杭州市祥符水厂始建于1957年11月,经历次改扩建形成25万m³/d的供水能力,水厂水源取自东苕溪,主要承担杭州城北地区的供水任务。该厂深度处理改造采用的制水工艺为预臭氧—混凝沉淀—砂滤池—中间提升—后臭氧—活性炭滤池—加氯。改造分两阶段进行,一阶段新建25万m³/d的深度处理系统和加药间、臭氧车间等构筑物,同时确保现有14.5万m³/d常规处理系统不间断供水;二阶段拆除14.5万m³/d常规处理系统,新建清水池、出水泵房等构筑物。

　　 祥符水厂自控系统由三层网络及相应设备构成,第一层为信息层,包括中控室组态软件冗余服务器、数据库服务器、操作员站和中控室三层交换机等组成的星形网络,采用TCP/IP协议;第二层为控制层,包括各现场PLC站、现场工业以太网交换机、光纤环网核心交换机和组态软件冗余服务器组成的光纤环网,采用EtherNet/IP协议;第三层为设备层,包括各现场PLC站下属PLC子站、远程IO站、专用工艺成套设备自带的PLC、电力网络仪表等组成的总线型网络,采用EtherNet/IP、ControlNet和Modbus协议。

　　 一阶段工程将新建加药间PLC1、臭氧车间PLC2、综合滤池PLC3、沉淀池PLC6a和PLC6b、回用水池PLC7、高锰酸钾车间PLC8共7个中型PLC站,与自控升级后的排泥水车间PLC5一起组成厂区光纤环网。

　　 组成光纤环网的各PLC站都选用了AB Logix平台控制器,便于在统一的Logix5000编程环境中实现控制器之间的通讯。除排泥水车间PLC5采用AB CompactLogix 1769-L33ER系列控制器外,其余中型PLC站均采用AB ControlLogix1756-L7系列控制器。考虑到加药间和综合滤池的关键设备较多,为保证高可用性,这2个PLC站还配置了AB ControlLogix冗余系统。

　　 由于现有14.5万m³/d常规处理系统出水泵房无自控系统,为在一阶段实现出厂水补加氯和加碱自动控制,在现有出水泵房增设临时小型PLC站PLC4.1,采集出水泵房的开停泵、出水流量、余氯、浊度、pH和清水池水位等信号,就近接入排泥水车间PLC5柜内的工业以太网交换机实现通讯。在二阶段新建出水泵房后将新增PLC4,取代PLC4.1直接接入光纤环网。

　　 一阶段临时中控室设在加药间,组态软件选用GE iFIX V5.8,1套无限点开发版(含冗余组件)和1套无限点运行版(含冗余组件)部署在2台同等配置的服务器上,实现组态软件冗余;另1台同等配置的数据库服务器安装SQL Server 2008实现历史数据记录。

　　 厂外的2个原水输送泵站-奉口泵站和宦塘泵站现场均配置中型PLC站、组态软件服务器及操作员站,除实现本地操作员站控制功能外,水厂中控室操作员站还可通过租用VPN网络访问奉口泵站和宦塘泵站的组态软件服务器,实现原水输送泵站的远程控制。

　　 祥符水厂自控系统结构见图1。

　　 加药间PLC1集中了全厂的加矾、加氯和加碱控制,综合滤池PLC3集中了10格砂滤池和8格活性炭池的冲洗控制以及中间提升泵控制,这2个PLC站一旦出现故障将对整个深度处理系统的运行带来重大影响,因此在PLC1和PLC3配置了AB ControlLogix冗余系统以提高硬件可靠性,确保在一般硬件故障情况下不影响控制功能的实现。

　　 PLC1和PLC3均由一对完全相同的主机架和从机架组成,分别安装有主控制器和从控制器(均为AB ControlLogix1756-L7系列)。冗余系统无需额外编程,全部功能由主、从机架上的1756-RM2模块通过1757-SRC电缆直连实现。正常工作状态下,主、从机架上的1756-RM2模块保持通讯,从控制器会通过1756-RM模块间的同步和交叉加载获得与主控制器相同的工程和最新标签数据;一旦主机架的电源、CPU发生故障或是主机架连接的ControlNet或EtherNet网络出现故障,系统控制权会在100 ms内从主控制器切换到从控制器,可保证高优先级的任务控制输出实现无扰切换。

　　 以综合滤池PLC3为例,主、从机架上分别安装了1756-CN2R和1756-EN2T模块,分别连接到ControlNet和EtherNet冗余网络。ControlNet冗余网络为总线型拓扑结构,采用同轴电缆介质依次连接了3#和4#扩展机架上的6块32点DI模块、3块32点DO模块、4块16点AI模块和2块8点AO模块。该结构可确保在任一块1756-CN2R模块故障情况下,另一块1756-CN2R模块仍可访问3#和4#扩展机架上的全部IO。

　　 EtherNet冗余网络为星型拓扑结构,主、从机架上的1756-EN2T模块连接到PLC3柜内的工业以太网交换机,10格砂滤池和8格炭滤池也采用AB CompactLogix 1769-L33ER系列控制器,分别接入4台8口的工业以太网交换机,再经光纤上连到PLC3柜内的工业以太网交换机。该结构可确保在任一块1756-EN2T模块故障情况下,另一块1756-EN2T模块仍可访问到任一格砂滤池和活性炭池PLC。

　　 综合滤池PLC3的配置和结构见图2。

　　 工业组态软件双机冗余的传统方案已经过长期实践验证了其可靠性,杭州水务下属的清泰、南星和九溪水厂自控系统都沿用了这一方案。随着信息技术的突飞猛进,虚拟化技术已经在IT领域得到广泛应用,但在工控领域仍以传统方案为主导,工控服务器虚拟化还处于相对谨慎的起步阶段。以下对传统方案和虚拟化方案进行简单对比和分析。

　　 以祥符水厂一阶段自控系统为例,2台同等配置的X86服务器部署GE iFIX V5.8开发版和运行版,实现组态软件冗余,另1台同等配置的X86服务器上部署SQL Server 2008。一旦数据库服务器硬件故障,组态软件运行不受影响,但历史数据记录将面临中断。一种可行的方案是再增加1台同等配置的X86数据库服务器和1台磁盘阵列,部署SQL Server 2008集群。这样将形成4台X86服务器和1台磁盘阵列组成的硬件规模,需要购买2套组态软件授权。一旦其中某一台服务器需要计划停机维护或者硬件故障而宕机,对应的冗余服务器上安装的应用就存在单节点风险。一旦远期服务器硬件老化面临升级,就需要重新购置4台服务器,分步重新安装操作系统、组态软件和数据库集群,迁移历史数据,期间还可能遇到硬件升级和原操作系统不匹配之类的棘手问题,往往需要专业工程师的现场技术支持服务。

　　 如果按服务器虚拟化的方案来考虑,根据在用自控系统的组态软件和数据库服务器CPU和内存占用情况估算,只需要3台同等配置的X86服务器(或2台高性能服务器)和1台网络存储组成硬件资源池,采用成熟的VMware虚拟化软件组建虚拟化平台,划分2个虚拟机分别部署组态软件和数据库2个单节点应用就可实现双机冗余传统方案的功能。当组态软件或数据库应用所在的物理服务器需要计划停机维护或出现硬件故障而宕机时,VMware的VMotion工具可以在不影响业务的情况下将应用实时迁移到另1台物理服务器。当物理服务器老化需要升级时,可以在预先搭建新虚拟化平台的基础上,通过VMware的VMotion工具实现虚拟机之间的在线迁移(V2V),省去了分步重新安装操作系统、组态软件和数据库,迁移历史数据等繁琐工作。对于工业组态软件而言,往往会使用USB口的硬件狗,因此在组建虚拟化平台时,还需要使用USB OVER Network这类的工具进行USB共享,通过C/S模式来访问USB内容。

　　 对比以上2种方案,虚拟化方案需要的硬件资源少,物理服务器的运行效率更高,可以减少1套组态软件授权,但也需要购买相应的VMware授权。从日常运行维护、灾难恢复以及远期升级迁移的角度考虑,虚拟化方案与传统方案相比具有明显优势。目前已有自动化厂商面向制造和生产行业提供虚拟化解决方案和技术支持服务,提供包括机柜、服务器、交换机,存储和UPS在内的集成化工业IDC产品,可支持10~150个虚拟机的部署,并已有部分虚拟化成功案例。

　　 水厂自控系统对于确保水厂安全稳定运行,保障城市供水具有举足轻重的作用。基于AB Logix平台的祥符水厂自控系统在设计上较好地兼顾了安全性、先进性和实用性的需求,在控制层采用的冗余系统有效提升了核心站点的硬件可靠性,在信息层目前仍采用工业组态软件双机冗余的传统方案,后续我们将对组态软件服务器虚拟化进行探索,在确保高可用性的前提下充分发挥虚拟化的技术优势。