西门子(钦州)PLC代理商

介绍了PLC三层通信网络在大型城市污水处理监控系统—青岛市污水处理监控系统中的应用，成功的实现了大区域的实时监控和管理。

1 污水处理监控程序概况
　　　青岛市污水处理厂处理工艺采用国际上比较先进的SBR活性污泥法﹑信息与自动化工程采用二级分布式计算机控制管理系统方案。这种结构可使生产过程中的信息能够集中管理，以实现整体操作和管理；同时也可使生产过程中的控制危险系数降低，提高系统的可靠性。
　　　整个系统分成两个管理级：上位管理级和现场管理级，具体为由中央控制室操控站(OPS)和上层管理计算机组成的上位管理级，和由现场各分控站PLC及分布式I/O控制系统与现场在线测量仪表组成的现场管理级。现场各种数据通过PLC及远程I/O采集，并通过现场高速数据总线传送到中央控制操作站进行集中监视和管理。中央控制室主机的控制命令也可通过高速总线传送到现场PLC的测控终端，实施各单元的分散控制。

2 OMRON三层通信网络的结构
　　　与传统的工厂控制体系相比，OMRON公司自动化系统提供了高效的﹑开放的网络体系结构，将以前工厂到设备的五层机构简化为三层：管理层﹑控制层和设备层。管理层网络采用Ethernet网络；控制层网络采用Controller bbbb网络；设备层网络采用DeviceNet网络，形成了具有优异通信功能的三层网络，如图1所示。

图1 OMRON PLC网络的三层体系结构

　　　DeviceNet网络用于实现现场设备（开关﹑I/O和人机界面等）与PLC之间的通信；Controller bbbb网络处于三层网络的中间，它主要负责对处在中间层的各个控制器（PLC等）之间进行数据的传送和控制；Ethernet网络（以太网）实现PLC﹑工作站﹑个人计算机以及第三方Ethernet之间的数据通信。

3 污水处理监控系统中的网络拓扑结构与功能配置
3.1网络拓扑结构
　　　根据青岛市污水处理工艺的控制要求，OMRON网络系统，以OMRON公司高性能的CS1系列可编程序控制器为核心，构建污水处理自动化控制信息网络：管理层网络﹑控制层网络和设备层网络。如图2所示。

图2 污水处理自动化控制信息网络

3.2功能配置
3.21管理层
　　　管理层是系统的核心，完成对污水处理过程各部分的管理和控制，并实现厂级的办公自动化。管理层还提供系统人机交互界面并与厂管理层沟通，是整个系统与外界信息交换的窗口。管理层的各台计算机具有相互通信的功能，实现数据交换和共享，以及共享一些昂贵的硬件和软件资源。
　　　管理层采用客户/服务器的体系结构。服务器配有大型网络关系的数据库，如Oracle、Sybase等，实现开放、分布式数据库管理方式的要求。中央控制室的服务器具有远程控制操作功能、显示功能、数据管理功能、数据处理功能、报警功能、报表功能、通信功能和冗余功能。
　　　管理层采用双冗余的Ethernet网络，负责中央控制室的服务器、操作站和工程师站与四个主控站PLC的通信，以及各主控站之间数据的传输。
3.22控制层
控制层是实现系统功能的关键，其主要功能是接收管理层设置的参数和命令，对污水处理生产过程进行控制，将现现场参数如压力、流量、温度、PH、等数据上传，输送到管理层。
　　　控制层采用Controller bbbb网络，用于主站PLC与各分站PLC之间的通信。OMRON公司的Controller bbbb网络采用N:N令牌总线或光纤环网，从而提高了对网络故障的处理能力，不会因网络节点故障而使整个网络停止运行。它的通信速率恒定为2Mb/s，大节点数为62个，采用光纤通信时大距离为30千米。
　　　在各个节点，PLC主站的控制任务具有相对独立性，但又需要与其它主控站任务联系。选用数据链接和报文服务方式来实现PLC间的通信。
3.23设备层
　　　本系统在初沉泵房与第一分控站之间少量的采用了Composbus/D的现场总线，构成了远程I/O系统。Composbus/D采用公开的DeviceNet总线协议，通信速率为500kb/s、250kb/s、150kb/s可切换，无中继的通信距离为500m。现场仪表直接连到DeviceNet网络。
PLC的选择
　　　根据需要，四个主控站选择OMRON公司的CS1或CJ1系列。各现场控制站也采用了OMRON公司的CS1或CJ1系列。PLC的输入输出控制点均留有20℅以上的容量，为提高抗干扰能力，PLC柜内装有隔离变压器。此外每个PLC都连接了一台图形方式的人机交互触摸屏，便于工人在现场对设备进行操作。

4 上位机管理控制系统
　　　中央控制室的上位计算机和现场控制站组成了一个环形光纤网络系统，它负责监控全场污水处理过程和设备运行状况。上位机可以调用各现场站的全部运行信息，在中央控制室可以控制现场主要设备的停止和启动。
　　　上位计算机管理控制系统设置工程师站和操作站，工程师站的专用计算机以流行的SCADA软件作为系统控制软件，内部集成VBA，可离线或对整个监控系统进行组态和参数修改等来实现对工业控制系统的检测和控制。能体现良好的通用性、灵活性、开放性、可靠性和高性价比。系统采用了图形用户界面（GUI）为操作人员和系统开发人员提供监视环境。在这个环境可以实现数据采集、数据处理、状态监视、远程控制、报警、数据登陆和生成报表等基本功能。另外工程师站可以安装PLC编程软件，通过网络通信，程序可以方便地通过控制网络Controller bbbb网络分别下载到制定地现场控制站PLC，以便在调试过程中随时修改程序。操作员可以通过操作站的计算机实时监视全厂工艺参数变化、设备运行、故障发生等情况，并进行多种模式操作，同时负责日常报表打印、事故打印和数据记录等。

5 结束语
　　　本信息网络在实际运行过程中基本上没有出现大的故障，在满足检测和控制功能的基础上实现了数据监控、信息共享和数据库的管理。提高了自动管理水平和经济效益。实现了管理和控制的一体化，取得了期望的结果。

1 引言

      在整个电力自动化市场中，大部分的关键监测、控制产品都以国产为主，而且国产设备的技术、性能、水平、均体现出明显的优势，比如：高压及超高压变电站现地控制装置、继电保护设备、线路和机组同期设备以及绝大部分中低压测控设备。而水电站测控设备长期以国外PLC为主。传统的PLC是作为通用工业控制器而设计的，没有考虑水电厂应用的特殊性，对于水电厂监控系统中要求的时钟同步、事件顺序记录功能无法实现。在使用过程中发现了另外一些问题，如：开出回路太简单，无相应安全措施，在强干扰情况下有时会产生误动；通信扩展能力差；在实现复杂控制过程时，使用梯形图等语言显得非常烦琐；控制流程调试不方便等等。伴随着电厂单机容量的日益增大，控制过程越来越复杂，对电厂计算机监控系统提出了更高的要求。主要表现在：需要功能更强、速度更快、容量更大的PLC产品，以完成大型的控制项目；实现网络化及更强的通讯能力；要求控制更加可靠，性能更加稳定；提供多样化的更方便的编程语言等。传统的PLC已无法满足日益复杂的实际应用的需求。

       国电自动化研究院多年来一直致力于电力系统自动化，特别是水电站自动控制的研究与开发工作，产品已在葛洲坝、龚嘴等多家水电站获得成功应用，并在水利、风电、水处理等其它控制领域得到广泛应用。MB系列iPLC是在总结多年在自动控制方面的成功经验，深入研究了当前主流PLC产品的优点及不足之处，并积极关注PLC的新发展趋势，应用一系列新技术开发的新一代硬件平台，是对传统PLC功能的有针对性提升。

      MB系列iPLC继承了传统PLC的长处，又弥补了传统PLC的一些不足，同时采用了大量先进技术，充分体现了本院多年来在水电站监控系统的研究成果，是多年工程经验的集中体现。该产品集智能、可靠、开放、灵活于一体，适合多种复杂控制领域的应用。MB系列iPLC采用了嵌入式软件、硬件技术和现场总线技术等技术开发的。针对不同的应用开发了MB80型大型PLC、MB60型中型PLC、MB40型小型PLC及MB20型微型一体化PLC等四种不同类型的PLC，分别应用于大型水电站、中小型水电站及辅机、闸门等不同的应用场合。本文将从MB系列iPLC体系结构、系统配置、技术特点、工程应用实例等几方面介绍MB系列智能可编程控制器及水电厂的应用。

2 MB系列iPLC体系结构与系统配置

2.1 体系结构：

      MB系列智能可编程控制器采用LAN/FieldBud系统体系结构（如图1所示），提供标准的以太网接口完成与上微机系统的通信，通信规约采用开放的、标准ModBus TCP规约。CPU模件和I/O模件之间采用现场总线作为内部总线及扩展总线，现场总线特有的高可靠性和对现场环境的适应能力，使得MB系列PLC系统配置的灵活性和可靠性也大大提高。图1以双CPU双以太网热备冗余、单CPU双以太网和单CPU双以太网三种典型的应用。为水电厂的应用提供灵活的系统配置方式，适用于更加广泛的现场应用。

2.2 系统配置：

      MB系列iPLC提供三种系统配置，包括单CPU单以太网模式、单CPU双以太网冗余模式、双CPU冗余模式，多种灵活的系统配置模式可以更好地适用多种不同的实际应用。提供了多种类型模件包括电源模件、三种不同类型的CPU模件、串口通信模件（提供8个标准的RS232/RS485）、开关量输入模件、SOE模件、开关量输出模件、模拟量输入模件（电流型和电压型）、温度量模件等。

3 技术特点

3.1 编程与调试

       MBPro编程和调试软件是针对MB系列iPLC开发的，支持MB系列所有型号的PLC。提供了梯形图、流程图等编程语言，具有系统配置、数据库组态、数据库在线查询、梯形在线监视、流程在线调试及梯形图在线修改功能。

可视化流程图编程技术：

       采用了“所见即所得”技术设计的流程图编程语言是一种可视化的编程语言，非常适合复杂的顺序控制过程，它与设计单位设计的控制流程非常类似（如图2所示）。 当控制流程设计完成时，即意味着编程的结束，编程过程简单易学。此外，用这些语言编写的程序之间可互相调用，使得程序编写更加灵活方便，能满足多种复杂工况的要求。

流程图方式组态显示和操作；

顺控流程调试图形化显示，支持单步执行方式；

对流程可以进行加锁、解锁；

支持流程执行异常陷井处理；

预编译顺控流程，确保流程正确执行。

网络编程与调试：

      MB系列iPLC使用统一的编程和调试环境MBPro编程和调试软件。提供10/100M以太网作为编程与调试接口，提供程序下载和联机在线调试功能。通过以太网支持远程编程与调试，满足在远方控制中心（如梯调中心）对现地控制装置控制流程的修改、在线维护。远程编程与调试功能为电站实现无人值班、甚至关门运行提供了技术保障。

3.2 通信网络

      以太网通讯接口：CPU模件集成10M/100M以太网接口，支持Modbus/TCP规约，支持双以太网冗余配置。

      串口通讯功能：MB系列iPLC提供了串口通讯模块，并可自由配置模块的数量。每个串口通讯模块提供8个串口，每个串口均支持RS-232/RS-485接口标准，并且全部支持编程。

现场总线网络

      MB系列iPLC采用现场总线网络，具有通讯速率快、抗干扰能力强、成本低、结构简单、实时性好等特点，并且具有很好的扩展性，易于实现模块的灵活配置，且对于现场环境及安装要求都不是很高，同时为系统扩展及远程控制都提供了方便。

3.3 高可靠性设计

（1）全智能I/O设计和一系列安全性、可靠性设计为系统的安全可靠运行提供了保障开入模件的光电隔离和软件滤波功能；

      开出回路密码锁设计，开出模件的反读、校核及执行继电器的联合控制保证在任何情况下不会发生误动；

温度量模件先进的每路独立横流源设计大大提高了采集速度和抗干扰性；

      模拟量模件飞度电容的设计方法保证了内部电路和外界干扰的隔离，大大提高了采集精度，大限度地降低了模拟量漂移。

（2）双机热备冗余设计

     MB系列iPLC提供了双机热备冗余方案。无需用户编程，监控模块之间实时自动备份数据，一旦一个监控模块瘫痪，另一个监控模块可单独运行，不会对控制系统产生影响。

全金属机械结构

      MB系列iPLC具有全模块式的插装结构，全部采用SMT表贴工艺；模块无硬件设置，即插即用；对外可使用CableFast端配板接线方式，控制机柜内不再有凌乱的配线，维护更加方便。MB80系列采用全封闭结构，抗电磁干扰性及防尘、防潮、防震能力都较强；模块插箱有模件类型编码，可防止不同类型模块误插。