基于DCS控制系统的智能化水处理策略研究

基于DCS控制系统的智能化水处理策略研究

邹   ,蕾

江苏环境工程技术有限公司

摘要：

一项增容改造工程，由于已有控制系统采用AB公司的1756系列的PLC系统(Programmable Logic Controller)，新增设备控制系统采用DCS系统(Distributed Control System)，存在两种控制系统双向信号监控的问题，本文分别从两种数据双向传输监控方式进行了比较，分析与验证了两种方法的优劣势，从实施角度，从可靠、安全的角度，选择了在脱盐PLC控制器卡槽内新增一块协议专用通讯卡，在新增装置PLC系统卡槽内新增一块协议专用通讯卡，经实际项目验证，此种方法可以在实现功能的同时保证可靠与安全性能。

关键词：PLC系统 DCS系统 逻辑交联 双向监控

1.引言

 水处理系统增容改造工程，需在原有的水处理系统基础上增加反渗透装置、超滤装置等（称为新增设备，以下同）。原有设备所采用的控制系统为AB公司(Allen-Bradley)的1756系列PLC系统（以下称PLC系统），新增设备控制系统拟采用DCS系统[1][2][3]。

水处理工艺系统运行时新旧设备下位机之间存在如下的交叉联锁操作关系：新增设备运行时需启停公用的工艺水泵，如超滤给水泵、升压泵、生水泵等。这些公用的泵属于旧有设备，控制操作在PLC系统中。新旧设备之间运行时可能存在闭锁关系，如两套装置不能同时运行，一套装置启动后需发出信号，闭锁另一套装置启动操作。上述的交叉联锁操作关系要求PLC系统与DCS系统间进行双向实时通讯[4][5]。

2.研究基础

经过现场实际查看，初始采用的方法为二级反渗透及EDI系统在另一个控制系统中，它的设备的状态通过PLC之间的通讯到达脱盐PLC中。在水处理PLC控制器卡槽内新增一块AB公司的MODBUS协议专用通讯卡，并用带屏蔽层的双绞线连接到新增DCS机柜中的COM通讯卡上。两者之间采用modbus-RTU协议进行双向通讯。为保证可靠性，可采用冗余COM卡配置。 两系统之间通讯点的内容包括：公用泵的状态点（已启、已停、故障等）、指令点（启动指令、停止指令等）；必要的装置状态点（如1号反渗透装置已启动、4号超滤装置已停止、1号装置是否处于反洗等）

新DCS系统提供两台上位机，这两台上位机上的画面作为新增设备的监视和控制画面，同时可以监视和控制公用的工艺水泵和其它运行员认为有必要监控的旧有设备（如其他超滤反渗透装置是否运行等）。

新增除盐水系统设备与脱盐监控系统上位机之间的通讯建议采用modbus-TCP协议，将新增上位机与水网上位机之间用屏蔽网线直连进行通讯。并将脱盐的ifix画面进行必要的修改，以显示新增除盐水设备的状态。

3面向DCS控制系统的智能化水处理方法

上述这种方式稳定性、安全性、实时性以及运行可操作性均存在隐患。因此，经过现场查看，结合原有三期水处理PLC控制系统，实际组态实施，采用新的连接方案。

3.1硬件连接方法

在脱盐PLC控制器卡槽内新增一块AB公司的MODBUS协议专用通讯卡，并用带屏蔽层的双绞线分别连接到新增DCS机柜中的2块COM通讯卡第一路接口上[6][7]。同样在二级反渗透及EDI装置PLC系统卡槽内新增一块AB公司的MODBUS协议专用通讯卡，并用带屏蔽层的双绞线分别连接到新增DCS机柜中的2块COM通讯卡第二路接口上。两两之间采用modbus-RTU协议进行双向通讯，两块COM卡冗余配置[8][9]。

3.2软件组态方案

新增组态中涉及到PLC系统的点包括：公用泵的状态点（已启、已停、故障等）、指令点（启动指令、停止指令等）；必要的装置状态点（如1号反渗透装置已启动、4号超滤装置已停止、1号装置是否处于反洗等），这些点达260左右。而新增设备的点的个数是200左右，且泵、风机等动力设备基本都在PLC系统中，所以步序逻辑分别做在2套PLC里面，DCS里面只做单操及基本的连锁逻辑。DCS接收PLC的开阀、关阀、启停泵的指令，PLC接收DCS来的阀门、泵的状态。

新DCS系统提供两台上位机，这两台上位机上的画面作为新增设备的监视和备用控制画面（进行单操）。新增设备画面也集成到ifix界面中，通过ifix上位机进行集中操作（单操及步序启停等）[10]。

对于不参与逻辑，仅仅进行显示的画面点，比如电流、报警等可以用ifix与DCS进行通讯，从而减少COM卡通讯的点数，有利于提高COM卡通讯速率。新增DCS设备点与脱盐监控系统上位机之间的通讯部分采用modbus-TCP协议，将新增上位机与水网上位机之间用屏蔽网线直连进行通讯。

   逻辑步序如下表1、表2。  

表1  逻辑步序                                  

表2：二级反渗透步序                         

4 两种方案的应用与验证

4.1第一种方案优缺点：

1）新增设备及32个公用泵、12个公用阀和公用泵的变频在DCS界面操作，ifix界面在原基础上只显示新增超滤、反渗透等的运行状态。操作员需要两台电脑操作，实时性差，可能无法兼顾，引起误操作。

2）通讯点数包括：公用泵的状态或指令约200点、变频调节模拟量点42个、4套双阀过滤器+4套超滤+4套一级反渗透+2套二级反渗透+2套EDI系统步序以及某一步的状态、是否反洗、是否被选择等100多个点。通讯点随机性比较大，量多。

3）公用资源需要逻辑组态进行判断，过程中产生大量中间点需要通讯，PLC里面进行组态判断，DCS里面仍需要逻辑组态，每四套设备逻辑互相交织，互相影响，互相通讯，容易出错。

4）对于变频调节、阀门调节，需要按钮（DCS操作、PLC操作）进行切换，步序运行过程中是自动触发调节的，切换操作会给运行人员带来不便。

5）双阀、超滤等步序达到32步，步序、泵、阀操作界面DCS跟ifix有很大不同。

6）公用95%的泵、风机等动力设备都在PLC中，再加上每4套设备运行时互相影响，从安全的角度考虑也是不利的。

7）当运行过程中有问题时，热控人员需要在DCS和PLC逻辑中查看，维护检修都比较困难。

4.2第二种方案优缺点：

1）新增设备逻辑及画面加入PLC和ifix里面，对于操作员来说新增设备跟老设备一样操作，没有区别，统一监控。

2）新增设备点200个可以一齐通讯到PLC系统中，数量较少，且固定。

3）公用资源只在PLC里面进行逻辑组态判断，比较清晰。

4）基本都在ifix界面上进行变频等调节，没有任何影响[15][16]。

5）界面风格不变。

6）大部分泵基本在PLC中操作，安全性高。

7）主要在PLC里面查找、维护，相对容易。

8）运行人员操作没有任何影响，很受欢迎。

9）如果这样做，DCS成为了IO卡件（当然画面、单设备操作及基本的连锁保护逻辑是有的），无法显示出DCS强大的功能。

5结论

通过两种方法从可靠、安全与可实施性的角度，得到第二种方案综合效果优于第一种方案，也为以后的类似改造项目取得了良好的经验与实践基础。

参考文献:

(1)王士林 DCS在工业生产中应用【J】 科技致富向导 2011年12期

(2)张雪莲  PLC控制系统与DCS控制系统的优势分析【J】 电子世界 2012年24期   

(3)包兆文 浅论PLC与DCS的不同【J】  宁夏电力 2007年增刊

(4)陈寨群 基于PLC通信的模块化PLC通信控制系统【J】电子世界 2018年第6期

(5)金鑫 电厂PLC与DCS现场总线技术的应用与发展【J】科技创新与应用 2014年第10期

(6)Q Zhang，WU Guangpu  Modeling and memetic algorithm for vehicle routing problem with simultaneous pickup-delivery and time windows《Journal of Computer Applications》2020

(7)K Bibiks，F Hu，JP Li Discrete Cuckoo Search for Resource Constrained Project Scheduling Problem《 IEEE International Conference on Computational Science & Engineering》2016

(8)JK Jain  A NOVEL APPROACH OF HYBRID MULTIPATH ROUTING PROTOCOL FOR MANETS USING RECEIVED SIGNAL STRENGTH《International Journal of Research in Engineering & Technology》2014

(9)ZM Alfawaer，GW Hua，N Ahmed  A Novel Multicast Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks《American Journal of Applied Sciences》2017

(10)M Kiran，GRM Reddy  Bat-termite: a novel hybrid bio inspired routing protocol for mobile ad hoc networks《International Journal of Wireless & Mobile Computing》2014