FactoryTalk，SE可以直接从例如PLC、SLC等FactoryTalk服务设备上读取所需信息，同样也可直接从第三方OPC服务器中读取信息。所以城北水厂自动控制系统中的标签都是存在统一的一张TAG表中，SE、Logix程序都是针对本TAG标中标签进行引用。所以这个控制系统中，软件上达到统一定义。
　　2）两台冗余的服务器组态。为了确保控制系统的不间断性，采用两台高度冗余的服务器进行人机界面服务和数据服务的互备。当其中主服务器发生故障退出系统时，另外一台服务器继续为客户机提供信息。

　　城北水厂上位机界面1
   
                  城北水厂上位机界面2                    城北水厂上位机界面3
　　 

　　在上位机采用SE的同时，现场部分也具备PanelView Plus操作员界面。城北水厂属于技术密集型企业，各个站点、机房实现无人值守，只有少量值班人员对日常生产进行监控。所以在现场操作时，同样需要能够提供完备信息和简便操作方式的可视化操作界面。城北水厂的五个PLC站点安装的PanelView Plus操作员界面可以实现对全厂设备状态的采集，并通过显示屏提供与SE界面风格相同的人机接口。项目中采用了PanelView Plus 1250，其本身的逻辑控制模块中包含了USB接口、以太网接口、CF卡槽，24V直流电源接口，所以无需另购增强模块，一定程度上有利于控制系统成本的控制。
　　PanelView Plus安装有Windows CE嵌入式操作系统，基本操作方法与Windows操作系统相似。通过在PanelView Plus上运行FactalkView ME，提供与SE相同的人机接口界面。ME一定程度上可以看作是SE的简化版，与SE具有相同的开发平台FactoryTalk View Studio，在功能和界面上可以通过转换SE界面直接应用。
2.4数据连接
　　利用Logix控制平台的网络化智能通讯背板，可实现三层网络的无缝路由，在RSLinx Classic软件中任意一点接入，即可对所有三种网络设备进行网络化组态和维护。当然，由于网络节点的限制，需要对网络进行预先规划和网络组态，这就需要专用的网络组态工具软件，即RSNetWorx for ControlNet、RSNetWorx for DeviceNet、RSNetWorx for EtherNet。
　　城北水厂控制系统中，除了两台进行生产控制操作客户机外，还有一台远传至总公司中心调度的数据采集机。通过RSLinx形成的数据软连接，数据采集系统从自控系统中读取所需要信息并远传至总公司。
3.系统实现
3.1 硬件及网络组成
　　城北水厂自控系统按照净水工艺流程进行设计规划，由5个控制主站、9个控制子站、1套上位服务系统组成。5个控制主站通过阶段性改造，其中一泵房和加氯间站点采用罗克韦尔新一代Controllogix系统，加药间、冲洗泵房、清水泵房采用PLC5系统；子站中滤池站由7个SLC500以1拖2的形式对14个滤池进行控制，2台排泥机分别由Micrologix控制器进行控制。
　　中心控制室采用2台数据冗余的高性能服务器，2台标准商用机作为上位机。服务器采用的英特尔至强处理器，在数据处理方面有较高的性能，对于中小型水厂控制数据的处理颇有余力。两台服务器以及上位机通过APC 5000KVA UPS进行供电，保证操作机器的不间断供电。
　　城北水厂自动化控制系统采用工业以太网的网络形式，网络拓扑方式为环形连接。整个环网以光纤进行连接，并以铠装线缆的形式地埋至厂区各个控制节点。在5个PLC站点、滤池、中心控制室、35KV变电所均安装MOXA EDS-508A 光纤交换机进行数据交换。2个Controllogix站点设计时配备以太网模块、Modbus TCP/IP模块，3个PLC5站点在通过在原PLC框架上增加罗克韦尔公司以太网模块1785 ENET连接至MOXA光纤交换机，从而进入工控环网，并且在一泵房站点通过ControlNet的方式将部分以远程IO方式采集的数字量信号组态进控制网络。其他网络通过一台硬件防火墙读取控制网数据，通过硬件防火墙设置，防止病毒对控制网络的干扰。
3.2 软件组成
　　城北水厂自控系统采用罗克韦尔公司最新版本可视化应用程序开发软件，它包括大量组件，有FactoryTalk View、FactoryTalk ViewPoint、FactoryTalk VantagePoint。城北水厂本次改造中采用了FactoryTalk View进行上位机和现场操作屏的开发。
　　上位机及服务器安装FactoryTalk View SE，现场PanelView Plus操作员界面运行FactoryTalk View ME。人机界面HMI统一用FactoryTalk View Studio进行开发。通过对上位机的开发，在上位机内形成一套曲线查看系统，通过调用历史数据库中数据，形成直观的历史趋势曲线，便于生产调整和成本控制。城北水厂对历史数据的记录根据南京自来水总公司相关技术规定，进行周期3分钟的采样，进行24小时不间断记录。
　　PLC程序通过RSLogix5、RSLogix500、RSLogix5000编程软件进行设计及编译。
3.3 通信组态
　　城北水厂一泵房站点远程IO采用罗克韦尔　Flex　IO，并通过Networx对ControlNet进行组态。其他数据的通信采用RSLinx，其中SE中集成了RSLinx Enterprise版本。
3.4 最近一次系统升级
　　距目前最近的一次改造中，对城北水厂一泵房和加氯间两个控制站点进行了硬件及软件的升级、更换。
　　在保留城北水厂多年操作习惯的前提下，上位机开发平台对一泵房界面进行了修改、加氯间界面进行重新绘制。并根据控制程序的Tag系统，在上位机内建立了与之一一对应的Tag表作为数据缓冲区，同时采用与控制程序相同的命名方式对所有Tag进行了详细的中文注释。
　　在上位机软件修改中，根据重新编译的控制程序建立了符合生产运行实际及安全要求的过程及设备本体报警、互锁信息，删除一泵房和加氯间站点存在的错误连接和画面元素，减少由于程序自身导致通讯效能下降的几率。
4.结束语
　　城北水厂此次的采用Logix平台的改造，解决了原来老系统持续了较长时间的网络延迟问题，规范了控制系统的结构模式。新系统在控制系统层面上实现硬件、软件的统一，同时在生产管理层面上实现了集中管理、统一调度，满足了预期的目标。
参考文献:
《自动控制多学科视角》 Karl Johan Astrom等 人民邮电出版社
《Rockwell FactorytalkView Site Edition User’s Manual》
《自动控制原理》 胡寿松 科学出版社
《电气控制与可编程序控制器应用技术》 李凤阁，佟为明 机械工业出版社
《PLC教程》 皮特鲁泽拉 人民邮电出版社