张爱民 李玉华
提要 介绍了LS型水厂监控系统软件及FCS现场总线自控装置的开发内容和技术特点，通过其在中小水厂的具体应用表明，该自动装置效果良好，运行安全稳定。
关键词 水厂监控系统软件 现场总线自控装置 开发 应用
近些年来，我国城市建设发展迅速，急需增建和扩建新水厂，改造老水厂，提高水厂的自动化程度，以满足日益增长的生活用水和生产用水的需要。为了缓解这一难题，近年来，一批大中型水厂先后从国外引进了水厂自动化控制设备。可是，引进水厂自控设备，不仅价高，而且维护难，也难以普遍推广。为了降低自动化投资，就要提高水厂自动化设计中设备国产化使用率，这是我国水行业急需解决的问题。为此，我们经过多年的努力，已经研制开发了三代水厂自动控制装置。第一代是全自动微机控制水厂自控装置；第二代是采用PLC和DCS集散型控制系统；目前，我们正集中研制开发第三代水厂自控装置，即LS型水厂监控系统软件和FCS现场总线水厂自控装置。
1 研制开发的目的
(1)研制开发LS型水厂监控系统软件和FCS现场总线自控装置的主要目的是替代进口，加速水厂自控设备国产化进程。我们研制开发的监控系统软件及自控装置，造价仅为进口设备的 30%，而且可靠性能好维修服务方便，既能节省基本建设投资，又能确保安全运行，便于维护管理。从而有利于加速水厂自动化控制设备的国产化。推动该产品的产业化进程。
(2)研制开发LS型水厂监控系统软件及自控装置，有利于改变我国供水行业自动化程度低，供水设备相对落后的不利局面。目前，全国有400多个中小城市还是使用老的传统工艺，设备陈旧老化，急需技术改造和扩建。我们研制开发的水厂监控系统软件及自控装置正是根据我国中小城市水厂的实际，设计开发的。这一技术的普及、推广应用，有利于满足中小城市建设发展的需要；满足迅速增长的城市人口用水的需要。
(3)研制开发LS型水厂监控系统软件及自控装置，提高水厂自动化程度，实现水厂的科学管理与高效运营，做到节水，节电，节约人力、物力，比传统供水方式要节约20%以上，不仅提高水厂的经济效益，而且有利于合理利用水资源，减少水污染，有利于保护环境和生态平衡。
2 开发内容和技术特点
我们研制开发的LS型水厂监控系统软件及自控装置，主要是由监控软件及FCS现场总线控制系统组成。监控软件及FCS现场总线系统是根据水厂自动控制工艺流程开发的。
(1)水厂的工艺流程主要包括：水的输送（提升水-输入-一级泵站；配水-输出-二级泵站）和水的净化，即水质处理工艺（投药、混合、反应、沉淀、过滤、消毒等常规处理）一般的水厂工艺流程和自动控制工艺流程见图1及图2。
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图1 水厂工艺流程
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图2 自动控制工艺流程
(2)FCS现场总线控制系统的结构。根据水厂自动控制工艺流程，研制开发FCS现场总线系统的控制程序，按层次可分为3层，即企业管理层（信息层）、监控层和现场控制层。结构见图3。
图3 FCS现场总线控制系统结构
(3)水厂监控系统软件的主要编制内容。
a.根据工艺要求编制加药、加氯、水质浊度、压力、流速，以及计量泵的冲程位置和转速的控制等应用软件程序。
b.制作应用程序，文件、特殊编辑(工具图库、菜单设置选用) 现场参量数据的组态软件。
c.编制系统管理程序（营运、网络、材料、计划、财务、劳资等）。
所编制的软件都支持FCS现场总线系统。
(4)我们研制开发的LS型水厂监控软件及FCS现场总线控制系统的技术特点是属于当代世界先进的智能化、网络化和全自动化的工业控制技术。
a.智能化。它体现在现场设备、仪表智能上，嵌入了专用的CPU，使它们具有数字计算和通讯能力；其次FCS的智能节点相连接，构成全分散智能、双向、多变量、多点、多站的通讯系统；第三控制系统功能最终还是依靠我们研制开发的LS 型水厂监控系统软件来实现。
b.网络化。用以太网作为高速现场总线框架主传，采用网桥、网关实现不同速率网段之间的连接，形成新型网络集成。
c.全自动化。水厂的全自动化通过管控一体化来实现。生产现场自动化通过现场总线接口与过程监控层连接，监控站通过监控软件（组态），进行对控制系统的监控、报警、维护及人机交互等功能，企业管理层由各种服务器和客户机组成，用于集成企业的各种信息，实现网络连接，完成管理决策和商务应用的各种功能。
3 工作原理和技术创新
LS型水厂监控软件及FCS现场总线系统是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行通信的数据总线，一方面将现场测量控制设备互连为通信网络，实现现场设备之间的信息共享；另一方面又将现场运行的控制室与上层管理控制网络连接构成信息共享。既可以将一个现场设备的运行参数、状态以及故障信息等送往控制室，又可将各种控制 、维护、组态命令，甚至现场设备的工作电源等送往相关的现场设备，从而促成了生产过程现场级控制设备之间及其与控制管理层之间的联系。因此，结构图按层次分为3个层次，即现场控制层、过程监控层和企业管理层，各层次的工作任务和技术要点是不同的。
3.1 现场控制层
现场控制层主要由现场总线设备和控制网段构成。采用智能化仪表使现场设备都具有数字计算和通信能力，实现厂构成底层控制网和闭环通信网络。因此关键是解决智能化现场设备智能仪表问题。我们采取的办法是：
(1)直接开发和选用现场总线式智能仪器。如：3051C差压变频器、 3051T压力变频器、3051L液位变频器、3244MV温度变频器等。
(2)利用嵌入技术、制作现场总线智能节点，实现对生产现场仪表进行测量、信号采集控制运算及控制信号输出。设计采用的NEURON芯片，是可带外存储器的MC143150。其片内置有3个CPU，即介质访问CPU，网络CPU和应用CPU。它们与片内存储器网络通信接口定时器 I/O口驱动电路，通过 16位地址总线和8位数据总线相连。保证现场设备和检测仪表具有计算和通信功能。
(3)改造和选用具有智能I/O现场总线功能的PLC作为现场控制器。比如采用以太网通讯模块，可以使PLC控制器能方便地链入以太网络。
总之，现场设备和检测仪表的智能化是现场总线控制系统的基础。充分发挥其使测控设备具有通信能力的特点，为控制网络与通信数据网络的连接提供了方便。
3.2 过程监控层
过程监控层主要由局域网段以及连接在局域网段的担任监控任务的控制器或工作站组成。监控站需要完成对控制系统的组态、执行对控制系统的监控、报警、维护及人机交互等功能。核心是完成好工艺过程控制。水厂的工艺过程控制，除加药、加氯控制外，其余大部分为按时间顺序或逻辑顺序的控制。
(1)净水系统两大工艺是滤池和投加药。滤池设备多采用进口设备，可靠性较好。因此投加系统就是关键。对于水厂的自控加药部分采用单因子自控仪，可实现高精度控制混凝投药，并能自动退出调节。浊度是自来水水质的重要指标，对沉淀池出水浊度的控制实质上是对投加混凝剂（或辅助凝剂）药量的控制。我们采用了"流动电流仪"检测装置，通过对计量泵的冲程位置和转速的控制对加药量进行控制。
(2)出厂水的余氯量控制是通过控制加氯量来实现的。一般采用二次加氯方式，分前加氯和后加氯。前加氯一般采用比例控制，投加量是按原水流量成比例投加。后加氯则通过混合控制，以设定的余氯标准值与出厂水余氯值比较后进行反馈控制,以出厂水余氯标准值与水余氯值比较进行后馈控制。
(3)水厂自控系统检测参数的设置。水厂自动控制系统是通过对主要过程参数的连续监测，对生产设备（大部分是泵阀两类）进行控制，实现对净化水工艺过程的控制。但过多地设置检测参数，就会增加系统的复杂性，加大维护、维修量，同时也增加系统的投资。所以必须设置检测参数，满足工艺过程和设备保护的需要，也使系统简明、实用，提高整个系统的可靠性。我们在系统中设置电气、工艺和水质三大类参数。
电气参数：除检测电源电压、电源电流、单机电流、电量、功率因子等几种主要电气参数外，还可根据用户要求检测其它电气参数。
工艺参数：主要有流量、压力、滤池压差、机组开/停、阀门开/闭状况，液位、清水池水位、滤池液位、河床水位，水位开关信号。
水质参数：重要的水质参数有两类：即浊度和余氯。系统对这两类仪表要求较高，不仅要有相当精度，还要有较高稳定性，宜选择高性能的浊度、余氯连续测定仪表。其余的水质参数，还有pH，水温，溶解氧和电导率等，根据实际检测要求设置。一些被检测参数同时参与多个工艺过程控制，对于这类被检测参数，我们采用信号隔离器，同时送到相应的PLC单元，以满足控制要求，提高系统的可靠性。
3.3 企业管理层
企业管理层由各种服务器和客户机等组成，用于集成企业的各种信息，实现与（以太网）的连接，完成管理、决策和商务应用的各种功能。这一层最关键的问题是构成监管控一体化网络。
(1)采用以太网作现场总线的主网络。以太网以其传输速率高、信息量大、兼容性强、编址灵活方便、网络管理功能完善等显著优点而受到重视，又以其廉价、高速、简易、方便的特性被引入到工业控制底层网络中，使最底层的智能I/O具有以太网络功能，从而使现场生产层、控制层和管理决策层集成为具有统一TCP/IP协议的工业以太网络，使水厂自控网络具有管（经营）控（生产控制）一体化功能，产供销始终处于最佳状态。
(2)通过系统集成，构建管控一体化网络。现场总线在采用以太网作为主网络的前提下，系统集成就成为管理一体化信息的中心任务。系统集成包括硬件产品集成与软件产品集成。对硬件集成来说，需要借助网桥网关沟通总线接口。一般同种总线的网段采用中继器实现网段的延伸，采用网桥实现不同速度网段的连接；不同类型的总线网段之间以及现场总线与以太网等异构网络之间采用网关实现互连。从软件集成来说，通过OPC，ODBC等技术，使得不同系统之间的准确、高速、大量的数据交换得以实现，能将实时控制、可视化操作、信息分析及系统诊断等功能集成到一个软件包中，具有很大的硬件灵活性，并且可以提供多种管理软件的连通性，从而较为经济地解决管控系统之间的连接。
总之，以太网和系统集成为构建管理一体化网络铺平了道路，而企业信息网络与现场控制网络的统一和结合，就是现场总线系统的集中体现。FCS现场总线控制系统的结构，形成了新型的网络集成全分布系统，采用全数字通信，具有开放式、全分布、可互操作性及现场适应性等特点，形成了从测控设备到监控计算机的全数字通信网络，顺应了控制网络的发展要求。
4 应用分析及结语
乌兰浩特市自来水公司水厂二期工程采用了我们研制开发的LS型水厂监控软件及FCS现场总线自控装置。
(1)采用3051C差压变频器、3051T压力变频器、3051L液位变频器。
(2)采用了配有以太网通讯模块的PLC，可直接连入以太网。
(3)采用10/100 M工业以太网作为主网络。
(4)采用了具有智能I/O现场总线通讯功能的PLC作为现场控制器。
(5)采用了LS型水厂监控软件。
经过一年多的运行，实践得出的结论是：
(1)FCS自控系统可靠性、稳定性高，做到了设计系统简明、实用，降低了系统的复杂程度，确保设备长期稳定、安全运行。
(2)系统集成有效，LS监控软件使系统之间大量的数据交换得以实现，并保证了实时控制、可视化操作、信息分析、系统诊断的功能准确、可靠。
(3)现场总线同以太网的结合，克服了前期水厂自控系统中存在的传输速率低、数据信息少、协议不统一、不兼容和不能与总公司进行数据共享的不足。
(4)目前，采用LS水厂监控软件及FCS现场总线来建设水厂自控网络是比较先进和实际的。
