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1.引言
随着自动化水平日新月异的发展，啤酒生产线冷冻站系统对控制和故障处理的要求也越来越高。在此系统中，使用了施耐德Micro和Twido 系列PLC,并通过Modbus总线实现协调控制，远程监控，故展处理等功能，大大tigao了生产率，降低了保养维护成本。
2.产品介绍
在此系统中，每台压缩机制冷机组都是由TwidoPLC进行控制的，通过数字量模块和模拟量模块采集传感器信号，实现手自动增减载，开停机和故障检测，以及把故障信号上传至上位监控计算机。
TwidoPLC属于施耐德小型自动化产品家族中的一员，有13中本体单元，15种离散量扩展模块，8种模拟量扩展模块，多可以扩展至264个I/O，现在新型的TWDLCAE40DRF更集成了以太网接口，可以通过ModbusTCP/IP 使设备直接接入以太网，使得高速数据通信和远程监控变得更容易。Twido家族还增加了一个新成员-CANopen模块TWDNCO1M，通过该模块，可以实现对变频器和智能仪表等设备的高速数据通信。
3.系统构成及工艺简介
啤酒生产工艺以及原料成品的保存，空调系统所需要的冷量都是由冷冻站提供的。冷冻站有五台开启式压缩机组制冷，每台机组都是以TwidoPLC为核心进行控制的，可以实现根据负荷状况自动进行增减载和开停机。通过与系统PLC的通讯，还可以实现五台机组的协调工作。五台机组共用一个蒸发冷系统。氨液经过蒸发冷系统冷却后，通过三个氨分板换机组与系统冷媒丙二醇进行换热。有三台变频泵分别控制着流进每台板换机组的丙二醇的liuliang，从而保证板换机组的出口温度能够保持在-4摄氏度，达到工艺要求。从板换机组出来的-4摄氏度低温丙二醇返回PG罐（丙二醇的储存罐）。由生产现场返回的高温丙二醇在PG罐的上部，从板换机组返回的低温丙二醇在PG罐的下部。根据生产工艺对丙二醇温度的不同要求，通过调节高温和低温丙二醇的混合比例，控制终供出丙二醇的温度达到工艺要求。
4.控制系统网络结构
控制系统网络结构如上图所示。压缩机控制器选用Twido系列PLCTWDLMDA20DRT，它本身所带的一个通讯口和一个文本式人机界面相连。通过人机界面可以设定压缩机的工作方式和运行参数，手动起停压缩机组，检查压缩机的运行状况，查看机组故障情况等。每一个PLC扩展一个通讯口，做Modbus从站，连在Modbus总线上，实现和系统PLC的通讯。
系统PLC选用Micro系列PLCTSX3721001。Micro系列PLC的通讯功能非常强大，支持Modbus，UN-bbbWAY，TCP/IP等多种通讯协议。系统PLC扩展一个TSXSCP114通信卡，做Modbus主站，通过Modbus网络和TwidoPLC通讯，监控五台压缩机的运行状况。Micro PLCTSX3721本身带两个通讯口，其中一个通信口和触摸屏连接，一个通信口和施耐德工业以太网模块TSXETZ410相连。TSXETZ410模块在此起到一个网桥作用，一端通过UNI-bbbWAY总线和系统PLC交换数据，另一端通过TCP/IP协议挂在一个小型的工厂局域网上，这样局域网上的监控计算机就可以监控整个冷冻站的运行状况了（监控计算机上运行的是组态王监控软件）。触摸屏人机界面作为上位监控计算机的后备设备，同样能够实现监控计算机的功能，在上位监控计算机或局域网出现故障时，能够保证整个系统运行正常。局域网上其他系统的控制设备也可以通过局域网和系统PLC交换数据。
5.系统PLC实现的控制功能
系统PLC除了实现如上所述的通讯功能外，还要实现对整个系统的控制。
1.对丙二醇系统的控制。丙二醇系统流程如下图：
利用MicroPLC集成的PID功能块，实现对6个回路的自动控制，包括三个氨分板换出口温度，一个0摄氏度，一个－1摄氏度供液温度控制，一个恒压供液控制。利用PLC的模拟量采集模块，采集过程信号（五个温度信号，一个压力信号），与设定值进行比较（设定值在操作界面上可设定），根据偏差值运算出结果，通过模拟量输出模块，转换成标准信号控制变频器的频率和调节阀的开度。对PG罐液位的控制是通过检测丙二醇系统压力，决定是否打开放空阀和是否进行补水。
2.对蒸发冷系统的控制。蒸发冷系统流程如下图：
蒸发冷系统包括3组蒸发冷凝器，每组包括两台风机和一台循环水泵。蒸发冷系统有自动和手动两种工作方式，手动方式下，可以手动分别起停每一台风机和水泵。自动方式下，根据冷凝压力的大小，按设定的顺序开启一定数量的风机和水泵。
3.五台压缩机的协调工作。五台压缩机组既能够独立运行，也能够根据负荷情况自动投入运行和退出，这种情况下，压缩机组的投入和退出是由系统PLC决定的。系统PLC通过通讯获得每台压缩机组的工作状况，再根据负荷情况决定哪一台压缩机组投入或退出。
4.故障处理。通过数字量输入模块或通讯，采集系统内所有设备的故障状态，并根据故障等级，进行报警提示和停止相关设备等处理。通过通讯，把所有故障情况上传监控计算机。 一、摘要
以云南大唐红河电厂辅控网系统为例，论述施耐德电气QuantumPLC在火电厂辅机系统中的应用。对Quantum系统的硬件、软件结构、工作原理进行了说明，阐述电厂辅控网模式在经济、管理上的合理性和技术上的可行性，并且根据江边取水系统重点介绍QuantumPLC的具体应用。
二、概述
随着工业自动化技术的飞速发展，电力系统的深入改革，电厂对辅控网系统自动化程度的不断tigao。在火力发电厂的辅机系统的设计中，一般是根据辅控设备的功能，按“水”、“灰”、“煤”三个系统设立了独立的集中监控网。但为了保证设备优质高效的运行、tigao劳动生产率、tigao运行人员整体素质，满足减员增效的要求，取消一般的“水”、“灰”、“煤”三个独立的监控网，只构建一个电厂集中辅控网的新思路，并把辅控网数据并入SIS系统中。
三、工程描述
大唐红河电厂辅控网包括江边取水、生水石灰预处理、次氯酸钠、锅炉补给水、工业废水、凝结水精处理、炉内加药、含煤废水、输煤、燃油泵房、制氢、气力除灰、电除尘一共十三个子系统，全部使用QuantumPLC系统。辅控网对PLC有较高要求，主要有以下几个特点：
1、由于电厂控制水平要求高，根据工艺段的重要级别，大部分子系统选用QuantumPLC双机热备系统；
2、在满足工艺、控制要求的前提下，tigao性能价格比，对点数不太多的子系统选用了CPU11303双机热备系统;
3、为保证电源的可靠性，子系统选用了冗余电源；
4、对I/O模块的选型，设计进行了优化；
在开远大唐红河电厂辅控网中，我们充分利用了QuantumPLC强大的功能，很好解决了控制系统中存在的问题和难点。在通讯上，我们使用工业以太网，用TCP/IP协议加光纤远距离传输，构建百/千兆网络。NOE通讯模块至交换机采用双绞线，厂区内各系统到辅控网基本上没超过2公里，用多模光纤；江边取水系统距离较远，用单模光纤，网络速度好，信息传输方法机制合理，实时性相当强。网络结构图如（图一）所示：
图一
四、PLC介绍
QuantumPLC模块采用现代大规模集成电路技术，经过严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。QuantumPLC还带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。可以在Concept中编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护，使整个系统有极高的可靠性。所有模块都可以带电拔插，无需停止系统，减少工作量，维护方便。LED状态指示器，直观地显示CPU及其I/O模板通道状态，为快速检修故障提供了极大方便。
QuantumPLC的配套齐全、功能完善、适用性强，江边取水、凝结水精处理等重要系统采用双机热备、冗余电源、冗余远程I/O、再加上双以太网，确保系统安全连续运行。尤其是先进的双机热备系统，组态简单，操作方便。通过两套配置完全相同的模块，形成主备的形式。在正常状态下，主机CPU负责处理程序运行，进行I/O通讯，通过热备模块更新备用机CPU的状态及数据，备用机则监视主机的运行状态。当主机发生故障时，备用机马上进行切换，变成主机接替故障机的处理工作，切换时间短，不会超过PLC的一个扫描周期，不会影响逻辑运行。
五、工程实例
1、工艺描述
云南大唐红河电厂水源地江边取水系统处于离主厂房17公里外的南盘江畔，一共分囤船取水、沉沙池、澄清池和二级泵房四个子站。江边取水系统由囤船三台取水泵将南盘江水抽到沉沙池进行泥沙沉淀，再自流到澄清池，加如凝聚剂助凝剂沉淀杂质，再由生压泵打到山顶水池蓄水，自流到电厂作为电厂补给水源。流程如（图二）所示
2、控制方式
江边取水系统操作运行分别设有“远程自动”、“远程手动”、“就地手动”三种工作模式。“远程自动”模式为正常的主要运行方式，根据系统满足自动顺序运行的条件，在操作员站上操作完成整个工艺流程。在程序编写中注意自动顺序执行期间，出现任何故障或运行人员中断信号，都能使正在运行的程序中断并回到安全状态，使程序中断的故障或运行人员的指令都将在画面实时显示。“远程手动”模式为运行人员在画面上点操一个被控对象。在远方手动模式下，系统提供了丰富帮助操作指导和反馈信息，指引操作人员的操作，以防止误操作。“就地手动”模式是运行人员通过就地控制箱操作被控对象，就地操作与远方程控操作之间有相互连锁。
3、系统配置
控制系统采用耐德电气QuantumPLC系列，整个系统开关量输出192点、开关量输入252点、模拟量输出8点、模拟量输入93点。设计时在需要的点数上还留有15%的余量。本系统模块数量如下（表一）
系统配置采用140 CPU43412控制器，双机热备、冗余电源、冗余I/O通信、双以太网，各子站通过同轴电缆通信。开关量控制信号用24V直流电源，开关量反馈用48V直流电源（防止压降），模拟量用都24V直流电源，4～20mA信号，分辨率采用4095。系统电源UPS为3KVA，实际整套系统只用到30%的容量。
系统配置图如（图三）所示
4、编程软件
本系统的编程软件使用施耐德电气Concept2.6软件，运行在bbbbbbs2000系统下。上位监控软件用Wonderware公司Intouch9.5，与Quantum系列PLC完美的结合在一起。Concept2.6编程软件完成对硬件组态、子站和地址的分配，编写整个系统程序的控制逻辑。Concept编程软件采用的IEC61131-3编程语言，通俗易懂、直观简单，强大的编程环境基本可以满足一切工业逻辑要求。尤其是ConceptDFB块功能，可以自己编写一些基本功能块，比如泵、阀等的数据转换，在编程时直接调用，大大tigao工作效率，也使程序看上去简洁明了。程序中要对阀门监视的信号有开到位、关到位、过扭矩、超时、远方／就地切换等，泵有运行，故障、远方／就地切换等，实现了数据准确采集和工程量转换。有些调节阀需进行PID操作，PID操作由程序中的PID功能块完成，还能完成手动／自动的无扰切换功能。
六、应用
施耐德电气QuantumPLC具有强大处理能力的大型控制系统，可以满足大部分离散和过程控制的经济和灵活的硬件控制平台，极高的性价比也是在同等PLC中屈指可数的。云南大唐红河电厂辅机全部采用QuantumPLC，各系统运行情况十分理想。其优异性能、稳定可靠的运行电厂辅机设备提供了优异的技术保障，也给运行、维护人员提供很大的便利。
二、工艺描述、系统控制内容
该系统的工艺主要包括污水处理和污泥处理两个环节。
1、污水处理环节
其作用是将污水经过层层处理后，终满足排放要求，污水处理工艺流程如图一所示。。
1.1、粗格栅
功能：去除污水中较大的漂浮物。
控制方式：时间控制、液位差控制。
1.2、进水泵房
功能：tisheng污水的水位。
控制方式：根据吸水井液位进行控制。在主站设定几个液位值，根据测得的液位值与设定液位值比较，自动增、减泵运行台数，并且自动累计每台泵运行时间，实现泵的自动轮换运行。
1.3、细格栅
功能：去除污水中较小的漂浮物，特别是丝状、带状漂浮物，保证后续处理系统的正常运行。
控制方式：根据时间及格栅前后液位差控制。
1.4、沉砂池
功能：去除污水中比重大于2.65，粒径大于0.2mm的无机砂粒，以保证后续流程的正常运行。
控制方式：根据时间进行控制。
1.5、生物池
功能：利用微生物降解和去除污水中的污染物质，达到预期的水质净化目的。A2/O生物脱氮除磷工艺由厌氧、缺氧和好氧三个生物反应过程组成。
控制方式：水下搅拌器连续运行，并对鼓风机及电动空气调节蝶阀进行闭环控制
1.6、回流污泥泵
功能：将一定数量的活性污泥回流到生化处理系统，以维持生化系统活性污泥的浓度，保证其生化反应的能力
控制方式：根据生物池的污泥浓度，计算出回流污泥比，再换算成污泥回liuliang，自动控制回流污泥泵的运行台数。自动累计单台泵运行时间，实现自动轮换运行。
1.7、沉淀池
功能：对生化处理后的混合液进行固液分离，以保证出水水质。
控制方式：根据时间及泥位计控制。
图一、污水处理工艺流程图
2、污泥处理部分
其作用是将污泥经过处理后，脱离出来，以便可以外运填埋或作堆肥。
2.1、剩余污泥泵房
功能：将生化系统产生的剩余污泥tisheng至污泥贮泥池进而至脱水机房。
控制方式：根据进水liuliang及进水BOD值，计算出总的产泥量，以自动控制剩余污泥泵的运行台数，自动累计泵单台的运行时间，实现自动轮换运行。设定吸泥井液位的高低限报警，达到高限报警时自动启动排泥泵或减小沉淀池排泥量。
2.2、污泥浓缩及脱水系统
功能：降低污泥含水率，减少污泥体积。
控制方式：系统能根据进来的污泥量自动控制设备的运行台数，根据进来的污泥量及污泥含固率自动控制加药量，对储药罐的液位及药量进行监测。对浓缩机、脱水机、加药系统和螺旋输送器状态进行远程监控。
系统还包括沉砂系统、1#除臭系统、鼓风机、2#除臭系统、紫外消毒系统等配套设备。这些配套设备既可以独立运行，又可以和各PLC控制站进行数据通讯。由于各成套设备的生产厂家各不相同，通讯协议也不尽相同。
上述工艺要求给控制系统提出苛刻的控制要求：
（1）控制系统要采用分散控制
根据系统分散控制的原则，须设置4个PLC现场控制站对总变电所控制站和鼓风机房控制站、脱水机房控制站、出水井分变电室控制站、污泥泵房变电室控制站进行控制。由于设备繁多、功能复杂以及程序大，所选PLC控制系统需具备强大的处理能力。
（2）控制系统要支持多种不同网络通讯
江南水厂污水处理自控系统是一个集中监视管理、分散控制的PLC控制系统。控制中心、控制站通过有线网络连接。各有分工，既能独立工作，又能在统一指挥下协调工作。控制站和其它配套设备也需通过网络进行通讯。为了实现这些目的所选PLC控制系统必须支持多种网络协议。
二、系统设计
根据国内外城市水系统的运行管理情况以及我们在该行业中的实践经验，依照国际自动控制领域的发展趋势，本着安全可靠,简单实用,先进(十年不落后)的原则，我们采用了施耐德的高端PLC控制产品，充分发挥其技术优势，以施耐德UNITY控制平台和开放的现场总线网络体系为核心，采用的控制器、第三方控制设备、智能变送器、网络架构及工控软件产品为用户提供了一个由计算机、PLC、现场总线、现场在线仪表组成的多级的、开放的、模块化的、实时多任务的、集散型的、可扩展的数据采集和监控系统。
该系统采用集成工业现场总线、控制总线和高速以太网组成的混合三层体系结构，如图二所示。
图二、江南水厂污水处理自动控制系统图
⑴信息层：
信息层以网络交换机为中心，通讯协议为TCP/IP，系统架构为Internet/Intranet，网络系统对内通信网数据吞吐率100Mbps。
其中信息层硬件部分主要为中控室的生产管理计算机站、服务器，化验室计算机站及配套网络传输线路、设备组成，完成系统的数据采集、监测、控制、通信、显示及生产管理调度等功能。软件系统主要由基于组态软件开发的江南污水厂生产过程控制、运行监控、调度系统以及生产管理（水质监测、生产数据和系统故障报警信息）信息系统等组成。该体系结构实现了对江南水厂生产管理系统软硬件资源的整合和充分利用，使系统具有更高的兼容性、开放性和安全性。
⑵控制层：
控制层以施耐德Unity平台为控制核心，将分布在各工艺段之间的施耐德 Unity PLC和中央监控计算机通过网络相连，实现控制信号的高速传输。施耐德UnityPLC自动监测重要设备的运行状态和工艺参数变化，并对设备进行自动控制。控制层硬件设备主要为施耐德Unity系列PLC（140CPU65150）、操作员面板（XBTG5230）、工业以太网交换机（499NOS17100）
在这里我们要特别提一下控制层的网络。控制层的网络体系采用TCP／IP网络以及环形拓扑结构，以光纤为通信介质，通过以太网环网交换机构成带宽为100Mbps的工业以太网。该网络结构为自愈环网，其应用层采用开放的通讯协议。当环网发生一个光纤断点时，网络仍能够正常工作。作为全厂的控制主干网，工业以太网光纤环网能在任何节点接入设备，而不需要更改从前的站号和配置，充分考虑了今后扩展的方便性。在出现故障时，在线增加或删除任意一个节点，都不会影响到其他设备的运行和通讯。
根据工艺流程，全厂共设4套施耐德UnityPLC控制站：
LCS1控制站---总变电所控制站
主要控制粗格栅、进水泵房、转鼓格栅的设备。LCS1控制站的触摸屏通过RJ45连接到该站的交换机上。LCS1控制站通过DP网和鼓风机设备厂家配套的PLC进行通讯；通过MB网和沉砂系统PLC、1#除臭系统PLC进行通讯。
LCS11控制站---鼓风机房控制站
主要控制鼓风机房的设备。LCS11控制站为LCS1控制站的远程I/O站。本控制站的触摸屏通过光纤介质连接到LCS1控制站的交换机上。
LCS2控制站---脱水机房控制站
主要控制脱水机房的设备。本控制站的触摸屏通过光纤介质连接到LCS1控制站的交换机上。
LCS3控制站---出水井分变电室控制站
主要控制出水泵房、回流污泥房、剩余污泥泵房、二沉池的设备。本控制站的触摸屏通过光纤介质连接到LCS1控制站的交换机上。
LCS4控制站---污泥泵房变电室控制站
主要控制曝气池的设备。本控制站的触摸屏通过光纤介质连接到LCS1控制站的交换机上。
LCS4控制站通过MB网和紫外消毒PLC、2#除臭系统PLC进行通讯。
(3)设备层：
我们利用施耐德UNITYPLC的MB口，采用MB网络通讯协议对MCC柜的各智能变送器进行多点通讯。这种不用传统I/O模块而直接采用总线电缆连接的通讯方式，在实现现场离散设备和可编程逻辑控制器（PLC）之间的数据数字化传输的将成本费用减少到小，这种用于低层设备的低成本、高效率信息集成模式，已经逐渐成为控制领域的主流。
四、调试体会：
通过亲身经历，我们认为施耐德UNITY确实是新一代自动化平台上的硬件和软件产品：新软件的使用可以大大地减少开发项目的时间，新硬件的使用可以大大地tigao系统处理的速度，基于开发平台和协同工具，施耐德UNITY使得设计、制造、维护的自动化水平达到前所未有的高度，从而大大tigao了生产效率。下面是我在实践过程中的小体会：
1、施耐德UNITYPLC具有超强的处理能力、超大存储空间，并提供全面开放的通讯解决方案。其中，我们使用的140CPU65150兼容了RS 232/485Modbus/ASCII端口、USB端口、MB+ 端口、USB 终端口、Ethernet TCP/IP端口，在实现多种网络的大限度节约了成本。140CPU65150提供了一个数显操作屏我们不仅能监视CPU状态，对重要参数进行操作，这样极大程度地方便了调试及维护。
2、施耐德UNITYPRO软件界面友好、操作简洁、使用方便。通过施耐德UNITYPRO软件可以编写多任务；可以通过多种调试语言形式编写程序（不同调试语言可以在同一程序中混用）；可以使用标准或自建的语句块，以满足控制需要；可以根据要求建立各种类型的人性化变量；在IP和MB+通讯过程中，提供两种通讯编写方式；在不需要其它辅助软件的情况下，提供模拟通讯功能以测试程序；可以编制内部画面，并能模拟监控程序；提供多种诊断功能等。这些功能使我们在调试、维护过程中极大程度地tigao了效率。这些软件功能同其它软件相比也具有性。
3、为了使基于施耐德UNITY平台的控制系统能够在高速的情况下稳定运行，在选型中一定要选择施耐德公司的产品或施耐德公司授权设备，一定不能贪图便宜选用没有经过施耐德公司认证的第三方产品。
4、在选择基于施耐德UNITY平台的支持DP的主模块时，须选择PROSOFT公司的第三方模块PTQ DPMMV1。在配置PROSOFT模块CONFIG软件时，须注意配置的GSD文件、从站地址、传输数据类型、数量必须和西门子从站一致。
5、调试前期，由于施耐德UNITY控制系统不支持MB的主站通讯模式，这样我们就无法做到在不加网桥的情况下，通过内置MB口对智能变送器进行通讯。在施纳德公司大力的帮助下，我们对施耐德UNITY控制系统进行软、硬件全面升级，使施耐德UNITY的MB口支持232（点对点）通讯，通过添加232-485通讯转换模块方式，终实现和智能变送器进行MB协议多点（485）通讯的功能。
五、结束语：
在江南水厂项目论证和实施过程中，我们发现施耐德公司新推出并推崇的施耐德UNITY系统具有高可靠性、高稳定性、以及灵活的可扩展功能、强大透明和对复杂环境及处理要求的适应性，为水厂的少人值守管理模式，提供了良好的技术支持。目前该系统正在调试中，预计年底正式投运，投运后，该厂将能承接相关企业委托的污水处理业务。从而获得可观的经济效益，更重要的是：根治了污水对城市的污染问题，将取得显著的社会效益。通过江南水厂污水处理自动控制系统项目的实施，我们认为，施耐德电气公司的UNITY系列产品以其卓越的品质和性能可以为水处理行业提供一个完整的、全面的解决方案：即构造一个基于技术支撑的，由软、硬件组成的系统。从底层的智能变送器到控制层的PLC和作为工厂神经中枢的控制网络及现场总线系统，以及辅助操作员进行数据采集、处理和分析的软件与终端，可以充分满足水处理自动化领域用户对系统数据采集、组态和控制的需求。