水处理厂自动化升级

几乎所有使用了几年以上的自来水和废水处理厂都经历过控制系统的迁移——有些还不止一次。1986年，我们在加州的水区开始安装基于小型计算机的SCADA系统进行现代化改造。1995年，我们决定用可编程逻辑控制器(plc)取代控制系统，从此我们再也没有后悔过。

从1995年到现在的17年间，我们经历了几代PLC硬件、软件、网络和I/O。我们经历了考验和磨难，处理了世界各地水厂每天都会遇到的问题。这是我们的控制系统奥德赛的故事。

再见，SCADA系统

1986年，我们的水区购买了一个完整的交钥匙SCADA(监控和数据采集)系统:

• 数字设备公司的中央VAX小型计算机和软件
• 使用RS422运行在9600波特的局域网的通信链路
• 一个以1200波特运行的基于电话的调制解调器广域网，以及
• 两种专有远程终端单元(rtu)。

该系统控制和监测水处理厂和水分配系统的过程。SCADA应用软件运行在VMS操作系统上，采用了一对冗余的Micro VAX II计算机和一对冗余的通信前端数据采集rtu。1986年，该系统的成本为120万美元。该系统运行良好，但随着时间的推移，供应商无法提供与新硬件和软件的兼容性。1993年，以$20 000多的价格购买了该系统最后可用的RTU。

1995年，随着水处理厂过滤器控制系统的更新，控制系统开始迁移到plc。在典型的水处理设施中，使用双介质过滤器来净化水。这些过滤器有一层木炭和沙子，有助于捕获任何在早期处理阶段没有沉淀下来的剩余颗粒。

当过滤器在线并出水时，根据过滤器液位调节水流量。过滤级别将根据过滤器在线运行的时间和工厂处理的水量而变化。大约运行40 ~ 120小时后，根据水质的不同，必须对过滤器进行反冲洗。在过滤器反冲洗过程中，通常在一系列复杂的受控步骤中使用数十万加仑。在我们的工厂，大约335,000克水用于清洗过滤器。约35000克用于清洗过滤器表面，其余300000克用于反向流动，提升和清洁过滤介质。

像大多数过滤器控制应用程序一样，我们有两种主要控制模式。第一种是过滤器在线并产生饮用水时，第二种是反冲洗模式。反冲洗过程由30年的硬连线继电器逻辑控制，开始变得不可靠。1965年基于继电器的控制似乎在反冲洗模式下比在在线过滤模式下更容易挂起，并且对继电器逻辑进行故障排除既耗时又具有挑战性，因此是时候进行自动化升级了。

由于与SCADA RTU的成本和兼容性问题，我们的实用程序开始寻找其他选项，我们评估了使用plc或RTU技术的滤波器控制的几种可能选择。对所有领先的PLC和RTU产品进行了评估，并选择使用AutomationDirect DL340 PLC及其DirectSOFT PLC编程软件。这是传统SCADA系统终结的开始。

公司的优势

根据我们头部控制系统程序员的说法，PLC最受欢迎的功能是编程软件工作的直观方式。在1995年，大多数PLC和RTU编程软件使用专有的编程单元，或者充其量是基于pc的DOS应用程序。

相比之下，AutomationDirect和它在田纳西州约翰逊市的合作伙伴Host Engineering。，开发了基于pc的DirectSOFT PLC编程软件产品。这种基于windows的软件在易用性和与现代基于pc的应用程序的兼容性方面都是一个更好的选择。

我们用PLC代替了过滤自动化系统上的定时和控制继电器，控制过滤液位和自动反冲洗系统。plc通过现有的使用Modbus的RTU连接到遗留的SCADA系统。随着时间的推移，过滤器控制程序已被修改，以提高过滤器性能和水质。最初的PLC编程，以及所有的变化，都是在内部完成的，因为系统很容易修改，以满足我们不断变化的需求。在过去的几年里，滤波器控制系统升级为DL250 PLC，并采用状态逻辑编程，而不是在旧的PLC中使用阶梯逻辑。我们发现状态逻辑使自动化系统更容易进行故障排除。

更换VAX

1996年，工厂的SCADA硬件和软件升级为基于Windows pc的SCADA系统，工厂开始用plc取代所有遗留的rtu。plc控制了多个工厂流程，从数据收集和工厂警报到非常先进的化学起搏系统。

plc在Modbus网络上运行，波特率为38.4 K。虽然这在今天看来很慢，但它比当时典型的Modicon PLC的通信速度要快。我们遇到的一个问题是Modbus标签服务器的使用。当SCADA系统PC与PLC通信时，数据通常是原始或BCD格式，PLC寄存器与Modbus寄存器不完全匹配，因为PLC使用八进制编号系统。

为了解决这个问题，我们放弃了PC SCADA提供商的标签服务器软件，开始使用主机工程公司的DSData软件。DSData能够使用本地寻址方案读取数据，我们的SCADA系统可以使用项修饰符，以便以实数格式收集数据。这意味着我们不再需要将BCD中的“戳点”放入PLC并将其转换为梯形中的实数，而是可以直接以实数格式驱动内存位置。DSData的另一个不错的特性是它可以显示主SCADA软件正在收集的值。

plc和DSData软件在处理厂的表现非常好，因此我们决定在1997年的分配系统和即将到来的工厂扩建中使用plc。到那时，供水系统已经拥有超过25万名客户，覆盖了50平方英里的区域。我们安装了50个PLC来控制储罐和泵站，并作为处理厂的主PLC或数据集中器。

图为典型的配电现场控制柜。RTU更换为PLC，调制解调器和接口盒更换为免许可证扩频无线电调制解调器，电池组和电池充电器更换为不间断电源。在我们的泵站中使用PLC在几个方面都是一个很好的决定。首先，plc易于维护。plc使用DIN导轨安装，卡上的可移动终端连接器，以及模块化扩展设计，使更改和升级易于实现。此外，硬件一直是可靠的和低成本的，并有优秀的技术支持。

相比之下，rtu在许多方面都很昂贵且难以维护。在rtu上工作有多么困难的一个例子是，当一个单板故障时，rtu没有可移动的端子排。在更换失效的电路板之前，技术人员有几十根电线要拧开、用胶带封住并贴上标签。

这张照片显示的是一个典型的用于四泵泵站的PLC。离散输入卡额定电压为120伏。有一个四通道模拟输入卡，带来吸入压力，排放压力和流量，4-20 mA输出卡驱动本地指示灯。PLC驱动继电器输出，接口到电机控制中心。底层通信端口配置为Modbus master，用于读取油箱液位。顶部端口用于与文本面板通信。

从1998年到2002年，主处理厂再次扩建，这一次的容量为1.06亿桶/天，作为工厂扩建的一部分，又安装了11台plc。自1995年以来，该地区已经对plc和相关控制系统硬件的AutomationDirect进行了标准化。目前，我们在处理厂有31个plc，在分配系统中有129个plc。配电系统单元主要用于泵站。最终的结果是，1.06亿桶/天的水公用事业公司完全依靠plc运行其水处理厂和分配系统。

随着工厂扩建项目的结束，工厂员工能够从旧的串行网络转换为基于以太网的网络。以太网易于连接，使用标准硬件，运行速度快。现代以太网交换机的运行速度为1gb /秒，价格便宜，并解决了CDMA冲突和其他问题。今年，我们将PLC网络转换为千兆以太网技术，并对结果完全满意。

plc永远

到2011年，我们用DSData代替了Kepware通信服务器。我们现在使用的是DirectSOFT 5软件，处理厂的网络使用的是千兆以太网技术。我们的大多数plc现在都有十年左右的历史了，工作正常，这表明即使在我们要求很高的环境中，硬件也非常强大。到目前为止，我们地区已经从AutomationDirect购买了价值超过25万美元的控制设备，所以在17年几乎不断的更新、扩建和工厂现代化中，我们花的钱比1986年购买的原始控制系统的成本还少。

Henry Palechek是加州一家水务公司的信息系统和过程控制主管。他在这家公用事业公司工作了超过16年，持有加州T3运营商执照。

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