DCS系统在水处理中的应用

　　1、前言
　　
　　集散控制系统（DCS）是一种以微处理器为基础的分散型综合控制系统，DCS系统综合了计算机技术、网络通讯技术、自动控制技术、冗余及自诊断技术，采用了多层分级的结构，适用现代化生产的控制与管理需求，目前已成为工业过程控制的主流系统。莱钢轧钢厂中小型车间水处理自控系统，改造前由常规仪表和电器组成。2001年底改造后应用浙大中控SUPCONJX—300XDCS系统把计算机、仪表和电控技术融合在一起，实现了数据自动采集、处理、工艺画面显示、参数超限报警、设备故障报警和报表打印等功能，并对主要工艺参数形成了历史趋势记录，随时查看，并设置了安全操作级别，既方便了管理，又使系统运行更加安全可靠。
　　
　　2、水处理工艺流程
　　
　　莱钢轧钢厂中小型车间水处理主要由以下系统组成：（1）净环水循环系统，工艺流程图；（2）浊环水循环系统，工艺流程图。应实现：一次沉淀、二次过滤、三次冷却。需要监控的设备主要有8个吸水井（净环水系统：1#、2#、3#；浊环水系统：4#、5#、6#、7#、8#吸水井的液位）、水泵（水压、开启状态）、进出水管道（水压、水流量、水温）、7台过滤器（压差、电动阀门开启控制）、安全水塔（液位）等设备。
　　
　　3、系统介绍
　　
　　水处理自控系统采用的是浙大中控的SUPCONDCS系统，系统内外总点数有四百多点，十几幅全汉字动态画面。该系统运行在WindowsNT环境中，拥有NT的更多功能，灵活易用，并且算法丰富，组态方便。SUPCONJX—300XDCS由工程师站、操作站、控制站、过程控制网络等组成。配置灵活是JX—300XDCS的特点，用户可根据需要，对卡件、网络进行冗余、部分冗余或不冗余选择，在保证系统可靠，灵活基础上，降低用户的费用。
　　
　　3.1 系统配置
　　
　　根据水处理系统规模，此系统设计了1个控制站，1个工程师站兼操作站。控制站是系统中直接与现场打交道的I/O处理单元，完成整个工业过程的实时监控功能。工程师站兼操作站包括工控PC机、彩色显示器、鼠标、SCNET2网卡、操作员键盘、打印机等。在此机器上可完成系统组态维护、实时监控等功能。JX-300XDCS控制站内部以机笼为单位，本系统用了一个机柜中的两个机笼。JX-300XDCS控制站的机笼固定在机柜的多层机架上，每只机柜zui多配置7只机笼：1只电源箱机笼和6只卡件机笼（可配置控制站各类卡件）。水处理过程控制网络采用Scnet2网络，Scnet2网络连接系统的工程师站、操作站和控制站，完成站与站之间的数据交换。Scnet2可以连多个Scnet2子网，形成一种组合结构。Scnet2网络又叫过程控制网，采用了双绞线高速冗余工业以太网作为其过程控制网络，连接操作站、工程师站与控制站等，传输各种实时信息。控制站网络又叫SBUS，采用主控制卡指挥式令牌，存储转发通信协议，是控制站各卡件之间进行信息交换的通道。每个Scnet2网理论上zui多可带1024个节点，zui远可达10000米。
　　
　　3.1.1控制站性能
　　
　　JX-300XDCS控制站机笼内部卡件的型号分为两类：主控制机笼（配置主控制卡）和I/O机笼（不配置主控制卡）。每个机笼zui多可配置20块卡件，即除了zui多配置一对互为冗余的主控制卡和数据转发卡之外，还可以配置16块各类I/O卡件。水处理系统控制站主要配置如下：主控制卡1块（SP243X）；模拟量输入模板（SP313X）；数字量输入模板（SP331）；数据转发卡（SP233）；数字量输出模板（SP364）模拟量输出模板（SP233）。主控制卡必须插在机笼zui左端的两个槽位。在一个控制站内，主控制卡通过SBUS网络可以挂接8个IO或远程IO单元（即8各机笼）。主控制卡是控制站的核心，可以冗余配置，保证实时过程控制的完整性。主控制卡的高度模块化结构，用简单的配置方法实现复杂的过程控制。
　　
　　数据转发卡槽位可配置为冗余的两块数据转发卡。数据转发卡是每个机笼必配的卡件。如果数据转发卡按非冗余方式配置，则数据转发卡可插在这两个槽位的任何一个，空缺的一个槽位不可作为I\O槽位。
　　
　　配置灵活时JX-300XDCS的特点，用户可以根据需要，对卡件选择全冗余、部分冗余或不容余，在保证系统可靠、灵活基础上降低用户的费用。在配置是，地址设置应遵循以下原则：
　　
　　⑴主控制卡可以冗余配置，也可以非冗余配置，地址范围是2-31。冗余配置时，主控制卡的地址遵循“I和I+1连续，且I必须为偶数，2=
　　
　　⑵数据转换卡可以冗余配置，也可以非冗余配置，地址范围是0-15。冗余设置时，地址遵循“I和I+1连续，且I必须为偶数，0=
　　
　　⑶当I/O卡件按冗余方式配置时，互为冗余的两卡件槽位地址遵循“I和I+1连续，且I必须为偶数，0=
　　
　　3.2 网络配置
　　
　　SUPCONJX—300XDCS系统采用高速工业以太网SCnet2作为其过程控制网络，它直接连接了系统的控制站、操作站、工程师站，通讯接口单元是传送过程控制实时信息的通道，具有很高的实时性和可靠性，通过连接网桥，SCnet2可以与上层的信息管理网或其他设备连接。
　　
　　过程控制网络SCnet2是在10baseEthernet基础上开发的网络系统，各节点的通讯接口均采用了的以太网控制器。数据传输遵循TCP/IP和UDP/IP协议。
　　
　　SCnet2的通讯介质、网络控制器、驱动接口等均可冗余配置，在冗余配置的情况下，发送站点（源）对传输数据包（报文）进行时间标识，接收站点（目标）进行出错检验和信息通道故障判断、拥挤情况等处理；若检验结果正确，按时间顺序等方法择优获取冗余的两个数据包中的一个，而滤去重复和错误的数据包。而当某一条信息通道出现故障，另一条信息通道将负责整个系统通信任务，使通讯仍然畅通。
　　
　　对于数据传输，除控制器所具有的循环校验、命令/响应超时检查、载波丢失检查、冲突检测及自动重发等功能外，应用层软件还提供路由控制、流量控制、差错控制、自动重发（对于物理层无法检测的数据丢失）、报文传输时间顺序检查等功能，保证了网络的响应特性，使响应时间小于1秒。
　　
　　在保证高速可靠传输过程数据的基础上，SCnet还具有完善的在线实时诊断、查错、校错等手段。系统配有SCnet2网络诊断软件，内容覆盖了网络上每一个站点、每一个冗余端口，每一个部件。网络各组成部分经诊断后的故障状态被实时显示在操作站上以提醒用户及时维护。
　　
　　3.3 系统组态
　　
　　SUPCONJX—300XDCS软件包AdvanTrol在安装后，自动在桌面上生成两个快捷图标，并在开始菜单的程序命令中添加了SUPCONJX—300XDCS选项，其中包含了七个应用软件的启动方式，可通过它们直接启动相应软件。JX—300XDCS的组态工作通过组态软件SCKey来完成。SCKey组态软件是一个全面支持该系统各类控制方案的组态软件平台，该软件运用面向对象（OOP）技术和对象链接与嵌入（OLE2）技术,基于中文Windows系列操作系统开发的32位应用软件。组态软件通过简明的下拉菜单和弹出式对话框建立友好的人机对话界面，并大量采用Windows的标准控件，使操作保持了一致性，更为易学易用。该软件采用分类的树状结构管理组态信息，使用户能清晰把握系统的组态状况。SCKey组态软件还提供了强大的在线帮助功能，当用户在组态过程中遇到了问题，只需按F1键或选择菜单中的帮助项，就可以随时得到帮助提示。通过SCKey组态软件可完成整个系统的总体信息组态、控制站组态（系统I/O组态、控制方案组态等）、操作站组态（画面设置、系统流程图组态、系统报表组态等）。
　　
　　SCKey组态软件启动后，首先出现的是组态环境的主画面，主画面由标题栏、工具栏、菜单条、操作显示区、状态栏五部分组成。主要的功能均在菜单中：
　　
　　文件菜单—包括新建、打开、保存、另存为、打印、打印预览、打印设置和退出等八项；
　　
　　编辑菜单—包括剪切、复制、粘贴、删除等四个菜单项，该编辑功能即支持在一个组态文件内部进行操作，也支持在两个组态文件的运行实例之间进行操作；
　　
　　总体信息菜单—包括主机设置、编译、备份数据、组态下载、组态传送等五个菜单项；
　　
　　控制站菜单—包括I/O组态、自定义变量、常规控制方案、自定义控制方案和折线表定义等五个菜单项；
　　
　　操作站菜单—包括操作小组设置、总貌画面设置、趋势图画面设置、分组画面设置、一览画面设置、流程图登录、报表登录、自定义键、语音报警等九个菜单项；
　　
　　察看菜单—包括状态栏、工具栏、错误信息、位号查询、选项五个菜单项；
　　
　　帮助菜单—包括帮助主题和关于Sckey两个菜单项。前者将启动软件的帮助信息，后者将显示本软件的版本信息及版权通告信息。
　　
　　SCKey组态软件主画面的左边操作显示区，显示当前组态的“组态树”，“组态树”以分层展开的形式，直观的显示了组态信息的树型结构，可从中清晰的看到从控制站直至信号点的各层硬件结构及相互关系，也可看到操作站上各种操作画面的组织方式。
　　
　　3.4 流程图绘制
　　
　　流程图绘制主要包括工艺流程画面、趋势画面、操作监视画面。使操作人员通过画面可监控整个生产过程、设备启动停止、监控参数、观察趋势和查询历史记录。SUPCONJX—300XDCS绘图工具软件，充分利用中文NT操作系统的优点，具有良好的用户界面。流程图制作软件主要用于流程图的绘制以及对流程图上的各类动态参数进行组态。这些动态参数在实时监控软件的流程图画面中可以进行实时观察和操作。具有绘图功能齐全，编辑功能强大，提供标准图形库等优点。在SUPCONJX—300XDCS选项的打开JX—300X流程图，可启动流程图制作软件。流程图绘制软件分为标题栏、菜单栏、菜单图标栏、工具栏、作图区、信息栏、窗口按钮及滚动条。
　　
　　流程图制作流程：
　　
　　在组态软件中进行流程图文件登录；
　　
　　启动流程图制作软件；
　　
　　设置流程图文件版面格式
　　
　　根据工艺流程要求，用静态绘图工具绘制工艺装置的流程图；
　　
　　根据监控要求，用动态绘图工具绘制流程图中的动态监控对象
　　
　　绘制完后，用样式工具以完善流程图；
　　
　　保存流程图文件至硬盘上，以登录时所用文件名保存，并保存到组态文件所在目录；
　　
　　在组态软件中，进行组态信息的总体编译，生成实时监控软件运行的代码文件；
　　
　　根据水处理具体情况，分别制作了水处理工艺流程图、过滤间工艺流程图,主要参数的历史趋势图、调整画面及分组控制图等。通过操作站，可以清晰的掌握水处理的运行情况。在画面上有动态的工艺显示，实时、历史的报警记录窗，实时、历史的曲线记录窗，以及各种参数设定的弹出窗。主要实现了下面几方面的功能：
　　
　　在操作站上可以动态显示反映水塔水位、水池水位、过滤间压差等工艺参数，同时对这些数据具有实时及历史记录，技术人员可以很方便地对生产运行情况进行分析控制；
　　
　　对于各类泵、阀门等设备的运行状况具有实时动态反映功能，同时对设备的故障实时报警、确认报警信息做记录，并具有历史报警记录，以备查用设备运行情况；
　　
　　过滤间的反冲洗通过操作站的报警、显示，并进行反冲洗控制；
　　
　　可以设置多个访问用户及权限，不同的权限对应不同的操作，起到一定的保护作用；
　　
　　3.5 报表制作
　　
　　SUPCONJX—300X系统中的自动报表分为组态和实时运行两部分。其中报表制作部分由SCForm的报表制作软件实现，实时运行部分与监控软件组成在一起。SCForm软件从功能上分为制表和报表数据组态两部分，报表制作采用与商用电子表格软件EXCEL类似的组织形式和功能分割，使用户能够方便、快捷的制作出各种类型的表格。报表数据组态功能的设计中，引入事件的概念，极大的增强SCForm报表制作软件的灵活和易用性。在操作站上能随时查询，打印历史数据，数据存储时间为1个月，使生产人员随时查询。根据水处理实际情况，制作了日报表及周报表。
　　
　　3.6 实时监控
　　
　　SUPCONJX—300XDCS系统实时监控软件用户界面友好，所有的命令都化为形象直观的动态图标，只须用鼠标即可轻而易举的完成操作，再加上操作员键盘的配合使用，生产过程实时监控更是得心应手，方便简洁。实时监控画面分为：标题栏、操作工具栏、报警信息栏、综合信息栏和主画面区五部分。标题栏用于显示实时监控软件的标题信息；操作工具栏共有24个形象直观的操作工具按钮；报警信息栏显示zui近产生32条正在报警的信息；综合信息栏显示系统时间、剩余资源、操作人员与权限、画面名称与页码；主画面区根据具体操作画面显示相应的内容。
　　
　　实时监控软件操作画面包括：报警一览、系统总貌、控制分组、调整画面、趋势画面、流程图、数据一览。当设备发生故障时，DCS系统发生声光报警，并附信息提示，供操作人员和维护人员参考。
　　
　　3.7 控制方式
　　
　　（1）水泵控制
　　
　　水处理各泵组均可实现机旁控制和远程集中控制。机旁控制通过机旁操作箱实现，远程集中控制则通过操作站进行；
　　
　　（2）过滤器控制
　　
　　轧钢厂水处理共有8台过滤器，每台过滤器均有手动、半自动、自动三种方式，过滤器不设机旁操作箱，过滤器三种控制方式都是通过操作站实现。
　　
　　在一个工作周期中，每台过滤器均有以下4种工作状态：过滤、排水、水反洗、过滤。正常工作时，7台过滤器处于过滤状态，1台过滤器处于反洗状态。每24小时一个周期，在一个周期众，每一个过滤器都要反洗一次，反洗完毕的过滤器在一个周期中不在进行反洗；
　　
　　（3）4#泵组变频电机控制
　　
　　4#泵组为轧钢水冷段供水，采用三台355kW电机，工作方式为两用一备用。由于工艺要求此水泵水压必须保持恒压，故在设计中先用了三台MOTOCANAC型变频器对4#泵组的三台泵进行控制。
　　
　　4、结束语
　　
　　SUPCONJX—300XDCS系统功能非常强大，不仅为用户提供方便的组态界面，监控界面，而且还有丰富的图形显示，数据管理，历史数据存储等功能，是用于水处理系统理想的DCS系统。该系统于2002年一月投入运行以来，稳定可靠，在线修改和调试方便，确实给操作人员和维护人员带来很大的方便，在高产稳产，降低能耗和安全环保等方面发挥很大的作用，同时为进一步水处理自动控制的使用打下良好基础，达到了设计预期的效果。