关于水厂自动化系统升级改造的方案

【摘　要】本文论述了淄博引黄供水有限公司生产自动化系统的网络、软件、硬件、综合继保、视频监控的升级改造。主要介绍了系统的改造范围、实施方案。

【关键词】光纤工业以太环网；Ｐrofibus_dp；ｗincc 7.0

１　淄博市引黄供水自动化系统综述

供水自动化系统采用DCS系统，即“集中管理、分散控制”的集散控制系统。系统应用了工业以太网、微机综合继保、现场总线、光纤主干网、无线数传技术等。主要的控制元器件采用西门子公司的S7系列产品，在西门子公司的工控软件WINCC5.0的平台上进行控制程序的开发，通过工业控制总线和自动化控制系统，将各厂站形成了一个有机整体。计算机采用window 2000系统，数据库采用数据库SQL SERVER，利用ODBC进行数据通信。中心控制调度系统配有综合调度工作站、监控工作站、投影仪、打印机、以太网交换机、光纤收发器等设备。通过光缆与水库泵站、净水厂连接成通讯速率高达100MB的以太网，完成整个系统的数据采集，并进行分析、处理，形成调度指令，同时通过动态画面的形式将整个系统工程的情况、各种参数、曲线、报警信号显示出来并形成报表，也可以在特殊情况下直接对系统内的所有电控设备进行远程操作。

系统建成后已经较稳定地运行十多年，随着这些年来科学技术水平的发展，以及人们对生产自动化水平要求的不断提高，已逐渐不能满足现代化供水生产的要求。

该套自动化系统在多年的运行过程中，随着生产规模调整和技术改造的要求，也增加了部分新的子系统，但新增的子系统并没有和原系统集成融合，形成了自动化和信息孤岛，从而给生产数据综合分析，生产调度，生产管理等诸多方面造成了不便，不利于生产管理水平的提高。

尤其重要的是大部分软件硬件设备已经过了厂家所制定的产品生命周期，从而得不到很好地技术支持。虽然目前系统在正常运行，如果一旦发生故障，后果将十分严重，所以要防患于未然，对系统进行升级改造。

２　自动化系统升级改造方案

２．１　网络

原全局自动化网络分为三层，分别是场站间通讯主干网，厂级控制网络，控制子网，下面针对不同级别的网络分别进行改造方案阐述。

２．２　主干网

原主干网采用单模光缆、光纤收发器、普通以太网交换机构成，网络节点分别是：水库泵站、净水厂、配水厂（总调）。而在主干网上的设备IP地址在一个子网中（组成为C类网络，地址范围：192.168.0.1——192.168.0.255，子网掩码：255.255.255.0）。设备的地理空间跨度达到近30ｋｍ。

以上配置存在以下问题或隐患：１）三个厂站及公司级网络设备在一个子网内，而C类子网资源容量是有限的，不利于扩展和分组管理；２）由于所有设备组态在一个子网内，当发生局域网蠕虫病毒攻击时，将造成整个网络流量的超负荷而瘫痪，这在当今木马、病毒猖獗，存储媒介多样化的年代是很容易发生的。

针对以上所述，按照分组管理，控制风险范围的指导思想，在升级方案中将主干网改为路由管理网络，其中水库泵站，净水厂，配水厂，公司内部分为4个子网，每个子网内由厂级二层交换机链接，核心路由器安放在净水厂内，由总调度室进行远程配置和管理。

这样每个厂站内网络地址资源独享，具有较大的可扩展性，更重要的是：当由于某种原因发生网络攻击或网络故障时，所造成的影响将局限于子网内部，同时通过路由管理和监视，可以迅速地查明造成网络攻击的源头设备或造成网络瘫痪的故障设备。

２．３　厂级控制网

原控制网络（净水厂、配水厂）采用PROFIBUS_FMS总线网络，如前所述，局限于当时的条件，该网络通讯速率较低，干扰噪声大，并且没有冗余功能。本次升级方案拟改为光纤工业以太环网，符合IEEE802.3u标准。采用工业级管理型以太网交换机，具有平衡流量，通讯实时快速，抗电磁干扰能力强，任何一段网路发生故障时不影响整个网络通讯，并能通过计算机诊断检测出故障发生地点等优点。同时与管理层网络在电气链路，逻辑链路层进行了很好的隔离，从而保障了控制网络的高可靠运行。

２．４　控制子网

净水厂的控制子网有：配水混合池站profibus_dp远程IO子网，滤池PLC站1~10号滤格plc通讯用profibus_dp子网。

由于配水混合池远程IO不具备独立的cpu，所以一旦网络发生故障则所有的远程IO将没有动作，从而会会有造成生产事故的危险，所以本次方案决定升级该子网的可靠性，由电气单总线拓扑形式改为具有较高冗余功能的profibus_dp光纤环网,具有在网络开环时仍保证通讯的功能，同时在PLC程序上无需做任何改动。

滤池控制站子网下挂的是S7-200小型PLC，主要功能为：滤池滤格的工艺参数进行检测，恒水位过滤控制，反冲洗控制等。由于滤格子站本身具有CPU功能，且在正常过滤时自成一体控制恒水位，所以在子网发生断网等故障时，不影响滤池的正常工作。在反冲洗时子网PLC和滤池主PLC联动工作，此时由子网PLC和滤池主PLC时刻监控网络通讯状态，一旦网络发生故障，则由子网PLC和滤池主PLC执行网络故障处理程序，按预定步骤停止反冲洗过程并向上位机发出报警信号。

２．５　综合继保网络

原净水厂及配水厂总降继电保护采用微机综合继保系统，该系统具有综合继保管理单元，管理单元与综合继保单元间通过CAN总线连接。通过送水泵房上位机与管理单元的通讯，完成遥测、遥信、遥控功能。综合继保管理单元与上位机的通讯采用RS232C链路，遵循电力部标准CDT通讯规约。送水泵房上位机与wincc服务器进行数据交换，将综合继保信息发送到服务器并可转发由服务器发出的遥控命令。可以看出送水泵房上位机是该系统的关键节点，而计算机的稳定性远远达不到PLC的标准，所以本次方案拟将综合继保管理单元的通讯改到与泵房PLC通讯的方式中，由泵房PLC对综保系统实现三遥功能，则系统的长期可靠性，稳定性以及数据的完整性将得到很好的保证。

２．６　视频监控

升级模拟视频监控到数字视频监控录像系统。

３　软件、程序升级改造

３．１　操作系统及数据库软件升级：净水厂配水厂wincc冗余服务器共4台，安装ms windows2003server，上位机客户端安装windows xp，总调数据库服务器安装ms sqlserver2005版。

３．２　工控软件升级：工控服务器软件升级到wincc7.0a版本以上，增加冗余热备功能。各车间上位机客户端软件升级为wincc7.0a RT128。总调计算机升级为wincc7.0a多客户机系统。

３．３　上位机程序功能性改造：１）在新的wincc7.0a平台上重新生成上位机程序，优化人机操作界面，根据实际要求优化报表结构，增加冗余热备切换功能；２）建立系统标准时钟发布服务功能，统一全局网络设备时钟同步；３）在新的数据库系统中集成各类生产数据，建立统一数据发布平台，按照需求，也可建立web浏览服务器。

３．４　数传电台及GPRS程序集成架构改造：数传电台及GPRS程序原安装在某一台总调计算机上，由它们分别采集远端电台及GPSR数据。这种形式带来两个缺陷：第一是两个程序分别运行，这样占用了系统较大的资源，系统稳定性受到一定影响；第二是当该台计算机出现故障停机维护时数据采集将被迫中断，从而使数据采集不能连续完整地进行。本次方案拟将数传电台及GPRS程序的功能集成到一个程序内，同时将该程序做到配水厂冗余热备计算机内，由wincc_server冗余功能调用，从而保证在不占用太多系统资源的情况下，连续完整地实现数据采集功能。

３．５　PLC程序优化改造：１）编写综合继保通讯管理机与PLC的通讯程序，PLC通讯电气接口：rs422。２）增加接受网络时间校时功能，以保证事件记录顺序正确。３）对滤池主PLC程序、每个滤格小PLC程序进行优化，使之逻辑更加严密，提高软件运行的健壮性，在网络通讯故障时准确进入故障保护动作模式。

总之通过对水厂自动化系统软硬件的升级，对系统设备的诊断、整理，使系统能得到完善地技术支持，使系统更加易于维护，从而更好地服务于生产和管理。通过技术更新手段，结合十多年现场运行经验和工艺数据，提高自动化系统的先进性，改善系统人机友好性，挖掘系统潜力，使自动化系统功能得到更好地发挥。增强系统抗干扰能力，改善网络健壮性，排除系统隐患，增强系统智能及容错能力，从而最大限度地减少因系统故障对生产安全的不利影响。

［责任编辑：周娜］